履帶式工程機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析

徐成東

履帶式工程機械行駛系統(tǒng)包括車架（ 機架） 、懸架和行走裝置。 車架采用整體骨架， 用來安裝所有的總成和部件。 行走裝置負責支持車體， 把從動力裝置傳到驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)檐囕v工作所需的驅(qū)動力[1]。 懸架是車架和行走裝置之間互相傳力的連接裝置。 履帶式工程機械的行走裝置包含兩條與機器縱軸線平行的履帶， 所以它既無法實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向[2、3]， 也無法實現(xiàn)折腰轉(zhuǎn)向[4、5]， 只能通過兩側(cè)履帶驅(qū)動鏈輪的轉(zhuǎn)速差實現(xiàn)轉(zhuǎn)向， 這種方式稱為差速轉(zhuǎn)向[6]。

1 轉(zhuǎn)向原理分析與計算

履帶行走裝置主要由驅(qū)動鏈輪、 導向輪、 支重輪、 托帶輪、 履帶等組成（ 見圖1） 。 車輛行駛時， 驅(qū)動鏈輪接受傳動系統(tǒng)傳遞過來的動力， 依靠履帶板與地面之間穩(wěn)固的附著力產(chǎn)生驅(qū)動力，進而傳遞給行走架和車架， 從而帶動整車行走。圖中vL代表左側(cè)鏈輪的行走速度； vR代表右側(cè)鏈輪的行走速度。 顯然， 當兩側(cè)驅(qū)動鏈輪的行走速度相等時， 車輛成直線行駛狀態(tài)。

圖1 履帶式工程機械行走裝置

當車輛需要轉(zhuǎn)向時， 兩側(cè)的驅(qū)動鏈輪呈現(xiàn)出不等的速度（ 見圖2） 。 左、 右鏈輪沿著車輛的縱向中心線對稱分布， 左鏈輪行走速度vL和右鏈輪行走速度vR兩者互相平行， 且它們的方向垂直于左、右鏈輪的軸線。 由剛體的平面運動可知， 當vL和vR大小不等時， 車輛的速度瞬心必然位于兩側(cè)鏈輪的軸線與vL和vR矢量端點連線的交點上（ 見圖2（a））[7]。 如圖所示， O 點即為車輛轉(zhuǎn)向時的速度瞬心， 也就是轉(zhuǎn)向中心， 設定兩側(cè)鏈輪的輪距為B， 則vL、 vR、 B 和轉(zhuǎn)向半徑R（ 外側(cè)驅(qū)動鏈輪與轉(zhuǎn)向中心之間的距離） 存在如下數(shù)學關系：

由式（2） 看出， 履帶式工程機械轉(zhuǎn)向半徑的大小與左、 右驅(qū)動鏈輪速度vR、 vL的絕對大小無關， 而與兩者的比值有關。 要改變轉(zhuǎn)向半徑， 只需要改變兩側(cè)速度的比值即可。 如果因為作業(yè)場地空間狹窄或其它原因需要在較小范圍內(nèi)轉(zhuǎn)向時， 可以將右側(cè)鏈輪制動， 僅僅依靠左側(cè)鏈輪的速度實現(xiàn)轉(zhuǎn)向， 轉(zhuǎn)向中心（速度瞬心） O 即位于右側(cè)鏈輪的幾何中心。 由式（2） 可知， 轉(zhuǎn)向半徑R 的大小為兩側(cè)驅(qū)動鏈輪的輪距B（ 見圖2（b）） 。 履帶式工程機械轉(zhuǎn)向的另外一種情況就是原地轉(zhuǎn)向（ 見圖2（c））， 此時轉(zhuǎn)向中心（ 速度瞬心） O 位于兩側(cè)驅(qū)動鏈輪的對稱中心點上。 左、 右側(cè)鏈輪的速度vR、vL大小相等， 方向相反， 兩者的比值為負值。 由式（2） 可知， 原地轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)向半徑R 為兩側(cè)驅(qū)動鏈輪的輪距B 的一半。 需要指出的是， 由于履帶式行走裝置的特殊結(jié)構(gòu)， 原地轉(zhuǎn)向時因履帶側(cè)滑等因素帶來的轉(zhuǎn)向阻力會大大增加， 能否實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向受到行走裝置多個運動參數(shù)的影響[8]。

圖2 轉(zhuǎn)向原理示意圖

2 轉(zhuǎn)向的操縱控制

目前， 履帶式工程機械的傳動系統(tǒng)主要采用機械傳動、 液力機械傳動、 液壓傳動三種形式。 機械傳動系統(tǒng)主要由離合器、 變速器、 驅(qū)動橋等構(gòu)成；液力機械傳動系統(tǒng)主要由液力變矩器、 變速器、 驅(qū)動橋等構(gòu)成。 而采用液壓傳動的工程機械稱為全液壓式工程機械。 對于采用機械傳動和液力機械傳動系統(tǒng)的履帶式底盤， 為了轉(zhuǎn)向方便， 設計驅(qū)動橋時均包含轉(zhuǎn)向離合器， 通過操縱控制轉(zhuǎn)向離合器可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。 對于全液壓履帶式工程機械， 通過操縱控制換向閥對行走馬達進行調(diào)速， 進而調(diào)節(jié)左、 右驅(qū)動鏈輪的速度， 形成轉(zhuǎn)速差， 轉(zhuǎn)向得以實現(xiàn)。

2.1 機械傳動（液力機械傳動）

采用機械傳動（液力機械傳動） 時， 驅(qū)動橋采用機械傳動（ 見圖3） 。 履帶式推土機驅(qū)動橋及轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)在執(zhí)行直線行走時， 左、 右轉(zhuǎn)向離合器（ 常閉式） 處于接合狀態(tài)， 來自變速箱的動力經(jīng)過主減速器分別傳給左、 右轉(zhuǎn)向離合器， 再經(jīng)過最終傳動裝置分別傳給左、 右驅(qū)動鏈輪。 在此狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向液壓泵輸出的油液經(jīng)過左、 右轉(zhuǎn)向控制閥的常態(tài)位， 再經(jīng)由調(diào)壓閥的旁油路進入變速箱進行強制潤滑， 潤滑壓力由背壓閥調(diào)節(jié)。

圖3 履帶式推土機轉(zhuǎn)向操縱控制示意圖

當推土機需要轉(zhuǎn)向時， 駕駛員可通過操縱轉(zhuǎn)向控制閥完成轉(zhuǎn)向。 以右轉(zhuǎn)向為例， 駕駛員操縱右轉(zhuǎn)向控制閥的手柄， 控制閥切換到左工作位。 轉(zhuǎn)向液壓泵輸出的壓力油進入右轉(zhuǎn)向離合器的接盤液壓缸， 克服彈簧阻力， 推動活塞伸出， 主動鼓和從動鼓完全或者部分脫開， 右轉(zhuǎn)向離合器處于完全脫離或者半聯(lián)動狀態(tài)。 此時， 右驅(qū)動鏈輪因為動力消失或者減小， 速度開始下降， 左驅(qū)動鏈輪則繼續(xù)接受主減速器傳遞的動力。 左、 右驅(qū)動鏈輪因行走速度的差異迫使車架連同履帶開始向右轉(zhuǎn)向， 轉(zhuǎn)向半徑可由式（2） 求得。 當需要以較小的半徑轉(zhuǎn)向時，可在右轉(zhuǎn)向離合器動力脫開后通過制動器將右驅(qū)動鏈輪制動， 此時左驅(qū)動鏈輪將以右驅(qū)動鏈輪為中心轉(zhuǎn)動， 轉(zhuǎn)向半徑為兩側(cè)鏈輪的輪距B。 需要指出的是， 雖然轉(zhuǎn)向離合器具有脫開動力的功能， 但卻不能反向傳遞動力， 即兩側(cè)鏈輪不能反向轉(zhuǎn)動， 因而無法實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。

2.2 液壓傳動

全液壓履帶式工程機械的轉(zhuǎn)向通過液壓傳動實現(xiàn)。 典型的全液壓履帶式挖掘機傳動系統(tǒng)由兩臺液壓泵、 左、 右行走馬達， 以及左、 右兩側(cè)的換向閥構(gòu)成雙泵雙回路液壓系統(tǒng)（ 見圖4）[9]。 液壓泵的壓力油經(jīng)過換向閥進入行走馬達， 行走馬達輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速， 通過減速器驅(qū)動鏈輪轉(zhuǎn)動， 產(chǎn)生驅(qū)動力。 駕駛員操縱兩側(cè)的手動換向閥， 使左、 右行走馬達等速同向轉(zhuǎn)動， 左、 右驅(qū)動鏈輪等速前進或者后退， 挖掘機執(zhí)行直線行走。 當需要右轉(zhuǎn)向時， 駕駛員操縱右側(cè)手動換向閥， 調(diào)節(jié)換向閥的開口度，調(diào)節(jié)進入右行走馬達的流量[10]， 降低其轉(zhuǎn)速[11]。此時， 左側(cè)手動換向閥仍處于較大開口度， 則左行走馬達行走速度較快， 右行走馬達行走速度較慢，使左、 右驅(qū)動鏈輪速度不等， 實現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。 由于履帶式挖掘機行走速度較慢且行走阻力較大， 當駕駛員將右側(cè)手動換向閥置于中位時， 右行走馬達停止轉(zhuǎn)動[12]， 左驅(qū)動鏈輪將圍繞右驅(qū)動鏈輪驅(qū)動整車轉(zhuǎn)向， 轉(zhuǎn)向半徑為兩側(cè)鏈輪的輪距B。 當挖掘機需要原地轉(zhuǎn)向時， 駕駛員只需將兩側(cè)的手動換向閥置于相反的工作位且將開口度調(diào)節(jié)至最大值， 則左、 右行走馬達等速反向轉(zhuǎn)動， 左、 右驅(qū)動鏈輪速度大小相等， 方向相反， 使挖掘機實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向半徑為兩側(cè)鏈輪輪距B 的一半。

圖4 全液壓履帶式挖掘機傳動系統(tǒng)

3 結(jié) 語

無論采用機械傳動（ 液力機械傳動） ， 還是采用全液壓傳動， 履帶式工程機械均是通過兩側(cè)驅(qū)動鏈輪的轉(zhuǎn)速差實現(xiàn)轉(zhuǎn)向， 但兩者的操縱控制方法存在差異， 轉(zhuǎn)向工作過程也不相同， 由于轉(zhuǎn)向半徑取決于兩側(cè)驅(qū)動鏈輪速度之比， 要求駕駛員具有一定的工作經(jīng)驗。