工程机械理论与设计教案

单元标题第五章工程机械牵引性能单元学时 3

教学目标

使学生认识工程机械的牵引特性，牵引性能参数的合理匹配，牵引特性的绘制以及动力特性。学会建立牵引力平衡和牵引功率平衡方程。

教学重点

牵引特性、动力特性的概念，牵引性能参数的合理匹配的条件。

教学难点

牵引特性的绘制，牵引力平衡和牵引功率平衡方程的建立。

教学方式方法

采用ppt，以文档、图片等形式引导学生建立起对工程机械牵引特性、动力特性的认识。

教学手段

采用ppt，以面授通过文档，图片等形式讲解

教学过程

第一节工程机械工况

第二节工作阻力计算

第三节工程机械的驱动力

第四节牵引力平衡和牵引功率平衡

第五节牵引特性

第六节理论牵引特性的绘制

第七节试验牵引特性

第八节牵引性能参数的合理匹配

第九节动力特性

讲课内容（转讲稿页）

讲课内容

第一节工程机械工况

工况的概念：系指整机的工作状态或机器与作业环境相互作用的状态之简称。

?铲上运输机械的运用条件多变．可能形成许多不同的工

况。

（1）典型工况

典型工况:在众多可能的工况中,机器在运用时经常出现的,对

机器的设计和评价其性能有决定形响的工况称为典型工况。

工程机械工作过程有两种典型工况：

牵引工况和运输工况

?牵引工况时，工程机械需要克服工作装置作业而引起的巨

大工作阻力，需要发动机和底盘系统发挥强大的牵引力。

此时，工程机械以低挡工作。

?运输工况时，工程机械仅需克服车辆的行驶阻力，此时，

运输距离较大，为提高生产率，工程机械在高挡工作。

牵引工况对机器的设计要求是：

1．机器的适应性较强．确保在变化较大的工作阻力下稳定工作；

2．机器在低档工作时．应能发挥足够大的牵引力，以便克服短时最大工作阻力；而且牵引效率较高；

3．发动机的功率应能较好地发挥和利用；

4．整机布置合理、整机性能匹配．且最大圆周牵引力大于附着牵引力。

（3）运输工况对机器总体设计的一般要求

运输工况对机器总体设计的一般要求如下：

1．速度性能好．即运行速度快，变速方便、迅速．机器加速性能好，而月在各种速度下运行发动机功率利用充分；2．机器的机动性好、能适应各种运用情况的转向、调度要求．转向半径小；

3．机器的通过性好，既能通过松软、泥泞的路面，又具力较大的爬坡能力；

4．机器的稳定性好，对于各种复杂的工作情况,机器有足够

的纵向、横向稳定性。

(4)工程机械牵引性能 工程机械牵引性能是指工程机械依靠其行走机构和地面的相互作用所发挥的牵引力来完成作业过程的能力。

第二节 工作阻力计算

一、牵引工况阻力计算

1．机器在牵引工况下的工作阻力

J f WK T P P P P P +++=α

2．回转质量换算系数x

回转质量换算系数x ：考虑了发动机、传动系、行走机构各回转零件在机器加速或减速过程中产生的对机器直线运行的惯性力。

对于机械传动的机器来说，传动系各轴上的回转零件换算

到驱动轮轴上的等效转动惯量与该轴至驱动轮轴之间的传动比之平方成正比。

件的转动惯量虽大，但转速低，因此，在计算系数x时，

可近似地仅考虑发动机和行走机构回转零件的惯件影响。

x可按下式计算

?对于履带式行走机构．则可按下式近似估算；

当铲土运输机械在运输工况下工作时，作用于机器的阻

力应包括滚动阻力Pf、坡道阻力Pα，和惯性阻力Pj

?它们的计算方法同牵引工况。对于运行速度较高的轮式机

械还应包括风阻力PW，PW按下式计算

空气阻力

运输工况的工作阻力：

第三节 工程机械的驱动力

工程机械的驱动力:是地面作用在其行走机构上的切线牵引力，它是发功机传至驱动轮上的驱动转矩，并依靠行走机构与地面之间的附着作用才得以充分发挥。

1．工程机械的驱动力计算

机械传动式工程机械的驱动力计算

(一)稳定运行时的驱动力计算

工程机械在等速稳定运转条件下，传至驱动轮上的转矩MK 为

式中，Mea -----发动机的自由力矩

i m --------传动系的总传动比

m

m ea K i M M η=

ηm ------传动系的总效率传动系总效率

辅助装置

? 发动机的功率在输入变速箱之前，必须分出一部分来驱动

车辆的辅助装置。有的工程机械还需分出相当大的部分功率来驱动工作装置。

? 因此，在计算发动机自由驱动转矩和功率时，应将这部分

转矩从发动机的转矩中扣除。

? 辅助装置主要是操纵主离合器、转向离合器和工作装置的

工作油泵和润滑油泵。

? 按液压系统的卸荷状态(即空载)计算

? 功率输出轴驱动工作机构消耗的力矩：

? 对于轮式装载机．由功率输出轴驱动工作机构消耗的力矩

Mout 可按发动机额定力矩的20％~40％来考虑。

切线牵引力PK

? 在驱动转矩MK 作用下，行走机构切线牵引力PK 为： ? 对轮式工程机械

:

out

F e ea out F e ea N N N N M M M M --=--=

? 式中——rc 轮式行走机构的动力半径

切线牵引力

? 履带式行走机构：

? 式中——ηt 履带驱动段效率，ηt=0.96~0.97

不稳定运行时

(二)工程机械作不稳定运行时的驱动力计算

? 当机器的工作阻力突然减小或增大时．机器将处于加速或

减速的不稳定运行状态。由于发动机飞轮、传动系的旋转零件及整机质量的惯性力(或力矩)的影响．驱动力矩和圆周牵引力都会发生变化。

加减速对驱动力矩Mk 的影响：

1 若为加速运行时，发动机的部分能量用于加速飞轮和传动系中与飞轮刚性连接的其它旋转零件．则驱动力矩Mk 将减小。

c

m m ea c K K r i M r M P η==c

t

m m ea K r i M P ηη=

可以帮助机器克服短时作用的工作阻力。

?对于轮式行走机构，在不稳定运行时，驱动轮的驱动力矩

铲土运输机械的牵引平衡是指在各种工况下的驱动力与工作阻力的平衡以及驱动功率与克服各种阻力所消耗的功率之间的平衡。

一、铲土运输机械的牵引力平衡方程

?机器在牵引工况下工作时，其牵引力的平衡方程为：

?当机器在水平地面上等速运行时

?当机器在运输工况下工作时，其牵引力的平衡方程为：

二、铲土运输机械的功率平衡方程

(一)机器采用机械传动时的功率平衡方程

? 考虑机器的功率平衡时，应以输入变速箱的功率，即发动

机的自由功率Nea 为依据来建立功率平衡方程。发动机的自由功率Nea 为：

)(out F e ea N N N N --=

辅助装置消耗的功率计算

? N F 由辅助装置空载消耗的功率N’F 和受工作载荷时所消耗

的功率N”F 构成

第五节 牵引特性

牵引特性是反映工程机械牵引性能和燃料经济性最基本的特性曲线。

? 牵引特性以图解的形式表示了工程机械在一定的地面条

件下，在水平地段以全油门作等速运行时，工程机械各挡的牵引参数随有效牵引力P 而变化的函数关系。

这些牵引参数包括：有效牵引功率P N ，实际速度V ，牵引效率P ，小时燃油耗GP ，比油耗P g ，滑转率δ，和发动机功率Ne ，(或转速ne)，亦即：以上各量的图解形式。

牵引特性可分为理论特性和试验特性两种。

? 理论牵引特性是根据工程机械的基本参数，通过牵引计算

来绘制的。由于计算时不可避免地要引入某些假设，所以理论牵引特性与实际情况总会有某些出入。

? 试验牵引特性：是通过牵引试验测得的牵引特性，较能真

实地表明工程机械实际牵引性能和燃料经济性。

? 作用：在牵引特性图上可以标出工程机械在最低挡的某些

特征工况下各项牵引参数的具体数值,作为表征工程机械牵引性能和燃料经济件的基本指标(见图4—1)。

特征工况为：

2)最大牵引效率工况:

3)发动机额定功率工况:

4)额定滑转率工况:

5)由发动机转矩决定的最大牵引力工况:

6)由附着条件决定的最大牵引力工况:

对于液力机械传动还应补充：

7)变矩器最大输出功率工况；

8)变矩器工作转矩决定的最大牵引力工况。

牵引特性的作用

1.在机械的设计过程中，牵引特性被用于：研究和检查发动

机、传动系、行走机构和工作装置的参数之间的匹配是否合

理；

2.比较、评价各总体方案的动力性能和经济性能，并择优确

定设计方案；

3.评价、判别设计方案与现有同类机器相比较的优劣；通过

牵引特性全面量化地描述机器的牵引性能、速度性能和经济

性。

4.在机器使用过程中，牵引特性有助于合理地使用机器，合

能，提高生产率。

第六节理论牵引特性的绘制

(i)已知的原始资料

1)发动机调速外特性，包括以下曲线：

2)工程机械使用重量Gs和附着重量Gφ

?使用重量:变应包括工程机械净重，全部液体重量(燃料，

容量的2／3以上，冷却水、润滑油、按规定量注入的工作

油)，随车工具及驾驶员重量(按75kg计算)。

?附着重量: 指作用在驱动元件上的部分使用重量。显然，

履带车辆的使用重量等于附着重量。

3)传动系各挡总传动比i m及传动效率ηm。

4)驱动轮动力半径rd 。

5)地面条件和滑转率曲线。

轮式工程机械

?对于工程机械的典型地面条件，自然密实的粘性新切土

按以下经验公式绘制：

?对于轮式工程机械(轮胎气压在0．2~0．3MPa范围)

液力机械传动

?对液力机械传动的工程机械，可将发动机和液力变矩器

看成是复合动力装置，两者共同工作的输出特性可视为复合动力装置的外部特性，其牵引特性的绘制方法与上述并无原则差别。

第七节试验牵引特性

试验牵引特性:通过牵引试验实际测定的牵引特性称为机器的试验牵引特性。

作用：利用试验牵引特性可以全面地评价机器牵引性能和燃油经济性，也可检验机器总体设计的合理性。

?牵引试验是机器的主要试验之一。

一、牵引试验方法的基本原理

(一)基本试验方法

牵引试验可以分为：

1 专用的试验台架试验

试验台试验：是根据相对运动的可逆性原理制造的。

2 跑道试验：场地试验

率的拖拉机加载。

?试验应测定的数据为：有效牵引力P、试验机器的行驶距

离L，通过这距离的时间t、相应的燃油消耗量G e，左

右驱动轮的转速n k和力矩M KL、M KR，发动机转速

n e。

?有时为了进一步分析牵引效率的组成还可附加测定发动

机的输出转矩和左右驱动轮的驱动转矩。目前在牵引试验

中广泛采用着各种电测仪器，大大提高了测定的真实性和

测试效果。

(二)试验地段土壤条件的测定

?为了明确表示牵引试验的路面条件，可用土壤的颗粒级

配、密实度、含水量与强度来评价试验地段的土壤的物理

机械性能。

二、试验数据处理

?根据牵引试验所获得的测量数据，经整理后，可按下述公

式确定绘制特性的各项数值。

1．应取牵引负荷稳定的区段的每次试验有效牵引力p之读数

2．实际运行速度v可根据在相应区段(即确定有效牵引力的同

一区段)，由五轮仪测定的行驶距离L和相应的试验持续时间t

来计算.

第八节牵引性能参数的合理匹配

牵引特性是评价工程机械的牵引性能和燃料经济性的基

本依据。牵引特性图的作用为：

1 在牵引特性图上可以看到不同挡位下工程机械动力性和经

济性各项指标的具体数值;

2 可以从各挡特性曲线的形状、走向和分布中获知在不同牵

引负荷下工程机械牵引性能和燃料经济性的变化情况、各挡

传动比的分配情况和牵引力、速度的适应性能。

3.可以根据各特征工况下的功率平衡来分析发动机额定功率

的分配情况

4 从各特征工况在牵引特性图上的位置和相互关系中来分析

牵引性能参数匹配的合理性。

通过这些分析将进一步表明各总成的工作性能是否获得

充分发挥，并表示出工程机械牵引性能和燃料经济性良好

或欠佳的原因。

牵引性能参数是指机器总体参数中直接影响机械牵引性

能的发动机、传动系、行走机构、工作装置的基本参数。由

于牵引性能是车辆的基本性能，这些参数的确定也就决定了

所没计机器的基本性能指标；

施工机械在作业时发动机、传动系、行走机构、工作装

置既相互联系又相互制约。机器的整机性能不仅取决于总成

本身的性能，而且也与各总成间的工作是否协调有着密切的

关系；因此，在机器的总体参数之间存在着相互匹配是否合

理的问题。只有正确地选择发动机、传动系、行走机构、工

作装置的参数，并保证它们之间具有合理的匹配，才能充分

发挥各总成本身的性能，从而使整机获得较高的技术经济指

标。

对机械传动的车辆来说，机器的作业是通过发动机．机

械传动系、行走机构和工作装置的共同工作来完成的，在这

种共同工作过程中，机器每个总成性能的充分发挥都将受到

其他总成性能的制约，而机器的牵引特性则将以机器外部输

出特性的形式显示出各总成共同工作的最终结果，因此，在

选择各总成的参数时，必须充分注意到它们之间相互的制约

关系，这种制约关系主要反映在切线牵引力与发动机调速特

与行走机构滑转曲线之间的相互配置上。下面将着重讨论上

述配置关系对各总成和整机性能的影响．以及如何保证机器

牵引性能参数之间合理匹配的问题。

一、切线牵引力在发动机调速特性上的配置

铲土运输机械的工作对象大多是较为坚硬的土石方，其

中常常还有巨大的石块、树根、土的均质性也比普通耕地差

得多。因此，在作业过程中工作阻力会发生急剧变化，并常

常出现短时间的高峰载荷以及行走机构完全滑转等情况。这

是大部分铲土运输机构负荷工况的显著特点。工作阻力的急

剧变化使得机器的切线牵引力也随之发生急剧的变化，后者

通过传动系反映到发动机曲轴上来，就形成了曲轴急剧波动

的阻力矩。许多研究表明，这种急剧波动的负荷对发动机的

性能将产生很大的影响；

因此，在变负荷工况下．发动机的实际平均输出功率和

平均比油牦会大大偏离它们的额定指标。平均输出功率和比

油耗的数值与曲轴阻力矩M C

对于同样变化的切线牵引力，

可以在发动机曲轴上获得一系列相似的负荷循环。因此，通

过调节传动比的方法就可以改变发动机负荷循环在调速特性

上的位置，以获得最大的平均输出功率(图1-2-16)．

因此，发动机只有在稳定工况下工作时才能输出额定功率。而平均阻力矩的工作点才能配置得等于其额定转矩。当阻力矩发生波动时，发动机的最大平均输出功率总是小于它的额定功率。只有适当配置阻力矩在发动机调速特性上的位置，才能获得最大的平均输出功率。

在分析牵引性能参数的匹配时，可从以下几方面考虑：

1) 牵引参数合理匹配的第一个条件：

由发动机转矩决定的最大牵引力Pmax应大于地面附着

条件所决定的最大牵引力(即附着力)Pφ

满足第一个条件的原因

牵引性能参数的匹配必须保证工程机械在突然超负荷

时，首先发生行走机构的滑转，而不应导致发动机熄火，此

时由发动机扭矩所决定的最大牵引力应留有适当的储备(相