第六章车辆的牵引性能和动力性能

机器作等速运行时，有效牵引力FKP的一般表达式为： (6-19) (6-20)
FKP = FK－f·G
机器在不稳定工况下运动时，对于机械直接传动的车辆， 需要考虑运动质量惯性力的影响，此时牵引平衡方程为：
FK = Ff + Fi +Fj＋Fx
式中：Fj为惯性阻力，可按下式计算：
2 G d im J e 2 m r v g d rK t
工程机械底盘理论
第六章
车辆的牵引性能和动 力性能
牵引力平衡和牵引功率平衡 牵引特性 试验牵引特性 动力特性
第一节 第二节 第三节 第四节
一般来说，施工机械的工作过程有两种典型工况：牵引工 况和运输工况。机器在牵引工况下工作时，需要克服由铲土而 产生的巨大工作阻力，因而要求机器能发挥强大的牵引力。当 机器在运输工况下工作时，需要克服的仅是数值不大的行驶阻 力，此时主要要求机器在越野条件下能具有高的速度性能：加
FK F
现在来考察在稳定行驶的牵引工况下，作用在车辆上的外 部阻力，这些外部阻力包括以下各项： 1.滚动阻力Ff
Ff = f G cosa
(6-15)
式中：a— 运动表面对水平面的倾角； G —机器重量。
2.坡道阻力Fi
Fi =±Gsina
(6-16)
式中正号表示上坡，负号表示下坡。
3.工作阻力Fx
对于推土机而言，MPTO = 0。对于装载机而言，可取MPTO = (0.20～0.40)MeH。 在车辆等速稳定行驶的工况下，驱动力矩MK可按下式计算：
MK ＝ M2 im η
m
(6-13)
M2 — 涡轮输出扭矩；
im — 机械传动部分的总传动比(自变矩器输出轴至驱动轮)； η
m
— 机械传动部分的总效率。
Pr = PK(1－η r) = Pecη m(1－η r)
履带上的理论切线牵引功率P’PK可按下式计算： P’PK ＝PK－Pr ＝PK η r= Pecη Mη
r
当切线牵引力FK 和车辆的理论速度vT为已知时，则P`PK亦 可直接按FK与vT计算：
P’PK ＝FKvT
5) 履带滑转引起的功率损失 6) 消耗在克服滚动阻力上的功率 7) 消耗在克服坡道阻力上的功率 8) 消耗在克服工作阻力上的功率，即有效牵引功率
MBa = (0.03～0.05) MeH (ne ÷neH)
式中：MeH— 发动机的额定转矩； neH— 发动机的额定转速； ne— 发动机转速。
对于轮式装载机，驱动工作机构消耗的转矩MPTO可按发动机额
定转矩的20％～40%来考虑。 在等速稳定运转的工况下，驱动轮上的力矩MK可按下式计算：
MK = Mec imηm
用通常能保证机器具有足够大的牵引力以克服临时增大的切削
阻力。因此，利用机器在减速时的惯性来增大牵引力的问题， 在这种场合，没有太大实用意义，故本文不再多作讨论。
二、牵引力平衡和牵引功率平衡
工业车辆的牵引力平衡和功率平衡表明了当机器工作时它的 切线牵引力和发动机的有效功率是怎样分配、消耗和被利用的。 机器的牵引力平衡方程和牵引功率平衡方程是计算牵引力和牵引 功率的基本方程。 (一) 牵引力平衡方程 我们知道，在等速行驶工况下车辆牵引力平衡方程为：
速性能、运行稳定性和机动性。但是，对于运行速度较低的铲
土运输机械来说，最主要的工况乃是牵引工况。
机器的牵引性能和牵引工况下的燃料经济性是指机器在牵引工
况下的工作能力和燃料消耗的多少。为了有效地完成牵引工况，
必须使机器在低档工作时保证发动机的功率高效率地转换成作 业用的牵引功率，并发挥出必要的牵引力，同时所消耗的燃料 则应尽可能的低。 车辆的牵引性能和燃料经济性通常是用机器的牵引特性来评价
对履带推土机,这种辅助装置主要是操纵主离合器、转向离 合器和工作装置用的工作油泵和润滑油泵。在推土机作业时，操 纵系统只有短暂性的工作，因此辅助装置的消耗可按液压系统的 空载回路(阻力)消耗来计算。此时，转矩的损失可近似地认为与 发动机转速成正比。当发动机在额定转速工作时，这种损失约占
发动机额定转矩的3％～5％，亦即：
(二) 牵引功率平衡方程—牵引功率和牵引效率的计算 1.机械传动 当机械传动的车辆在等速牵引工况下工作时，发动机的有 效功率Pe将按以下各部分分配。（共八部分，不展开介绍）
1)驱动辅助装置消耗的功率PBa 这部分功率主要消耗在克服操纵和润滑系统油泵的空载回 路阻力中，它可按下列公式计算：
PBa = MBanc=(0.03～0.05)PeH
PPTO =(0.20～0.40) PeH
输入变速器的功率，亦即发动机的自由功率Pec为：
Pec = Pe－(PBa+ PPTO)
3)传动系中的功率损失Pm
Pm = Pec（ 1－η m）
式中：η m— 传动系总效率。 驱动轮上的驱动功率PK则可按下式计算：
PK = Pec－Pm= Pecη
m
4)履带驱动段上的功率损失Pr
传动系的总效率则可按下式计算： η m=(η
1
m1)(η
2
m2)
(6-6)
式中： η 1— 圆柱齿轮的传动效率(η 1 =0.985)； η 2— 圆锥齿轮的传动效率(η 2 =0.97)； m1— 传动系中圆柱齿轮的对数； m2— 传动系中圆锥齿轮的对数。 根据式(2-3)和式(6-4)，切线牵引力FK可按下式计算：
2.液力机械传动 对于液力机械传动的车辆，发动机有效功率的分配和消耗略 有不同。此时除机械传动的各项损失外，还需增加液力传动中的 功率损失。在这种场合下，车辆的功率平衡方程可列如下：
Pe＝PBa＋PPTO＋PTe+Pm＋Pr＋Pδ +Pf＋Pi＋Px
(6-51)
式中：PTe — 液力传动部分(变矩器)的功率损失； Pm — 机械传动部分的功率损失。 在公式(6-51)中，需要注意的是，辅助装置消耗的功率PBa不 仅包括各油泵回路的空载阻力耗损，而且还应包括带工作负荷的 变矩器冷却油泵所消耗的功率，此时 PBa可按下式计算：
工作阻力Fx 即作用在工作装置上的铲掘阻力。
这样，作用在车辆上的外部阻力的总和∑F即等于： ∑F= Ff + Fi + Fx 于是，车辆的牵引平衡方程具有以下形式：
(6-17)
FK = Ff + Fi + Fx FKP = FK－G(fcosa±sina）
当机器在水平地面上作等速行驶时，
(6-18)
im和η m仍可按式 (6-6)进行计算，只是ne和ω e应用相应的n2 和ω 2来代替。需要注意的是，如果采用动力换档变速器，其功率 损失不仅有齿轮的啮合损失，但主要的损失还是各离合器中的回 转损失。对于此种损失尚无精确的计算办法，在实用计算中，动 力换档变速器的转矩损失可按30～50N·m来考虑(对于10～20t级 的机器)，并将其在变速器的输出转矩中扣除。 切线牵引力FK可按下式计算：
MBa ＝(0.03～0.05)MeH (ne ÷neH) +MBaT
式中：MBaT — 变矩器油泵所消耗的扭矩。
(6-11)
MBaT可按下式计算
MBaT = 2 N m bm
pqT
(6-12)
式中：p — 油泵工作压力(MPa)； qT — 油泵理论排量(ml/r)； η bm — 油泵机械效率， η bm = 0.85～0.88。
式中：PeH — 发动机的额定功率。
ne n eH

2
如用η
Ba表示驱动辅助装置的效率，则
Ba
Pe PBa = Pe
式中：Pe — 发动机有效功率。
2)驱动功率输出轴所需的功率PPTO 这部分功率计算需视车辆所带工作装置的类型决定。对于推 土机可认为在推土时，工作装置等操纵系统基本上是不工作的， 此时PPTO = 0。 对于装载机可取：
的。本章着重讨论工业车辆的牵引特性及其计算与绘制方法。
第一节 牵引力平衡和牵引功率平衡
如前所述，推动履带车辆前进的驱动力是地面作用在履带上的 切线牵引力。产生这一切线牵引力的原动力是由发动机传至驱 动轮上的驱动力矩，而驱动力矩本身又需依靠履带与土壤之间
的附着作用才能得以充分发挥。因此，车辆的切线牵引力可按
FK
r M K
rK

M eciM m r rK
(6-7)
式中：rK— 驱动轮动力半径； η r— 履带驱动段效率(η
r
= 0.96～0.97)。
当工作阻力突然减小或增大时，机器处于减速或加速的不 稳定过程。此时由于发动机飞轮、传动系以及整车质量惯性力 的作用，驱动力矩和切线牵引力都会发生变化。尤其是在减速 过程中，此种惯性力可用来增大车辆的驱动力，以克服铲掘阻 力的短时增大(即所谓冲击铲掘)。此点对机械传动的工业拖拉 机是有实用意义的。 在不稳定工况下，履带车辆的切线牵引力F”K可按下式计算：
设MBa和MPTO分别为消耗在驱动辅助装置和功率输出轴上的 发动机转矩，PBa和PPTO分别为消耗在驱动辅助装置和功率输出
轴上的发动机功率，则输入变速器的发动机自由转矩Mec和自
由功率Pec可按下式计算：
M ec M e M Ba M PTO Pec Pe PBa PPTO
算的原始依据应是涡轮输出轴的转矩M2。需要注意的是：当
计算变矩器的输出特性时，在发动机的有效功率中必须扣除 由发动机直接驱动的功率输出轴(例如装载机的驱动工作机构
的油泵)和辅助装置所消耗的功率。
和机械直接传动的情况不同，在液力机械传动中，辅助装置 的消耗不仅包括主离合器、转向等油泵的空载消耗，而且还有变 矩器冷却油泵的消耗，该油泵是按照工作负荷运转的。辅助装置 的扭矩消耗MBa按下式计算：
(6-4)
式中：im— 传动系总传动比(自发动机至驱动轮)； ηm— 传动系总效率。