履带车辆的转向理论
农用履带车辆差速转向性能的理论研究_迟媛
221） ；东北农业大学博士启动基金
基金项目：国家自然科学基金 （51105073） ；黑龙江省留学回国基金 （LC2011C33） ；哈尔滨市科技创新人才研究专项资金项目 （2009RFQXN
作者简介：迟媛 （1974-） ，女，副教授，博士，硕士生导师，研究方向为履带车辆转向。E-mail: cy207@126. com
摘
要：文章设计了履带车辆的液压机械双流驱动系统，对系统中起功率汇流的动力差速转向机构进行参数
设计的基础上，理论分析了动力差速转向机构的动力输入和输出之间的转速和扭矩关系，获得了采用该转向机构 的履带车辆的理论转向半径和理论最小周转向时间，并通过样机实验获得了实际转向半径和实际最小周转向时 间，进行了比较，可用于指导液压机械双流驱动系统的研究。
各行星排的齿数
行星排 2 Planetary gear train 2 31 110 40 3 行星排 3 Planetary gear train 3 31 79 24 2
Table 1 Gear's teeth number of three planetary trains
行星排 1 Planetary gear train 1 31 79 24 2
Abstract: Double power driving system adopting hydro-mechanism was designed for tracked vehicle in
the paper. The parameters and transmission ratio of the differential steering mechanism which combined the mechanical power and hydraulic power were studied. Rotate speed and moment relationship between input and output of the steering mechanism, theoretical turning radii and minimum turning time per circle were achieved. The turning radii and time were tested by prototype experiment. The study paved the way for the design of the double power driving system.
履带车转弯原理
履带车转弯原理
嘿，朋友们！今天咱就来聊聊履带车转弯原理，这可超级有趣呢！
你想想，履带车就像是一个力大无穷的大家伙，在各种地形上横冲直撞。
比如说，那建筑工地上的履带挖掘机，那可是个厉害角色！
那履带车到底是怎么转弯的呀？其实呢，就像是人走路转弯差不多啦，但又不太一样。
它呀，通过控制两边履带的速度差异来实现转弯。
好比说左边履带走得慢一点，右边履带快一点，欸，这不就转弯了嘛。
就像咱走路的时候，一只脚迈得慢点，一只脚快点，不就转过去了嘛！
再打个比方，想象一下一辆履带车就像是一只大怪兽，它的两条履带就是它的两只大脚。
当它要转弯时，就像是大怪兽想拐个弯去追其他小动物，它通过调整两只大脚的速度来完成这个动作。
有趣吧！
履带车转弯可神奇了呢！在战场上，那些威风凛凛的坦克，它们靠着这个原理灵活地改变方向，是不是超级厉害？要是没有这个原理，它们可就没办法那么潇洒地在战场上冲锋啦！在农田里，那些耕地的履带车也是利用这个原理，乖乖地按照农夫的指示转弯干活。
所以啊，履带车转弯原理可太重要啦！它让这些大块头们变得灵活又能干。
哇塞，真的是让人大开眼界呀！我觉得这真是太神奇了，让我们对这些厉害的大家伙又多了一份敬佩和惊叹！
总之，履带车转弯原理就是这么酷，这么有意思！你是不是也跟我一样觉得很神奇呢？。
履带差速转向原理
履带差速转向原理
嘿，朋友们！今天咱来聊聊履带差速转向原理，这可真是个超级有趣的玩意儿！
想象一下，你正在驾驶一辆坦克，那威风凛凛的样子。
坦克为啥能那么灵活地转向呢？这就全靠履带差速转向原理啦！就好比人走路，两条腿的速度不一样，就能改变方向，坦克的履带也是这个道理。
比如说，当左边的履带转得慢一点，右边的履带转得快一点，那坦克不就往左边拐了嘛，反之亦然。
这多神奇呀！
我给你讲啊，这就像是两个人一起拉一辆车，一个人使劲大，一个人使劲小，那车不就往使劲小的那个人那边偏嘛！履带差速转向原理就是这么简单又实用。
你知道吗，这个原理在很多机械上都有应用呢！像那些大型的工程机械，它们在复杂的工地上也能灵活自如地行动，靠的就是这个原理。
咱再想想，要是没有这个原理，那些大家伙们得多笨拙呀！根本没办法应对各种情况。
所以说呀，履带差速转向原理真的是太重要啦！它让机械们变得聪明又灵活，就像给它们装上了智慧的翅膀。
我觉得这简直就是机械世界里的一个伟大发明！以后我们还会看到更多利用这个原理创造出来的神奇机械，那场面肯定超震撼！你难道不想看看吗？哇，真的好期待呀！。
简述履带式机械转向原理
履带式机械转向原理简述履带式机械，如履带式挖掘机、坦克等，以其独特的行走方式在各种复杂地形中表现出卓越的适应性和稳定性。
其转向原理涉及多个关键部分，下面将分别进行简述。
1. 履带驱动履带式机械的主要行走机构是履带，它与轮子不同，能够使机器在各种地形上稳定行走。
履带驱动依靠主动轮的旋转带动履带运动，从而实现机械的前进、后退和转向。
2. 转向机构转向机构是履带式机械的重要组成部分，它决定了机械的行驶方向。
常见的转向机构有中心转向和差速转向两种类型。
中心转向机构通过改变两侧履带的行驶方向，使机械按照预定路线转向。
差速转向则是通过调节两侧履带的转速，使机械朝向一侧移动，实现转向。
3. 差速调整差速调整是通过控制两侧履带的转速差来实现转向的。
在差速转向中，转速较快的履带会推动机械向该侧移动，而转速较慢的履带则相对滞后，从而形成转向动作。
这种转向方式需要精确的控制系统来调节两侧履带的转速，以实现平滑、准确的转向。
4. 履带张紧履带在使用过程中会受到磨损和拉伸，导致长度变短。
为了保持履带的良好性能，需要定期检查并调整履带的张紧度。
张紧系统通过调节履带两端的张紧轮位置，使履带保持适当的张力，确保机械行驶平稳、减少磨损。
5. 制动系统制动系统用于在需要时迅速降低履带式机械的行驶速度或使其停止。
制动系统通常由多个制动器组成，分布在履带的不同位置。
当制动器被激活时，它们会与履带产生摩擦力，从而降低履带的转速或使其停止转动。
良好的制动系统能提高机械的安全性和操控性。
总之，履带式机械的转向原理涉及多个关键部分，这些部分协同工作，实现了机器在不同地形中的稳定行驶和精确转向。
通过维护和保养这些系统，可以确保履带式机械的正常运行和延长其使用寿命。
履带车辆的转向理论
一、双履带车辆的转向理论对于双履带式车辆各种转向机构就基本原理来说是相同的，都是依靠改变两侧驱动轮上的驱动力，使其达到不同时速来实现转向的。
(一)双履带式车辆转向运动学履带车辆不带负荷，在水平地段上绕转向轴线O作稳定转向的简图，如图7-12所示。
从转向轴线O到车辆纵向对称平面的距离R，称为履带式车辆的转向半径。
以代表轴线O在车辆纵向对称平面上的投影，的运动速度代表车辆转向时的平均速度。
则车辆的转向角速度为：图7－12 履带式车辆转向运动简图(7-37)转向时，机体上任一点都绕转向轴线O作回转，其速度为该点到轴线O的距离和角速度的乘积。
所以慢、快速侧履带的速度和分别为：(7-38)式中：B—履带车辆的轨距。
根据相对运动原理，可以将机体上任一点的运动分解成两种运动的合成：(1)牵连运动，；(2)相对运动。
由上可得：(二)双履带式车辆转向动力学1、牵引平衡和力矩平衡图7-13给出了带有牵引负荷的履带式车辆，在水平地段上以转向半径R作低速稳定转向时的受力情况(离心力可略去不计)。
转向行驶时的牵引平衡可作两点假设：(1)在相同地面条件下，转向行驶阻力等于直线行驶阻力，且两侧履带行驶阻力相等，即：(2)在相同的地面条件和负荷情况下，相当于直线行驶的有效牵引力，即：图7－13 转向时作用在履带车辆上的外力所以回转行驶的牵引平衡关系为：(7-39)设履带车辆回转行驶时，地面对车辆作用的阻力矩为，在负荷作用下总的转向阻力矩为：(7-40)式中：—牵引点到轴线的水平距离。
如前所述履带车辆转向是靠内、外侧履带产生的驱动力不等来实现的，所以回转行驶时的转向力矩为：(7-41)稳定转向时的力矩平衡关系为：(7-42)为了进一步研究回转行驶特性，有必要对内、外侧驱动力分别加以讨论。
由上可得：(7-43)式中：为在作用下，土壤对履带行驶所增加的反力，亦即转向力，作用方向与驱动力方向相同，以表示。
变形得式：(7-44)令所以。
履带车辆三种转向方式特性的对比分析
陈泽宇, 张承宁, 李军求, 武小花
( 北京理工大学机械与车辆工程学院, 北京 100081 )
摘 要: 对中心差速、内侧降速和外侧升速3 种履带车辆转向方式进行运动学和动力学分析; 对3 种方式下的转
向半径的变化规律进行了研究; 对比了3 种转向方式的内外侧履带功率需求; 在Ma tlab / Simu link 中进行了仿真。
1) 通过对履带车辆转向运动学的分析与仿真研
究, 得到如下结论: 3 种情况的转向半径变化率相同,
但转向半径的数值不同; 转向角速度相同时, 内侧降
速式的转向半径最小, 中心差速式稍大, 外侧升速式
最大。
2) 功率需求分析表明, 转向角速度相同时, 内侧
降速式转向的功率需求是最小的, 中心差速式较大,
ML
B
+ (
Iz
B
- DmB
4
)X# ] @u0
( 9)
式中: 功率P 的第1个下标1, 2, 3分别对应内侧
降速式、中心差速式和外侧升速式3种转向方式; 第2
# 44#
2010年4 月 农机化研究 第4期
个下标1, 2 分别表示内侧履带和外侧履带。通过式
程为
F 2 - F 1 - 2FR = Dmu#
(F2 + F 1 ) B
2 - ML = IzX#
ML = LGL
4
L =
Lmax
0. 925 + 0. 15R /B
R = u /X
P 1 =
F 1u1
1 000
P 2 =
第三部分上 工程机械转向理论
工程机械底盘理论第三部分上工程机械转向理论第一节概述第二节轮式车辆的转向理论第三节履带车辆的转向理论第一节概述根据工程车辆获得转向力矩方式的不同,工程车辆的转向可分为下面三类：一、偏转车轮转向及偏转履带转向(1)前轮偏转：即改变车辆前轮与机体的相对位置，前外轮的变道行驶半径最大。
驾驶员易于用前外轮是否避过来估计整机的行驶路线。
(2)后轮偏转：车辆前方装有工作装置，若采用前轮偏转方式，不仅车轮的偏转角将受工作装置的限制，并由于工作装置靠近前轮，其工作轮压较大，可能要求采用双胎或增大轮胎直径使轮距及外形尺寸加大，机动性降低，还将使转向阻力矩增加，采用后轮偏转方式，可以解决上述矛盾。
(3)前后轮同时偏转的转向方式，往往用于对机动性有特殊要求或机架特别长的机械。
(4)多桥偏转车轮转向方式，对于在公路行驶而总重和长度特别大的轮式工程机械，为了不影响弯道行驶能力，可采用多轮偏转的多桥支承底盘。
大型汽车式起重机多采用这种方式。
(5)偏转履带的转向方式：由于大型工程机械的生产率极高，而这样大型工程机械的重量很重，轻者上千吨，重者达万吨以上。
要担负起它们的承重，移动与转向行走，且要保持对地比压不超随着机器重量的增加，履带数目、每条履带的宽度和长度也随之增加，目前单条履带的宽度已达4.5ｍ以上，接地长度超过15ｍ。
多履带行走装置因履带组合方式不同，其特征、适用对象、承载能力均不同，见表9-1（P158－159）。
过150kPa，必须采用多履带行走装置。
斗轮机排土机多履带行走装置分三支点和四支点两种，每个支点下是一组履带，各组履带可由1、2或4条履带组成。
当多履带行走装置静止时，转向机构无法克服转向履带组与地面间巨大的摩擦力矩。
只有当多履带装置处于行驶状态时，转向履带才能被转动。
总的来说，多履带行走装置有以下特点：①履带支撑面积大，对地比压不大，一般为100～160kPa；②一般在稍经平整（坡度为10％）的地面上工作，转向半径大，且只要求缓慢转向；③行走速度低，一般为4～12m/min；④承载能力大。
履带车辆的转向理论
履带车辆的转向理论一、双履带车辆的转向理论对于双履带式车辆各种转向机构就基本原理来说是相同的，都是依靠改变两侧驱动轮上的驱动力，使其达到不同时速来实现转向的。
(一)双履带式车辆转向运动学履带车辆不带负荷，在水平地段上绕转向轴线O 作稳定转向的简图，如图7-12所示。
从转向轴线O 到车辆纵向对称平面的距离R ，称为履带式车辆的转向半径。
以T O 代表轴线O 在车辆纵向对称平面上的投影，T O 的运动速度v '代表车辆转向时的平均速度。
则车辆的转向角速度Z ω为：图7－12 履带式车辆转向运动简图R v Z '=ω (7-37)转向时，机体上任一点都绕转向轴线O 作回转，其速度为该点到轴线O 的距离和角速度Z ω的乘积。
所以慢、快速侧履带的速度1v '和2v '分别为：Z Z Z Z B v B R v B v B R v ωωωω5.0)5.0(5.0)5.0(21+'=+='-'=-=' (7-38)式中：B —履带车辆的轨距。
根据相对运动原理，可以将机体上任一点的运动分解成两种运动的合成：(1)牵连运动，；(2)相对运动。
由上可得：B R B R v v 5.05.021+-=''(二)双履带式车辆转向动力学 1、牵引平衡和力矩平衡图7-13给出了带有牵引负荷的履带式车辆，在水平地段上以转向半径R 作低速稳定转向时的受力情况(离心力可略去不计)。
转向行驶时的牵引平衡可作两点假设：(1) 在相同地面条件下，转向行驶阻力等于直线行驶阻 力，且两侧履带行驶阻力相等，即：ff f F F F 5.021='='(2)在相同的地面条件和负荷情况下，γcos x F 相当于直 线行驶的有效牵引力KP F ，即：图7－13 转向时作用在履带车辆上的外力γcos x KP F F =所以回转行驶的牵引平衡关系为：K KP f K Kx f f K KF F F F F F F F F F =+='+'+'+'='+'212121cos γ (7-39)设履带车辆回转行驶时，地面对车辆作用的阻力矩为μM ，在负荷xF 作用下总的转向阻力矩为：γμsin x T C F a M M += (7-40)式中：T a —牵引点到轴线21O O 的水平距离。
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履带车辆的转向理论一、双履带车辆的转向理论对于双履带式车辆各种转向机构就基本原理来说是相同的，都是依靠改变两侧驱动轮上的驱动力，使其达到不同时速来实现转向的。
(一)双履带式车辆转向运动学履带车辆不带负荷，在水平地段上绕转向轴线O 作稳定转向的简图，如图7-12所示。
从转向轴线O 到车辆纵向对称平面的距离R ，称为履带式车辆的转向半径。
以T O 代表轴线O 在车辆纵向对称平面上的投影，T O 的运动速度v '代表车辆转向时的平均速度。
则车辆的转向角速度Z ω为：图7－12 履带式车辆转向运动简图R v Z '=ω (7-37)转向时，机体上任一点都绕转向轴线O 作回转，其速度为该点到轴线O 的距离和角速度Z ω的乘积。
所以慢、快速侧履带的速度1v '和2v '分别为： Z Z Z Z B v B R v B v B R v ωωωω5.0)5.0(5.0)5.0(21+'=+='-'=-=' (7-38)式中：B —履带车辆的轨距。
根据相对运动原理，可以将机体上任一点的运动分解成两种运动的合成：(1)牵连运动，；(2)相对运动。
由上可得：BR B R v v 5.05.021+-=''(二)双履带式车辆转向动力学 1、牵引平衡和力矩平衡图7-13给出了带有牵引负荷的履带式车辆，在水平地段上以转向半径R 作低速稳定转向时的受力情况(离心力可略去不计)。
转向行驶时的牵引平衡可作两点假设：(1) 在相同地面条件下，转向行驶阻力等于直线行驶阻 力，且两侧履带行驶阻力相等，即：ff f F F F 5.021='='(2)在相同的地面条件和负荷情况下，γcos x F 相当于直 线行驶的有效牵引力KP F ，即：图7－13 转向时作用在履带车辆上的外力γcos x KP F F =所以回转行驶的牵引平衡关系为：K KP f K Kx f f K KF F F F F F F F F F =+='+'+'+'='+'212121cos γ (7-39) 设履带车辆回转行驶时，地面对车辆作用的阻力矩为μM ，在负荷xF 作用下总的转向阻力矩为：γμsin x T C F a M M += (7-40)式中：T a —牵引点到轴线21O O 的水平距离。
如前所述履带车辆转向是靠内、外侧履带产生的驱动力不等来实现的，所以回转行驶时的转向力矩为：)(5.012K KZ F F B M '-'= (7-41) 稳定转向时的力矩平衡关系为：∑∑='-'=M F F B M M K KZ )(5.021 (7-42)为了进一步研究回转行驶特性，有必要对内、外侧驱动力分别加以讨论。
由上可得：B MF F B M F F K KK K∑∑+='-='5.05.021 (7-43) 式中：B M ∑为在∑M 作用下，土壤对履带行驶所增加的反力，亦即转向力，作用方向与驱动力方向相同，以Z F 表示。
变形得式：⎭⎬⎫+='-='z K Kz K KF F F F F F 5.05.021 (7-44)令KZF F v =所以K Z vF F =。
υ称为转向参数，其意义为转向力与车辆切线牵引力之比。
显然υ大表示转向阻力矩大，υ小表示转向阻力矩小。
υ可以综合反映转向特性。
将υ代入得：⎭⎬⎫+='-=')5.0()5.0(21v F F v F F K KK K(7-45)下面就v 值得变化来讨论一下履带车辆转向情况。
1.当ν=0时，转向阻力矩0=∑M ，K K K F F F 5.021='='。
表明车辆作直线行驶。
2.当ν=0.5时，内侧履带的驱动力，01='KF ，外侧履带的驱动力K K F F '='2。
说明内侧转向离合器彻底分离，但制动器没有制动，牵引负荷完全由外侧履带承担。
3.当ν＜0.5时，内侧履带的驱动力，01>'KF ，外侧履带驱动力12K K F F '>'。
说明内侧离合器处于半分离状态，内外侧履带都提供驱动力。
4.当ν＞0.5时，内侧履带的驱动力，01<'KF ，外侧履带驱动力K K F F '>'2。
说明内侧离合器不仅完全分离，而且对驱动链轮施加了制动力矩，履带产生了制动力。
2.转向阻力矩不带负荷时转向阻力矩∑M 就是μM 。
μM 也称为转向阻力矩，它与牵引负荷的横向分力所引起的转向阻力矩不同，它是履带绕其本身转动轴线1O (或2O )作相对转动时，地面对履带产生的阻力矩。
实验表明，当土壤和转向半径一定时，这些力与车辆重量大体成正比，且对履带相对转动轴线1O (或2O )形成阻力矩。
所有作用的履带上单元阻力矩之和，就是履带式车辆的转向阻力矩μM 。
为便于计算μM 的数值，作如下两点假设：1.机重平均分布在两条履带上，且单位履带长度上的负荷为：02L G q st =(7-46)2.形成转向阻力矩μM 的反力都是横向力且是均匀分布的。
于是在牵引负荷横向分力的影响下，车辆转向轴线将由原来通过履带接地几何中心移至21O O (见图7-14)，移动距离为x 。
根据横向力平衡原理，转向轴线偏移量0x 可按下式计算：2sin 00L G F x s x ⋅=μγ (7-47) 图7-14 履带式车辆转向阻力的分布式中：sG —整机使用重量；μ—转向阻力系数。
根据上述假设，转向时地面对履带支承段的反作用力的分布如图7-14所示，为矩形分布。
在履带支承面上任何一微小单元长度dx ，分配在其上的机器重量为xdxq t 。
总的转向阻力矩可按下式进行计算：][2)2()2(0000⎰⎰+-+=x L x L t t xdx q xdx q M μμμ将(7-46)代入上式并积分得：])2(1[4200L x L G M s +=μμ (7-48)式中：02L x —转向轴线偏移系数。
式(7-48)说明，转向阻力矩随转向轴线偏移量得增加而增大，然而转向轴线的偏移量x 相对履带接地长度L 是较小的。
如果设0)2(20≈L x ，此时转向阻力矩μM 可表示为：4L G M s μμ=(7-49)转向阻力系数μ表示作用在履带支撑面上单位机械重量所引起的土壤换算横向反力。
它是综合考虑了土壤的横向和纵向的摩擦和挤压等因素的作用。
一般用试验方法测定。
(三)影响履带车辆转向能力的因素车辆转向时可能获得的最大转向力矩受发动机功率和土壤的附着条件两方面的制约。
下面将分别讨论。
1．转向能力受限于发动机功率的条件履带式车辆在水平地段上作稳定转向时所消耗的功率则由下列三部分所组成：(1)车辆作基本直线运动所消耗的功率：v F F v F t x K''+='')cos (γ(2)车辆绕本身的相对转动轴线O T 转动所消耗的功率：zT x s z a F L G M ωγμω)cos 4(⋅+=∑(3)转向机构或制动器的摩擦元件所消耗的功率：r r r M P ω=式中：r M —转向离合器或制动器上的摩擦力矩；r ω—制动器的角速度或转向离合器主从动片间的相对角速度。
由此可知，履带车辆作稳定转向时，传到中央传动从动齿轮上的功率可分为三部分，即：r r z K M M v F M ωωω++''=''∑00(7-50)式中：M '—车辆在稳定转向时，作用在中央传动齿轮上的力矩；ω'—车辆在稳定转向时，中央传动从动齿轮的角速度。
当车辆在相同条件下作等速直线运动时，传到中央传动从动齿轮上的功率等于：vF M K =00ω (7-51)式中：M —车辆作等速直线运动时，作用在中央传动从动齿轮上的扭矩；ω—车辆作等速直线运动时，中央传动从动齿轮的角速度。
假定e e ωω='，则00ωω='。
如果将车辆稳定转向时与等速直线运动时发动机转矩之比称为发动机载荷比，并用系数ξ来表示，可以得到：vF M M v F M M M M M M M M K r r z K e e e eωωωωωωξ++''=''=''=''=''=∑0000 (7-52)式中：eM '、eM —分别为车辆稳定转向时和等速直线运动时的发动机扭矩；eω'、e ω—分别为车辆稳定转向时和等速直线运动时的曲轴转动角速度。
该式表示了在相同的土壤和载荷条件下，履带式车辆稳定转向时与直线运动时相比，其发动机功率增长情况。
系数ξ值越大，车辆在急转弯时功率增长尤为显著。
因此，发动机荷载比ξ是评价履带式车辆转向机构性能的一项指标。
2．转向能力受限于附着力的条件当车辆在松软潮湿土壤或冰雪地上转弯时，有时会出现快速侧履带严重打滑而不能进行急转弯的现象。
为了确保履带式车辆能稳定地进行转向，快速侧履带的驱动力必须满足下列不等式的要求，即：)(5.02f G F s K+≤'φ (7-53)式中：φ－快速侧履带与土壤的附着系数。
当车辆不带负荷在水平地段上作稳定转向时(即sf K x fG F F F ===,0)，上式可改写成：或: μφφμ2)(5.045.05.0002≤+≤+=+='∑BL f G BL G f G B M F F s S s f K(7-54)该式表明，履带式车辆的转向能力不仅与土壤条件和履刺机构(系数φ、f 及μ)有关，同时还与车辆的结构参数(B L 0)有关。
现代履带拖拉机的结构参数一般都能满足不带负荷急转弯的行驶条件。
同样分析，履带车辆内侧离合器被动鼓不制动转向的条件是：01≥'KF 当车辆不带牵引负荷在水平地段上作稳定转向时,上式可写为：或：μμfB L BL G f G B M F F s s K2045.05.000F 1≤≥-=-='∑(7-55)如果取松土地面的转向阻力系数7.0=μ，滚动阻力系数1.0=f ，则转向附着条件式为：μfB L 20≤≈0.3由于现代履带拖拉机结构参数B L 0远大于0.3，所以不带制动难以实现急转弯行驶。
(四)各种转向机构的转向性能及简单评价1、转向离合器和单级行星机构对履带式车辆转向性能的影响履带式车辆转向是利用转向机构来调节传至两侧履带上的驱动力，使左、右驱动轮上的驱动力不等来实现的。
图7-15上给出了装有转向离合器的履带式车辆后桥的结构简图(假定没有最终传动，但这不影响讨论问题的实质)。