1、第五章 車輛的牽引性能、動(dòng)力性能和燃料經(jīng)濟(jì)性    一般來(lái)說(shuō)，施工機(jī)械的工作過(guò)程有兩種典型工況：牽引工況和運(yùn)輸工況。機(jī)器在牽引工況下工作時(shí)，需要克服由鏟土而產(chǎn)生的巨大工作阻力，因而要求機(jī)器能發(fā)揮強(qiáng)大的牽引力。當(dāng)機(jī)器在運(yùn)輸工況下工作時(shí)，需要克服的僅是數(shù)值不大的行駛阻力，此時(shí)主要要求機(jī)器在越野條件下能具有高的速度性能：加速性能、運(yùn)行穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性。但是，對(duì)于運(yùn)行速度較低的鏟土運(yùn)輸機(jī)械來(lái)說(shuō)，最主要的工況乃是牽引工況。    機(jī)器的牽引性能和牽引工況下的燃料經(jīng)濟(jì)性是指機(jī)器在牽引工況下的工作能力和燃料消耗的多少。為了有效地完成牽引工況，必須使機(jī)

2、器在低檔工作時(shí)保證發(fā)動(dòng)機(jī)的功率高效率地轉(zhuǎn)換成作業(yè)用的牽引功率，并發(fā)揮出必要的牽引力，同時(shí)所消耗的燃料則應(yīng)盡可能的低。    車輛的牽引性能和燃料經(jīng)濟(jì)性通常是用機(jī)器的牽引特性來(lái)評(píng)價(jià)的。本章將著重討論工業(yè)車輛的牽引特性及其計(jì)算與繪制方法。 第一節(jié) 牽引力平衡和牽引功率平衡推動(dòng)履帶車輛前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力是地面作用在履帶上的切線牽引力。產(chǎn)生這一切線牽引力的原動(dòng)力是由發(fā)動(dòng)機(jī)傳至驅(qū)動(dòng)輪上的驅(qū)動(dòng)力矩，而驅(qū)動(dòng)力矩本身又需依靠履帶與土壤之間的附著作用才能得以充分發(fā)揮。因此，車輛的切線牽引力可按兩種限制條件來(lái)計(jì)算：即按發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和地面的附著條件。發(fā)動(dòng)機(jī)的特性和地面的附著條件是牽引力平衡和

3、牽引功率平衡計(jì)算的基礎(chǔ)。一、驅(qū)動(dòng)力的確定(一機(jī)械直接傳動(dòng)的車輛驅(qū)動(dòng)力的確定發(fā)動(dòng)機(jī)的功率在輸入變速器之前，必須分出一部分來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器的輔助裝置。對(duì)裝載機(jī)一類的機(jī)械，還需分出相當(dāng)大的一部分功率來(lái)驅(qū)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)。因此在計(jì)算驅(qū)動(dòng)力矩時(shí)應(yīng)將這一部分轉(zhuǎn)矩(功率從發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩Me (功率Pe中扣除。設(shè)MBa和MPTO分別為消耗在驅(qū)動(dòng)輔助裝置和功率輸出軸上的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，PBa和PPTO分別為消耗在驅(qū)動(dòng)輔助裝置和功率輸出軸上的發(fā)動(dòng)機(jī)功率，則輸入變速器的發(fā)動(dòng)機(jī)自由轉(zhuǎn)矩Mec和自由功率Pec可按下式計(jì)算：Mec = MeMBa MPTO        

4、;                              (5-1         Pec = PePBa PPTO          

5、                              (5-2對(duì)履帶推土機(jī),這種輔助裝置主要是操縱主離合器、轉(zhuǎn)向離合器和工作裝置用的工作油泵和潤(rùn)滑油泵。在推土機(jī)作業(yè)時(shí)，操縱系統(tǒng)只有短暫性的工作，因此輔助裝置的消耗可按液壓系統(tǒng)的空載回路(阻力消耗來(lái)計(jì)算。此時(shí)，轉(zhuǎn)矩的損失可近似地認(rèn)為與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。當(dāng)發(fā)

6、動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速工作時(shí)，這種損失約占發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的35，亦即：                 MBa = (0.030.05 MeH (                         （5-3）式

7、中：MeH 發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩；neH 發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速；ne 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。對(duì)于輪式裝載機(jī)，驅(qū)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)消耗的轉(zhuǎn)矩MPTO可按發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的2040%來(lái)考慮。在等速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的工況下，驅(qū)動(dòng)輪上的力矩MK可按下式計(jì)算：             MK = Mec imm                   

8、0;                    (5-4式中：im 傳動(dòng)系總傳動(dòng)比(自發(fā)動(dòng)機(jī)至驅(qū)動(dòng)輪；m 傳動(dòng)系總效率。在一般情況下，           im = ig×io×is =  =       

9、;                           (5-5式中：ig 變速器各檔的傳動(dòng)比；io 主減速器傳動(dòng)比；is 側(cè)減速器傳動(dòng)比；、 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和角速度； 、 驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速和角速度。傳動(dòng)系的總效率則可按下式計(jì)算：m =          &#

10、160;                                (5-6式中： 圓柱齒輪的傳動(dòng)效率(=0.985； 圓錐齒輪的傳動(dòng)效率(=0.97；m1 傳動(dòng)系中圓柱齒輪的對(duì)數(shù)；m2 傳動(dòng)系中圓錐齒輪的對(duì)數(shù)。根據(jù)式(1-20和式(5-4，切線牽引力FK可按下式計(jì)算：

11、60;                                           (5-7式中： 驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)力半徑；    履帶驅(qū)動(dòng)段效率(=

12、 0.960.97。當(dāng)工作阻力突然減小或增大時(shí)，機(jī)器處于減速或加速的不穩(wěn)定過(guò)程。此時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪、傳動(dòng)系以及整車質(zhì)量慣性力的作用，驅(qū)動(dòng)力矩和切線牽引力都會(huì)發(fā)生變化。尤其是在減速過(guò)程中，此種慣性力可用來(lái)增大車輛的驅(qū)動(dòng)力，以克服鏟掘阻力的短時(shí)增大(即所謂沖擊鏟掘。此點(diǎn)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)的工業(yè)拖拉機(jī)是有實(shí)用意義的。在不穩(wěn)定工況下，履帶車輛的切線牽引力FK可按下式計(jì)算：     FK               

13、0;              (5-8式中：G 機(jī)器重力；g 重力加速度；J發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量換算至曲軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(傳動(dòng)系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，通常忽略不計(jì)； 機(jī)器前進(jìn)的減速度或加速度。由附著條件決定的最大有效牽引力F(附著力可按下式確定：              FG      &

14、#160;                                      (5-9由附著條件決定的最大切線牽引力(最大附著力F可按下式計(jì)算：      

15、60;   F(+ f G                                          (5-10式(5-9和(5-10中：G 機(jī)器重力；履帶與地面

16、的附著系數(shù)；f 由履帶行走機(jī)構(gòu)的滾動(dòng)阻力系數(shù)。(二液力機(jī)械傳動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)力的確定如前所述，在液力機(jī)械傳動(dòng)中可將發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器看成是某種復(fù)合的動(dòng)力裝置。因此，對(duì)于這種傳動(dòng)形式的機(jī)械傳動(dòng)部分，只要給出了變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)共同工作的輸出特性，則驅(qū)動(dòng)力計(jì)算與機(jī)械直接傳動(dòng)的情況并無(wú)原則的區(qū)別，但計(jì)算的原始依據(jù)應(yīng)是渦輪輸出軸的轉(zhuǎn)矩M2。需要注意的是：當(dāng)計(jì)算變矩器的輸出特性時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率中必須扣除由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的功率輸出軸(例如裝載機(jī)的驅(qū)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)的油泵和輔助裝置所消耗的功率。和機(jī)械直接傳動(dòng)的情況不同，在液力機(jī)械傳動(dòng)中，輔助裝置的消耗不僅包括主離合器、轉(zhuǎn)向等油泵的空載消耗，而且還有變矩器冷卻油泵的消

17、耗，該油泵是按照工作負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的。輔助裝置的扭矩消耗MBa按下式計(jì)算：MBa (0.030.05MeH+MBaT                      (5-11式中：MBaT 變矩器油泵所消耗的扭矩。MBaT可按下式計(jì)算  MBaT =            

18、60;                   (5-12式中：p 油泵工作壓力(MPa；qT 油泵理論排量(ml/r；  油泵機(jī)械效率，= 0.850.88。對(duì)于推土機(jī)而言，MPTO = 0。 對(duì)于裝載機(jī)而言，可取MPTO = (0.200.40MeH在車輛等速穩(wěn)定行駛的工況下，驅(qū)動(dòng)力矩MK可按下式計(jì)算：        

19、     MK                                      (5-13式中：M2 渦輪輸出扭矩；im 機(jī)械傳動(dòng)部分的總傳動(dòng)比(自變矩器輸出軸至驅(qū)動(dòng)輪； 

20、;   機(jī)械傳動(dòng)部分的總效率。im和仍可按式(5-5和(5-6進(jìn)行計(jì)算，只是ne和應(yīng)用相應(yīng)的n2和來(lái)代替。需要注意的是，如果采用動(dòng)力換檔變速器，其功率損失不僅有齒輪的嚙合損失，但主要的損失還是各離合器中的回轉(zhuǎn)損失。對(duì)于此種損失尚無(wú)精確的計(jì)算辦法，在實(shí)用計(jì)算中，動(dòng)力換檔變速器的轉(zhuǎn)矩?fù)p失可按3050N·m來(lái)考慮(對(duì)于1020t級(jí)的機(jī)器，并將其在變速器的輸出轉(zhuǎn)矩中扣除。切線牽引力FK可按下式計(jì)算：       FK =        

21、0;                                (5-14由附著條件決定的最大牽引力F與最大切線牽引力F的計(jì)算公式與機(jī)械傳動(dòng)時(shí)相同，見(jiàn)式(5-9和(5-10。當(dāng)液力機(jī)械傳動(dòng)的履帶車輛在不穩(wěn)定工況下工作時(shí)，由于變矩器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的隔離作用(不透穿性，利用發(fā)動(dòng)機(jī)飛

22、輪慣性來(lái)增大切線牽引力的可能性大大降低。但變矩器的變矩作用通常能保證機(jī)器具有足夠大的牽引力以克服臨時(shí)增大的切削阻力。因此，利用機(jī)器在減速時(shí)的慣性來(lái)增大牽引力的問(wèn)題，在這種場(chǎng)合，沒(méi)有太大實(shí)用意義，故本文不再多作討論。二、牽引力平衡和牽引功率平衡工業(yè)車輛的牽引力平衡和功率平衡表明了當(dāng)機(jī)器工作時(shí)它的切線牽引力和發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率是怎樣分配、消耗和被利用的。機(jī)器的牽引力平衡方程和牽引功率平衡方程是計(jì)算牽引力和牽引功率的基本方程。(一牽引力平衡方程我們知道，在等速行速工況下車輛牽引力平衡方程為：FK =現(xiàn)在來(lái)考察在穩(wěn)定行駛的牽引工況下，作用在車輛上的外部阻力，這些外部阻力包括以下各項(xiàng)：1.滾動(dòng)阻力Ff &

23、#160;                             Ff = f G cos                   

24、      (5-15式中： 運(yùn)動(dòng)表面對(duì)水平面的傾角；G 機(jī)器重量。2.坡道阻力Fi                              Fi =±Gsin       &#

25、160;                  (5-16式中正號(hào)表示上坡，負(fù)號(hào)表示下坡。3.工作阻力Fx 工作阻力Fx 即作用在工作裝置上的鏟掘阻力。這樣，作用在車輛上的外部阻力和總和即等于：                    

26、   = Ff + Fi + Fx                           (5-17于是，車輛的牽引平衡方程具有以下形式：                &

27、#160;   FK = Ff + Fi + Fx                             (5-18機(jī)器作等速運(yùn)行時(shí)，有效牽引力FKP的一般表達(dá)式為：           

28、      FKP = FKG(f cos±sin                          (5-19當(dāng)機(jī)在水平地面上作等速行駛時(shí)，            &#

29、160;           FKP = FKf·G                              (5-20機(jī)器在不穩(wěn)定工況下運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)于機(jī)械直接傳動(dòng)的車輛，需要考慮運(yùn)動(dòng)質(zhì)量慣性力的影響

30、，此時(shí)牽引平衡方程為：                  FK = Ff + Fi +FjFx                            (5-21

31、式中：Fj為慣性阻力，可按下式計(jì)算：                   Fj =±                         (5-22式中正號(hào)表示加速慣性力，負(fù)

32、號(hào)表示減速慣性力，其他符號(hào)意義見(jiàn)式（5-8）。此時(shí)機(jī)器的有效牽引力FKP的表達(dá)式為：       FKPPKG(f cos±sin±           (5-23(二牽引功率平衡方程牽引功率和牽引效率的計(jì)算1.機(jī)械傳動(dòng)當(dāng)機(jī)械傳動(dòng)的車輛在等速牽引工況下工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率Pe將按以下各部分分配。1驅(qū)動(dòng)輔助裝置消耗的功率PBa這部分功率主要消耗在克服操縱和潤(rùn)滑系統(tǒng)油泵的空載回路阻力中，它可按下列公式計(jì)算： 

33、;                PBa = MBa nc=(0.030.05PeH                   (5-24式中：PeH 發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率。如用表示驅(qū)動(dòng)輔助裝置的效率，則      &#

34、160;          =                                    (5-25式中：Pe 發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率。2驅(qū)動(dòng)功率輸出軸所需的功率PP

35、TO這部分功率計(jì)算需視車輛所帶工作裝置的類型決定。對(duì)于推土機(jī)可認(rèn)為在推土?xí)r，工作裝置等操縱系統(tǒng)基本上是不工作的，此時(shí)PPTO = 0。對(duì)于裝載機(jī)可取：PPTO =(0.200.40 PeH輸入變速器的功率，亦即發(fā)動(dòng)機(jī)的自由功率Pec為：                          Pec = Pe(PBa+ PPTO  &

36、#160;                    (5-263傳動(dòng)系中的功率損失Pm                        Pm = Pec (1  &

37、#160;                     (5-27式中： 傳動(dòng)系總效率。驅(qū)動(dòng)輪上的驅(qū)動(dòng)功率PK則可按下式計(jì)算：                    PK = PecPm = Pec  &

38、#160;                        (5-284履帶驅(qū)動(dòng)段上的功率損失 Pr            Pr = PK(1 = Pec (1      

39、                 (5-29履帶上的理論切線牽引功率可按下式計(jì)算：             PKPr PKPec                

40、     (5-30當(dāng)切線牽引力FK 和車輛的理論速度為已知時(shí)，則亦可直接按FK與計(jì)算：= FK                                      

41、0;  (5-315履帶滑轉(zhuǎn)引起的功率損失FKFK                                  (5-32式中：履帶對(duì)地面的滑轉(zhuǎn)速度；滑轉(zhuǎn)率。如果用滑轉(zhuǎn)效率來(lái)表示由于滑轉(zhuǎn)而引起的理論切線牽引功率的損失，則：  

42、0;                 (5-33式中：車輛的實(shí)際行駛速度。上式表明，實(shí)際上代表了由于滑轉(zhuǎn)而引起的理論速度的損失，所以也稱速度效率。表示了切線牽引力實(shí)際產(chǎn)生的推動(dòng)車輛前進(jìn)的功率，稱為實(shí)際切線牽引功率，并可接下式計(jì)算：= Pec                

43、0; (5-34也可用切線牽引力FK與機(jī)器實(shí)際行駛速度之乘積來(lái)表示：=FK                                            (5-3

44、56消耗在克服滾動(dòng)阻力上的功率Ff=cos                                    (5-36式中：機(jī)械重量；工作面坡角；f滾動(dòng)阻力系數(shù)。如機(jī)器在水平面上工作，則：= Ff    

45、                                           (5-37式中：Ff滾動(dòng)阻力。如果用效率表示由于克服滾動(dòng)阻力而造成的實(shí)際切線牽引功率之損失，則

46、=                          (5-38式中：稱為滾動(dòng)效率，它實(shí)際上代表了因克服滾動(dòng)阻力而引起的切線牽引力之損失，所以也稱力效率。為實(shí)際切線牽引功率扣除滾動(dòng)阻力消耗的功率之后，所剩余的可供克服有效阻力用的功率。當(dāng)機(jī)器在水平地段上工作時(shí)，它即為車輛的有效牽引功率。= Pec      &

47、#160;        (5-397消耗在克服坡道阻力上的功率Gvsin                                       

48、;(5-408消耗在克服工作阻力上的功率，即有效牽引功率Fxv                                            (5-41在上述各項(xiàng)

49、計(jì)算公式中，機(jī)器的理論行駛速度和實(shí)際行駛速度v用以下公式計(jì)算：0.377（kmh）                              (5-42v(1-0.377(1-（kmh）          &#

50、160;        (5-43這樣，車輛的功率平衡方程可列如下：PBa PPTO Pm Pr+                (5-44從以上方程中可得有效牽引功率的一般表達(dá)式如下：=PePBaPPTOPm Pr              

51、60;  (5-45式(5-44和(5-45表達(dá)了牽引功率的物理意義，即車輛的牽引功率式發(fā)動(dòng)機(jī)是發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率中扣除了各種損失后所剩余的，可供進(jìn)行有效作業(yè)的功率。由于PePBaPPTOPm Pr 則車輛在水平地面作業(yè)時(shí)有效牽引功率的基本計(jì)算公式可表達(dá)如下：= Pec                        (5-46    車輛牽

52、引功率在發(fā)動(dòng)機(jī)功率中所占的百分比稱為車輛的牽引效率。對(duì)于無(wú)功率分出的情況，例如推土機(jī)，可用有效牽引功率與發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率Pe之比來(lái)表示，在此情況下，車輛的總效率：                    (5-47對(duì)于有功率分出的情況，例如裝載機(jī)，可用牽引功率與（PePPTO）之比來(lái)表示：          &#

53、160;              (5-48在此種情況下，車輛的總效率用機(jī)器輸出的全部有效功率與發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)的有效功率之比來(lái)表示。總效率以下式表示：                           

54、; (5-49式中： 功率輸出軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率。在許多場(chǎng)合下，牽引效率也常常用牽引功率與發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率PeH之比來(lái)表示，即： =                                     (5-502.液力機(jī)械傳動(dòng)對(duì)于液力機(jī)械傳動(dòng)的車輛，發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率的分配和消耗略有不同。此時(shí)除機(jī)械傳動(dòng)的各項(xiàng)損失外，還需增加液力傳動(dòng)中的功率損失。在這種場(chǎng)合下，車輛的功率平衡方程可列如下：PBa PPTO PTe + Pm Pr+         (5-51式中：PTe 液力傳動(dòng)部分(變矩器的功率損失；Pm 機(jī)械傳動(dòng)部分的功率損失。在公式(5-51中，需要注意的是，輔助裝置消耗的功率PBa不僅包括各油泵回路的空載阻力耗損，而且還應(yīng)包括帶工作負(fù)荷的變矩器冷卻油泵所消耗的功