第七章工程机械转向理论
? § 7-1概述
? § 7-2轮式车辆的转向理论
? § 7-3履带车辆的转向理论
§ 7-1概述
? 一、偏转车轮转向及偏转履带转向
? 二、铰接车架转向方式
? 三、差速 (滑移 )转向
一、偏转车轮转向及偏转履带转向
? (1)前轮偏转
? (2)后轮偏转
? (3)前后轮同时偏转的转向方式
? (4)多桥偏转车轮转向方式
? (5)偏转履带的转向方式
二、铰接车架转向方式
? 这是一种轮式车辆和履带车辆都可以采用
的一种转向方式。它与偏转车轮的转向方
式不同，它是利用前后车架相对偏转来实
现转向的。
三、差速 (滑移 )转向
? 差速转向方式的车架是整体的 (没有相对偏
转的车架 )，其车轮轴线或履带与机架是固
定的它依靠改变左右两侧车轮或履带的转
速及其转向来操纵行驶方向。
§ 7-2轮式车辆的转向理论
? 一、偏转车轮转向车辆的转向理论
? 二、铰接式轮式车辆的转向理论
一、偏转车轮转向车辆的转向理论
? (一 )偏转车轮转向车辆的转向运动学
? (二 )偏转车轮转向车辆的转向动力学
? (三 )单差速器对轮式车辆性能的影响
(一 )偏转车轮转向车辆的转向运
动学
? 参看图 7－ 1
? 轮式车辆在转向或直线行驶过程中，经常要求左
右车轮以不同的角速度旋转，其理由是：
? 1.转向时，处侧车轮所走过的路程较内侧车轮长；
? 2.当左、右车轮轮胎、载荷、气压不等或磨损不
均时，其实际滚动半径不相等；
? 3.在高低不平的道路上行驶时，两侧车轮实际走
过的路程不同。
? 轮式车辆转向必须满足下列三个条件：
? 1.转向时，通过各个车轮几何轴线的垂直平面
都应相交于同一直线上，这样就能防止各车轮
在转向时产生侧滑现象。
? 2.转向时，两侧驱动轮应该以不同的角速度旋
转，以避免转向时驱动轮产生纵向滑移或滑移。
? 3.转向时，两侧从动轮应能以不同的角速度旋
转，以避免转向时从动轮产生纵向滑移或滑转。
这个条件比较容易满足，因为从动轮是不驱动
的，能在轴上自由旋转。
(二 )偏转车轮转向车辆的转向动力学
? 参看图７－４
总体受力分析
? 1.牵引负荷 FX
? 2.离心力Ｆ ｊ
? 3.滚动阻力 Ｆ ｆｋ
? 4.转向阻力矩 Mμ
? 5.驱动力 FＫ ′
? 6.土壤对两侧导向轮的作用力 Xc1和 Xc2
? 7.转向力 FZ
? 8.侧向反作用力 Zk1和 Zk2
提高车辆的转向能力
? １、提高附着力：增加附着重量，改善轮
胎结构等。
? ２、减少总转向助力：降低车速，增大转
向半径等。
转向行驶阻力矩
? 当轮胎以某一转向半径 R0绕轴线 O在地面上滚动
时 (见图 7-5)，轮胎两侧应该有不同的滚动速度，
但实际上轮胎只能以一个速度转动，因而轮胎和
地面的接触面上的各点将产生相对滑动；另一方
面，车辆即使是直线行驶，牵引力作用使轮胎在
地面上滚动的同时也将产生滑转。上述两种相对
滑动，它将引起地面对轮胎的切向反力 (阻力 )，
并形成转向行驶时的阻力矩。
参看图７－５及Ｐ 147～ 148
(三 )单差速器对轮式车辆性能的影响
? 1.单差速器的运动学
? 2.单差速器的动力学
单差速器的运动学
? 参看图７－７
? 运动学方程
2
21
0
ωωω ??
单差速器的动力学
? 参看图７－８
? 动力学方程
? Ｍ １ ≈Ｍ ２
二、铰接式轮式车辆的转向理论
? (一 )铰接式轮式车辆转向的运动学
? (二 )铰接轮式车辆转向力矩及阻力矩分析
(一 )铰接式轮式车辆转向的运动学
? 参看图７－１１
四个车轮的线速度
01 2s in
co s ω
γ
γ
ω ???
?
??
? ???? BrrLv
01 2s in
co s ω
γ
γ
ω ???
?
??
? ???? BrrLv
0
'
1 2s in
co s)( ω
γ
γ
ω ???
?
??
? ???? BrrLv
0
'
2 2s in
co s)( ω
γ
γ
ω ???
??
?
? ???? BrrLv
(二 )铰接轮式车辆转向力矩及阻力矩分析
? 1.转向力矩分析
? 参看图７－１２，７－１３
? 转向力矩,
? 回正力距：
? 转向力矩不均匀系数：
21 MMM ??
'2'1' MMM ??
m in
m a x
M
M
n ?
转向阻力矩分析参看图７－１４
? 1.转钩牵引力 F’T ；
? 2.离心力 ；
? 3.驱动力 FK ；
? 4.滚动阻力 Ｆ ｆＫ ；
? 5.车轮转向时的侧向反力 Ｓ １ 和Ｓ ２ ；
? 6.转向时地面对车轮作用的力矩Ｍ Ｃ１,
Ｍ Ｃ２,Ｍ Ｋ１,Ｍ Ｋ２ ；
? 7.铰点处转向时油缸作用产生的力矩 Ｍ
０ 。
§ 7-3履带车辆的转向理论
? 一、双履带车辆的转向理论
? 二、偏转履带转向车辆的转向理论
? 三、铰接式履带车辆的转向简介
一、双履带车辆的转向理论
? (一 )双履带式车辆转向运动学
? (二 )双履带式车辆转向动力学
? (三 )影响履带车辆转向能力的因素
? (四 )各种转向机构的转向性能及简单评价
(一 )双履带式车辆转向运动学
? 参看图７－１５
? 1.如果转向半径等于 0.5Ｂ时，则ｖ 1‘等于零；
? 2.如果转向半径等于零时，则ｖ 1‘＝－ｖ 2‘
BR
BR
v
v
5.0
5.0
'
2
'
1
?
??
(二 )双履带式车辆转向动力学
? 参看图７－１６
1、牵引平衡和力矩平衡
? 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 )。
B
MFF
KK
Σ?? 5.0'
1
B
MFF
KK
Σ?? 5.0'
2
? 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。
? 1.当 ν=0时，表明车辆作直线行驶。
? 2.当 ν=0.5时，内侧履带的驱动力，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，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，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。
转向阻力矩引起因素
? 1.履带板的支承面、侧面和履刺表面与土
壤的相对摩擦；
? 2.履带转动时对土壤的挤压和剪切；
? 3.履带转动时对堆积在它旁边土壤的推拥；
? 4.转向行走机构内部的摩擦阻力。
? 参看Ｐ 157～ 160
(三 )影响履带车辆转向能力的因素
? 1、转向能力受限于发动机功率的条件
? 2、转向能力受限于附着力的条件
1、转向能力受限于发动机功率的条件
? (1)车辆作基本直线运动所消耗的功率 ；
? (2)车辆绕本身的相对转动轴线 OT转动所消
耗的功率 ；
? (3)转向机构或制动器的摩擦元件所消耗的
功率 。
2、转向能力受限于附着力的条件
? 履带式车辆转向时，由土壤附着条件所决
定的转向能力受快速侧履带与土壤间附着
力的限制，它与转向机构的型式无关。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
须满足要求。
(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
? 2.双差速器对履带式车辆转向性能的影响
? 3.对履带式车辆转向机构的简单评价
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
? 参看图７－２４
2.双差速器对履带式车辆转向性
能的影响
? (1)双差速器履带式车辆转向运动学
? (2)双差速器履带式车辆转向动力学
? (3)稳定转向时发动机的载荷比
? (4)双差速器传动的功率循环
(1)双差速器履带式车辆转向运动学
? 参看图７－２８
运动学方程
? 式中：
? 有：
? ?101 1 ??? niωω
? ?102 1 ??? niωω
2102 ωωω ??
niBR ??? 5.0m in
(2)双差速器履带式车辆转向动力学
? 参看图７－３０
动力学方程
? 式中：
? 式中：Ｍ Σ转向总阻力。
? ?? ?rn MiMM ????? 15.0 '01
? ?? ?rn MiMM ????? 15.0 '02
n
K
r iB
rMM
??
??
5.0
Σ
(3)稳定转向时发动机的载荷比
? 参图７－３１
(4)双差速器传动的功率循环
? 参看图７－３２
寄生功率
? 当 υ＞ 0.5时，慢速侧半轴所得到的一部分功率不
是从差速器壳处传来的，而是由机体通过慢速侧
履带传到慢速侧半轴上的。慢速侧半轴同时又将
这部分功率通过差速器传给快速侧半轴。因此，
在这种情况下，这一部分功率就按以下次序不断
地进行循环：快速侧半轴 → 机体 → 慢速侧半轴 →
差速器 → 快速侧半轴。这种现象就称为功率循环。
被循环的这部分功率叫做寄生功率。
3.对履带式车辆转向机构的简
单评价
? 为了保证车辆在任何使用条件下都能转向，对
转向机构提出的基本要求是：
? (1)转向机构应保证车辆能平稳地、迅速地由
直线运动转入沿任意转向半径的曲线运动；
? (2)转向机构应使车辆在转向时具有较小的发
动机载荷比，以免发动机熄火；
? (3)转向机构应使车辆具有较小的转向半径，
以提高车辆的机动性；
? (4)转向机构应保证车辆具有稳定的直线行驶
性，不应有自由转向的趋势。
二、偏转履带转向车辆的转向理论
? 1.偏转履带转向车辆转向时运动及受力分
析
? 2、履带宽度对车辆转向阻力矩的影响
? 3、评价多履带车辆转向性能的指标
? 4.影响转向性能的因素
? 参看Ｐ 173～ 182
三、铰接式履带车辆的转向简介
? (一 )履带与地面摩擦引起的力
? (二 )履带侧向推土产生的力
? 参看Ｐ 182～ 186
? § 7-1概述
? § 7-2轮式车辆的转向理论
? § 7-3履带车辆的转向理论
§ 7-1概述
? 一、偏转车轮转向及偏转履带转向
? 二、铰接车架转向方式
? 三、差速 (滑移 )转向
一、偏转车轮转向及偏转履带转向
? (1)前轮偏转
? (2)后轮偏转
? (3)前后轮同时偏转的转向方式
? (4)多桥偏转车轮转向方式
? (5)偏转履带的转向方式
二、铰接车架转向方式
? 这是一种轮式车辆和履带车辆都可以采用
的一种转向方式。它与偏转车轮的转向方
式不同，它是利用前后车架相对偏转来实
现转向的。
三、差速 (滑移 )转向
? 差速转向方式的车架是整体的 (没有相对偏
转的车架 )，其车轮轴线或履带与机架是固
定的它依靠改变左右两侧车轮或履带的转
速及其转向来操纵行驶方向。
§ 7-2轮式车辆的转向理论
? 一、偏转车轮转向车辆的转向理论
? 二、铰接式轮式车辆的转向理论
一、偏转车轮转向车辆的转向理论
? (一 )偏转车轮转向车辆的转向运动学
? (二 )偏转车轮转向车辆的转向动力学
? (三 )单差速器对轮式车辆性能的影响
(一 )偏转车轮转向车辆的转向运
动学
? 参看图 7－ 1
? 轮式车辆在转向或直线行驶过程中，经常要求左
右车轮以不同的角速度旋转，其理由是：
? 1.转向时，处侧车轮所走过的路程较内侧车轮长；
? 2.当左、右车轮轮胎、载荷、气压不等或磨损不
均时，其实际滚动半径不相等；
? 3.在高低不平的道路上行驶时，两侧车轮实际走
过的路程不同。
? 轮式车辆转向必须满足下列三个条件：
? 1.转向时，通过各个车轮几何轴线的垂直平面
都应相交于同一直线上，这样就能防止各车轮
在转向时产生侧滑现象。
? 2.转向时，两侧驱动轮应该以不同的角速度旋
转，以避免转向时驱动轮产生纵向滑移或滑移。
? 3.转向时，两侧从动轮应能以不同的角速度旋
转，以避免转向时从动轮产生纵向滑移或滑转。
这个条件比较容易满足，因为从动轮是不驱动
的，能在轴上自由旋转。
(二 )偏转车轮转向车辆的转向动力学
? 参看图７－４
总体受力分析
? 1.牵引负荷 FX
? 2.离心力Ｆ ｊ
? 3.滚动阻力 Ｆ ｆｋ
? 4.转向阻力矩 Mμ
? 5.驱动力 FＫ ′
? 6.土壤对两侧导向轮的作用力 Xc1和 Xc2
? 7.转向力 FZ
? 8.侧向反作用力 Zk1和 Zk2
提高车辆的转向能力
? １、提高附着力：增加附着重量，改善轮
胎结构等。
? ２、减少总转向助力：降低车速，增大转
向半径等。
转向行驶阻力矩
? 当轮胎以某一转向半径 R0绕轴线 O在地面上滚动
时 (见图 7-5)，轮胎两侧应该有不同的滚动速度，
但实际上轮胎只能以一个速度转动，因而轮胎和
地面的接触面上的各点将产生相对滑动；另一方
面，车辆即使是直线行驶，牵引力作用使轮胎在
地面上滚动的同时也将产生滑转。上述两种相对
滑动，它将引起地面对轮胎的切向反力 (阻力 )，
并形成转向行驶时的阻力矩。
参看图７－５及Ｐ 147～ 148
(三 )单差速器对轮式车辆性能的影响
? 1.单差速器的运动学
? 2.单差速器的动力学
单差速器的运动学
? 参看图７－７
? 运动学方程
2
21
0
ωωω ??
单差速器的动力学
? 参看图７－８
? 动力学方程
? Ｍ １ ≈Ｍ ２
二、铰接式轮式车辆的转向理论
? (一 )铰接式轮式车辆转向的运动学
? (二 )铰接轮式车辆转向力矩及阻力矩分析
(一 )铰接式轮式车辆转向的运动学
? 参看图７－１１
四个车轮的线速度
01 2s in
co s ω
γ
γ
ω ???
?
??
? ???? BrrLv
01 2s in
co s ω
γ
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? ???? BrrLv
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? ???? BrrLv
(二 )铰接轮式车辆转向力矩及阻力矩分析
? 1.转向力矩分析
? 参看图７－１２，７－１３
? 转向力矩,
? 回正力距：
? 转向力矩不均匀系数：
21 MMM ??
'2'1' MMM ??
m in
m a x
M
M
n ?
转向阻力矩分析参看图７－１４
? 1.转钩牵引力 F’T ；
? 2.离心力 ；
? 3.驱动力 FK ；
? 4.滚动阻力 Ｆ ｆＫ ；
? 5.车轮转向时的侧向反力 Ｓ １ 和Ｓ ２ ；
? 6.转向时地面对车轮作用的力矩Ｍ Ｃ１,
Ｍ Ｃ２,Ｍ Ｋ１,Ｍ Ｋ２ ；
? 7.铰点处转向时油缸作用产生的力矩 Ｍ
０ 。
§ 7-3履带车辆的转向理论
? 一、双履带车辆的转向理论
? 二、偏转履带转向车辆的转向理论
? 三、铰接式履带车辆的转向简介
一、双履带车辆的转向理论
? (一 )双履带式车辆转向运动学
? (二 )双履带式车辆转向动力学
? (三 )影响履带车辆转向能力的因素
? (四 )各种转向机构的转向性能及简单评价
(一 )双履带式车辆转向运动学
? 参看图７－１５
? 1.如果转向半径等于 0.5Ｂ时，则ｖ 1‘等于零；
? 2.如果转向半径等于零时，则ｖ 1‘＝－ｖ 2‘
BR
BR
v
v
5.0
5.0
'
2
'
1
?
??
(二 )双履带式车辆转向动力学
? 参看图７－１６
1、牵引平衡和力矩平衡
? 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 )。
B
MFF
KK
Σ?? 5.0'
1
B
MFF
KK
Σ?? 5.0'
2
? 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。
? 1.当 ν=0时，表明车辆作直线行驶。
? 2.当 ν=0.5时，内侧履带的驱动力，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，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，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。
转向阻力矩引起因素
? 1.履带板的支承面、侧面和履刺表面与土
壤的相对摩擦；
? 2.履带转动时对土壤的挤压和剪切；
? 3.履带转动时对堆积在它旁边土壤的推拥；
? 4.转向行走机构内部的摩擦阻力。
? 参看Ｐ 157～ 160
(三 )影响履带车辆转向能力的因素
? 1、转向能力受限于发动机功率的条件
? 2、转向能力受限于附着力的条件
1、转向能力受限于发动机功率的条件
? (1)车辆作基本直线运动所消耗的功率 ；
? (2)车辆绕本身的相对转动轴线 OT转动所消
耗的功率 ；
? (3)转向机构或制动器的摩擦元件所消耗的
功率 。
2、转向能力受限于附着力的条件
? 履带式车辆转向时，由土壤附着条件所决
定的转向能力受快速侧履带与土壤间附着
力的限制，它与转向机构的型式无关。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
须满足要求。
(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
? 2.双差速器对履带式车辆转向性能的影响
? 3.对履带式车辆转向机构的简单评价
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
? 参看图７－２４
2.双差速器对履带式车辆转向性
能的影响
? (1)双差速器履带式车辆转向运动学
? (2)双差速器履带式车辆转向动力学
? (3)稳定转向时发动机的载荷比
? (4)双差速器传动的功率循环
(1)双差速器履带式车辆转向运动学
? 参看图７－２８
运动学方程
? 式中：
? 有：
? ?101 1 ??? niωω
? ?102 1 ??? niωω
2102 ωωω ??
niBR ??? 5.0m in
(2)双差速器履带式车辆转向动力学
? 参看图７－３０
动力学方程
? 式中：
? 式中：Ｍ Σ转向总阻力。
? ?? ?rn MiMM ????? 15.0 '01
? ?? ?rn MiMM ????? 15.0 '02
n
K
r iB
rMM
??
??
5.0
Σ
(3)稳定转向时发动机的载荷比
? 参图７－３１
(4)双差速器传动的功率循环
? 参看图７－３２
寄生功率
? 当 υ＞ 0.5时，慢速侧半轴所得到的一部分功率不
是从差速器壳处传来的，而是由机体通过慢速侧
履带传到慢速侧半轴上的。慢速侧半轴同时又将
这部分功率通过差速器传给快速侧半轴。因此，
在这种情况下，这一部分功率就按以下次序不断
地进行循环：快速侧半轴 → 机体 → 慢速侧半轴 →
差速器 → 快速侧半轴。这种现象就称为功率循环。
被循环的这部分功率叫做寄生功率。
3.对履带式车辆转向机构的简
单评价
? 为了保证车辆在任何使用条件下都能转向，对
转向机构提出的基本要求是：
? (1)转向机构应保证车辆能平稳地、迅速地由
直线运动转入沿任意转向半径的曲线运动；
? (2)转向机构应使车辆在转向时具有较小的发
动机载荷比，以免发动机熄火；
? (3)转向机构应使车辆具有较小的转向半径，
以提高车辆的机动性；
? (4)转向机构应保证车辆具有稳定的直线行驶
性，不应有自由转向的趋势。
二、偏转履带转向车辆的转向理论
? 1.偏转履带转向车辆转向时运动及受力分
析
? 2、履带宽度对车辆转向阻力矩的影响
? 3、评价多履带车辆转向性能的指标
? 4.影响转向性能的因素
? 参看Ｐ 173～ 182
三、铰接式履带车辆的转向简介
? (一 )履带与地面摩擦引起的力
? (二 )履带侧向推土产生的力
? 参看Ｐ 182～ 186
