[發(fā)明專利]一種履帶行駛裝置功率損耗的計(jì)算方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710993189.2
• 申請(qǐng)日: 2017-10-23
• 公開（公告）號(hào): CN107844640B
• 公開（公告）日: 2021-12-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔡文斌;趙韜碩;梁經(jīng)芝;周寧寧;馮棟梁;雷強(qiáng)順;馮占宗;王永麗
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國北方車輛研究所
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20
• 代理公司: 中國兵器工業(yè)集團(tuán)公司專利中心 11011
• 代理人: 王雪芬

1.一種履帶行駛裝置功率損耗的計(jì)算方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、基于對(duì)主動(dòng)輪輪齒與履帶的摩擦力和摩擦位移的分析，得到主動(dòng)輪齒與履帶板的嚙合功率損耗；

步驟2、基于對(duì)負(fù)重輪與履帶滾動(dòng)阻力與運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系的分析，得到負(fù)重輪沿履帶接地段的滾動(dòng)功率損耗；

步驟3、根據(jù)以下四個(gè)方面計(jì)算得到履帶內(nèi)部功率損耗：對(duì)履帶板掛膠銷扭轉(zhuǎn)變形的功率損耗分析、對(duì)由速度矢量的改變導(dǎo)致動(dòng)能變化的功率損耗的計(jì)算、對(duì)使銷耳橡膠變形的功率損耗計(jì)算，對(duì)履帶板離開輪子時(shí)使履帶板伸直時(shí)的功率損耗計(jì)算；

步驟4、將步驟1、2、3得到的主動(dòng)輪齒與履帶板的嚙合功率損耗、負(fù)重輪沿履帶接地段的滾動(dòng)功率損耗和履帶內(nèi)部功率損耗三者相加得到履帶行駛裝置的總的功率損耗；

步驟1具體為：

主動(dòng)輪齒與履帶板的接觸法向力為：

式中：F_N接觸法向力；F_T為嚙合切向力；

α_ω為履帶銷與主動(dòng)輪齒的摩擦轉(zhuǎn)角；

接觸摩擦力為：

F_R＝μ₅F_N (2)

式中：F_R為接觸摩擦力；

μ₅為接觸摩擦系數(shù)；

接觸摩擦力在牽引方向的分量為：

F_RE＝F_Rsinα_ω (3)

式中：F_RE為接觸摩擦力在牽引方向的分量，該分量構(gòu)成了主動(dòng)輪和履帶銷的嚙合摩擦阻力；

綜合上面三式，得到接觸摩擦力在牽引方向的分量為：

F_RE＝μ₅tanα_ωF_T (4)

且履帶銷在底槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，只有最后的1/4進(jìn)入摩擦，因此有：

式中：為齒間分度角；z為主動(dòng)輪齒數(shù)；

因此接觸摩擦力在牽引方向的分量為：

F_T＝F₀+F_K

式中：F₀為履帶松邊張緊力；

F_K為主動(dòng)輪牽引力；

得到：

主動(dòng)輪齒與履帶板的嚙合摩擦功耗：

單齒嚙合一次的摩擦功耗為：

W₅₁＝F_REs (7)

式中：W₅₁為單齒嚙合一次的摩擦功耗；s為摩擦距離；

上式中摩擦距離按照下面公式進(jìn)行計(jì)算；

式中：V_T為履帶銷相對(duì)主動(dòng)輪齒摩擦運(yùn)動(dòng)速度，V_T＝r_kω；t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間；ω為主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速；r_k為主動(dòng)輪節(jié)圓半徑；z為主動(dòng)輪齒數(shù)；

主動(dòng)輪轉(zhuǎn)一圈，共嚙合z次，z為主動(dòng)輪齒數(shù)，則總的摩擦功耗為zW₅₁，設(shè)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)一圈所用時(shí)間為T，主動(dòng)輪齒與履帶板的嚙合摩擦功耗表示為：

步驟2具體為：

負(fù)重輪與履帶間滾動(dòng)阻力計(jì)算公式如下：

P＝f_fQ₁ (9)

式中：f_f為負(fù)重輪的滾動(dòng)阻力系數(shù)；Q₁為負(fù)重輪與履帶正壓力；

則負(fù)重輪沿履帶接地段的滾動(dòng)功率損耗用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

W₆＝f_fQ₁V_F (10)

式中：W₆為負(fù)重輪沿履帶接地段的滾動(dòng)功率損耗；V_F為負(fù)重輪相對(duì)履帶滾動(dòng)線速度；

步驟3具體為：

有兩個(gè)相鄰履帶板，第一履帶板(A)、第二履帶板(B)由鉸鏈(O)鏈接，鉸鏈(O)為橡膠套管；將第一履帶板(A)固定，加一扭矩M于第二履帶板(B)上，第二履帶板(B)旋轉(zhuǎn)α角，并由第一位置(1)轉(zhuǎn)到第二位置(2)，若橡膠管為絕對(duì)彈性，當(dāng)扭矩M消失后，第二履帶板(B)應(yīng)恢復(fù)到第一位置(1)，實(shí)際上由于橡膠的滯后現(xiàn)象存在殘余變形，第二履帶板(B)只能恢復(fù)到第三位置(3)，即恢復(fù)角α′小于轉(zhuǎn)角α，第二履帶板(B)從第一位置(1)到第二位置(2)，再由第二位置(2)恢復(fù)到第三位置(3)稱為一個(gè)循環(huán)，每重復(fù)一個(gè)循環(huán)都要損耗一部分的能量；

橡膠套管剛性計(jì)算公式：

式中：k——橡膠鉸鏈的剛性，又叫角剛性；r_x1——橡膠套管最內(nèi)層半徑；r_x2——橡膠套管最外層半徑；l_x——橡膠套管長度；G₁——橡膠套管抗剪系數(shù)；

橡膠鉸鏈的預(yù)加扭轉(zhuǎn)角為α₀，橡膠鉸鏈的相對(duì)扭轉(zhuǎn)發(fā)生在進(jìn)入和退出弧形段的切點(diǎn)處，設(shè)扭轉(zhuǎn)橡膠鉸鏈的力矩絕對(duì)值與扭轉(zhuǎn)角成正比，進(jìn)入弧形段的最大扭轉(zhuǎn)角為α_max，由于存在預(yù)扭轉(zhuǎn)角α₀，實(shí)際扭轉(zhuǎn)角為(α_max-α₀)，橡膠鉸鏈聚集的位能為：

橡膠鉸鏈扭轉(zhuǎn)時(shí)存在滯后現(xiàn)象，以μ_z表示滯后的能量損失系數(shù)，損失于弧形段的能量為：

以第二履帶板(B)從扭轉(zhuǎn)到恢復(fù)的時(shí)間△t除上式，得損耗于弧形段履帶板扭轉(zhuǎn)過程的平均損耗功率：

設(shè)變形系數(shù)得：

式中：N_i是在第i輪上履帶扭轉(zhuǎn)過程平均功耗；t_r——單銷履帶板節(jié)距；r’_i——各輪子的弧形段半徑；V_i為履帶相對(duì)各輪子的切向速度；

整個(gè)履帶的滯后損失，即履帶板掛膠銷扭轉(zhuǎn)變形的功率損耗為：

履帶板纏繞輪系時(shí)由速度矢量變化造成的動(dòng)能變化的功率損耗的計(jì)算：

兩個(gè)相鄰的單銷履帶板，第一單銷履帶板(1)、第二單銷履帶板(2)當(dāng)進(jìn)入輪子時(shí)的運(yùn)動(dòng)與曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)，單銷履帶板的位置定義在廣義坐標(biāo)α₁和上，這時(shí)笛卡爾坐標(biāo)上有：

z₁＝R+r₁sinα₁

式中，x₁，z₁為第一單銷履帶板(1)上任一點(diǎn)在x、z坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值；x₂，z₂為第二單銷履帶板(2)上任一點(diǎn)在x、z坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值；r₁是第一單銷履帶板(1)上任一點(diǎn)到履帶端點(diǎn)長度；r₂是第二單銷履帶板(2)上任一點(diǎn)到單銷履帶端點(diǎn)長度；R是輪子半徑與單銷履帶板滾道面到銷軸中心距離的和；t_r是單銷履帶板節(jié)距；

α₁為第一單銷履帶板(1)與水平線夾角，β是第一單銷履帶板(1)活動(dòng)端與坐標(biāo)原點(diǎn)連線，與第二單銷履帶板(2)法線之間的夾角，是第一單銷履帶板(1)活動(dòng)端與坐標(biāo)原點(diǎn)連線與水平線夾角；

廣義坐標(biāo)系通過角用下列關(guān)系式表示：

式中A＝R/(t_rcosβ)，B＝R/t_r，κ＝π/2-β，其中ψ是第二單銷履帶板(2)與水平線夾角，κ是第一單銷履帶板(1)活動(dòng)端與坐標(biāo)原點(diǎn)連線與第二單銷履帶板(2)之間的夾角；

通過計(jì)算式(13)中的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，計(jì)算單銷履帶板前進(jìn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)前的動(dòng)能：

式中：ρ＝m/t_r為單銷履帶單位長度重量m為單銷履帶板重量；是公式(13)中各點(diǎn)導(dǎo)數(shù)的平方；i表示輪子編號(hào)；

當(dāng)履帶通過輪子時(shí)計(jì)算由速度矢量的改變導(dǎo)致動(dòng)能變化的功率損耗，得出

式中：I₀，I_C為單銷履帶板對(duì)橡膠鉸鏈軸線的慣性力矩和單銷履帶板對(duì)單銷履帶板重心的慣性力矩；S為單銷履帶板對(duì)橡膠鉸鏈軸線的靜力矩；

其中A，B的表達(dá)式同式(14)的解釋；r’_i為各輪子弧形段半徑；

當(dāng)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)單銷履帶板的動(dòng)能為：

式中V_C為履帶行駛裝置行駛速度；

當(dāng)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，相連接單銷履帶板的動(dòng)能K_iII用公式(15)計(jì)算；

當(dāng)時(shí)，與輪子一起旋轉(zhuǎn)單銷履帶板的動(dòng)能為：

這時(shí)由速度矢量的改變導(dǎo)致動(dòng)能變化的功率損耗的平均值為：

在履帶板進(jìn)入輪i時(shí)，

為履帶板進(jìn)入輪i時(shí)由速度矢量的改變導(dǎo)致動(dòng)能變化的功率損耗的平均值；使這個(gè)值在t＝t_r/v_T范圍內(nèi)平均；

為前進(jìn)運(yùn)動(dòng)單銷履帶板的動(dòng)能：

在履帶板退出輪i時(shí)，

為履帶板退出輪i時(shí)由速度矢量的改變導(dǎo)致動(dòng)能變化的功率損耗的平均值；

根據(jù)公式(16)得出

式中：為前進(jìn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，相連接單銷履帶板的動(dòng)能；

在單銷履帶板上的動(dòng)力損耗按以下公式求出：

在單銷履帶板進(jìn)入輪i時(shí)，

在單銷履帶板退出輪i時(shí)，

式中：為單銷履帶板進(jìn)入輪i時(shí)的動(dòng)力損耗；為單銷履帶板退出輪i時(shí)單銷履帶板動(dòng)能損耗；g為重力加速度；

單銷履帶環(huán)曲率變化點(diǎn)是四個(gè)，n＝4，單銷履帶板的質(zhì)量沿節(jié)距長度方向均勻地分布；

對(duì)于雙銷履帶板，在方程(13)～(15)內(nèi)考慮到雙銷履帶板和連接器的節(jié)距分別為t₁和t₂，質(zhì)量分別為m₁和m₂，此時(shí)計(jì)算由速度矢量的改變導(dǎo)致動(dòng)能變化的功率損耗的公式為

在雙銷履帶進(jìn)入輪i時(shí)，

式中：雙銷履帶進(jìn)入輪i時(shí)的動(dòng)力損耗；

在雙銷履帶退出輪i時(shí)，

式中：雙銷履帶退出輪i時(shí)的動(dòng)力損耗；

雙銷履帶板進(jìn)入輪i纏繞使銷耳橡膠變形的功率損耗：

雙銷履帶板的質(zhì)量沿節(jié)距長度方向均勻地分布，橡膠銷耳中的功率損耗是由橡膠鉸鏈扭轉(zhuǎn)角進(jìn)行廣義位移時(shí)的內(nèi)力功來確定的，那么對(duì)于單銷履帶就是在進(jìn)入輪i時(shí)：

式中：?jiǎn)武N履帶進(jìn)入輪i時(shí)橡膠銷耳變形功率損耗，C為銷耳角剛度；

而對(duì)雙銷履帶進(jìn)入輪i時(shí)

式中：是雙銷履帶進(jìn)入輪i時(shí)橡膠銷耳變形功率損耗；

對(duì)兩種形式履帶的銷耳來說，銷耳橡膠的功率損耗

式中：為單銷和雙銷兩種履帶板退出輪i時(shí)銷耳橡膠的功率損耗；

為橡膠履帶進(jìn)入輪i時(shí)的功率損耗，根據(jù)履帶形式選擇單銷或雙銷進(jìn)行計(jì)算；η為滯后損失系數(shù)；

履帶纏繞總的功率損耗方程為：

式中

為或的統(tǒng)一表示，計(jì)算時(shí)根據(jù)履帶形式選擇其一進(jìn)行計(jì)算；

為或的統(tǒng)一表示，計(jì)算時(shí)根據(jù)履帶形式選擇其一進(jìn)行計(jì)算；

即，當(dāng)

當(dāng)

2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，η＝0.15～0.30。