[发明专利]一种履带行驶装置功率损耗的计算方法

权利要求书

1.一种履带行驶装置功率损耗的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、基于对主动轮轮齿与履带的摩擦力和摩擦位移的分析，得到主动轮齿与履带板的啮合功率损耗；

步骤2、基于对负重轮与履带滚动阻力与运动速度的关系的分析，得到负重轮沿履带接地段的滚动功率损耗；

步骤3、根据以下四个方面计算得到履带内部功率损耗：对履带板挂胶销扭转变形的功率损耗分析、对由速度矢量的改变导致动能变化的功率损耗的计算、对使销耳橡胶变形的功率损耗计算，对履带板离开轮子时使履带板伸直时的功率损耗计算；

步骤4、将步骤1、2、3得到的主动轮齿与履带板的啮合功率损耗、负重轮沿履带接地段的滚动功率损耗和履带内部功率损耗三者相加得到履带行驶装置的总的功率损耗；

步骤1具体为：

主动轮齿与履带板的接触法向力为：

式中：F_N接触法向力；F_T为啮合切向力；

α_ω为履带销与主动轮齿的摩擦转角；

接触摩擦力为：

F_R＝μ₅F_N (2)

式中：F_R为接触摩擦力；

μ₅为接触摩擦系数；

接触摩擦力在牵引方向的分量为：

F_RE＝F_Rsinα_ω (3)

式中：F_RE为接触摩擦力在牵引方向的分量，该分量构成了主动轮和履带销的啮合摩擦阻力；

综合上面三式，得到接触摩擦力在牵引方向的分量为：

F_RE＝μ₅tanα_ωF_T (4)

且履带销在底槽内运动时，只有最后的1/4进入摩擦，因此有：

式中：为齿间分度角；z为主动轮齿数；

因此接触摩擦力在牵引方向的分量为：

F_T＝F₀+F_K

式中：F₀为履带松边张紧力；

F_K为主动轮牵引力；

得到：

主动轮齿与履带板的啮合摩擦功耗：

单齿啮合一次的摩擦功耗为：

W₅₁＝F_REs (7)

式中：W₅₁为单齿啮合一次的摩擦功耗；s为摩擦距离；

上式中摩擦距离按照下面公式进行计算；

式中：V_T为履带销相对主动轮齿摩擦运动速度，V_T＝r_kω；t为运动时间；ω为主动轮转速；r_k为主动轮节圆半径；z为主动轮齿数；

主动轮转一圈，共啮合z次，z为主动轮齿数，则总的摩擦功耗为zW₅₁，设主动轮转一圈所用时间为T，主动轮齿与履带板的啮合摩擦功耗表示为：

步骤2具体为：

负重轮与履带间滚动阻力计算公式如下：

P＝f_fQ₁ (9)

式中：f_f为负重轮的滚动阻力系数；Q₁为负重轮与履带正压力；

则负重轮沿履带接地段的滚动功率损耗用如下公式进行计算：

W₆＝f_fQ₁V_F (10)

式中：W₆为负重轮沿履带接地段的滚动功率损耗；V_F为负重轮相对履带滚动线速度；

步骤3具体为：

有两个相邻履带板，第一履带板(A)、第二履带板(B)由铰链(O)链接，铰链(O)为橡胶套管；将第一履带板(A)固定，加一扭矩M于第二履带板(B)上，第二履带板(B)旋转α角，并由第一位置(1)转到第二位置(2)，若橡胶管为绝对弹性，当扭矩M消失后，第二履带板(B)应恢复到第一位置(1)，实际上由于橡胶的滞后现象存在残余变形，第二履带板(B)只能恢复到第三位置(3)，即恢复角α′小于转角α，第二履带板(B)从第一位置(1)到第二位置(2)，再由第二位置(2)恢复到第三位置(3)称为一个循环，每重复一个循环都要损耗一部分的能量；

橡胶套管刚性计算公式：

式中：k——橡胶铰链的刚性，又叫角刚性；r_x1——橡胶套管最内层半径；r_x2——橡胶套管最外层半径；l_x——橡胶套管长度；G₁——橡胶套管抗剪系数；

橡胶铰链的预加扭转角为α₀，橡胶铰链的相对扭转发生在进入和退出弧形段的切点处，设扭转橡胶铰链的力矩绝对值与扭转角成正比，进入弧形段的最大扭转角为α_max，由于存在预扭转角α₀，实际扭转角为(α_max-α₀)，橡胶铰链聚集的位能为：

橡胶铰链扭转时存在滞后现象，以μ_z表示滞后的能量损失系数，损失于弧形段的能量为：

以第二履带板(B)从扭转到恢复的时间△t除上式，得损耗于弧形段履带板扭转过程的平均损耗功率：

设变形系数得：

式中：N_i是在第i轮上履带扭转过程平均功耗；t_r——单销履带板节距；r’_i——各轮子的弧形段半径；V_i为履带相对各轮子的切向速度；

整个履带的滞后损失，即履带板挂胶销扭转变形的功率损耗为：

履带板缠绕轮系时由速度矢量变化造成的动能变化的功率损耗的计算：

两个相邻的单销履带板，第一单销履带板(1)、第二单销履带板(2)当进入轮子时的运动与曲柄连杆机构的运动相当，单销履带板的位置定义在广义坐标α₁和上，这时笛卡尔坐标上有：

z₁＝R+r₁sinα₁

式中，x₁，z₁为第一单销履带板(1)上任一点在x、z坐标系下的坐标值；x₂，z₂为第二单销履带板(2)上任一点在x、z坐标系下的坐标值；r₁是第一单销履带板(1)上任一点到履带端点长度；r₂是第二单销履带板(2)上任一点到单销履带端点长度；R是轮子半径与单销履带板滚道面到销轴中心距离的和；t_r是单销履带板节距；

α₁为第一单销履带板(1)与水平线夹角，β是第一单销履带板(1)活动端与坐标原点连线，与第二单销履带板(2)法线之间的夹角，是第一单销履带板(1)活动端与坐标原点连线与水平线夹角；

广义坐标系通过角用下列关系式表示：

式中A＝R/(t_rcosβ)，B＝R/t_r，κ＝π/2-β，其中ψ是第二单销履带板(2)与水平线夹角，κ是第一单销履带板(1)活动端与坐标原点连线与第二单销履带板(2)之间的夹角；

通过计算式(13)中的时间导数，计算单销履带板前进运动转变成旋转运动前的动能：

式中：ρ＝m/t_r为单销履带单位长度重量m为单销履带板重量；是公式(13)中各点导数的平方；i表示轮子编号；

当履带通过轮子时计算由速度矢量的改变导致动能变化的功率损耗，得出

式中：I₀，I_C为单销履带板对橡胶铰链轴线的惯性力矩和单销履带板对单销履带板重心的惯性力矩；S为单销履带板对橡胶铰链轴线的静力矩；

其中A，B的表达式同式(14)的解释；r’_i为各轮子弧形段半径；

当前进运动单销履带板的动能为：

式中V_C为履带行驶装置行驶速度；

当前进运动转变成为旋转运动，相连接单销履带板的动能K_iII用公式(15)计算；

当时，与轮子一起旋转单销履带板的动能为：

这时由速度矢量的改变导致动能变化的功率损耗的平均值为：

在履带板进入轮i时，

为履带板进入轮i时由速度矢量的改变导致动能变化的功率损耗的平均值；使这个值在t＝t_r/v_T范围内平均；

为前进运动单销履带板的动能：

在履带板退出轮i时，

为履带板退出轮i时由速度矢量的改变导致动能变化的功率损耗的平均值；

根据公式(16)得出

式中：为前进运动转变成为旋转运动，相连接单销履带板的动能；

在单销履带板上的动力损耗按以下公式求出：

在单销履带板进入轮i时，

在单销履带板退出轮i时，

式中：为单销履带板进入轮i时的动力损耗；为单销履带板退出轮i时单销履带板动能损耗；g为重力加速度；

单销履带环曲率变化点是四个，n＝4，单销履带板的质量沿节距长度方向均匀地分布；

对于双销履带板，在方程(13)～(15)内考虑到双销履带板和连接器的节距分别为t₁和t₂，质量分别为m₁和m₂，此时计算由速度矢量的改变导致动能变化的功率损耗的公式为

在双销履带进入轮i时，

式中：双销履带进入轮i时的动力损耗；

在双销履带退出轮i时，

式中：双销履带退出轮i时的动力损耗；

双销履带板进入轮i缠绕使销耳橡胶变形的功率损耗：

双销履带板的质量沿节距长度方向均匀地分布，橡胶销耳中的功率损耗是由橡胶铰链扭转角进行广义位移时的内力功来确定的，那么对于单销履带就是在进入轮i时：

式中：单销履带进入轮i时橡胶销耳变形功率损耗，C为销耳角刚度；

而对双销履带进入轮i时

式中：是双销履带进入轮i时橡胶销耳变形功率损耗；

对两种形式履带的销耳来说，销耳橡胶的功率损耗

式中：为单销和双销两种履带板退出轮i时销耳橡胶的功率损耗；

为橡胶履带进入轮i时的功率损耗，根据履带形式选择单销或双销进行计算；η为滞后损失系数；

履带缠绕总的功率损耗方程为：

式中

为或的统一表示，计算时根据履带形式选择其一进行计算；

为或的统一表示，计算时根据履带形式选择其一进行计算；

即，当

当

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，η＝0.15～0.30。