Động lực học ô tô máy kéo - Chương 9

Chơng 9
tính năng quay vòng của máy kéo xích
9.1. Động học quay vòng và các cơ cấu quay vòng của máy kéo xích
9.1.1. Động học quay vòng của máy kéo xích
Sự điều khiển hớng chuyển động của máy kéo xích đợc thực hiện thông qua cơ cấu
quay vòng để điều chỉnh độ lớn của mô men truyền từ động cơ đến các bánh chủ động. Khi
mô men trên các bánh chủ động không nh nhau, chúng sẽ đợc quay với tốc độ khác nhau và
tốc độ tịnh tiến của các dải xích cũng sẽ khác nhau (hình 9.1). Bánh chủ động bên ngoài
(so với tâm quay vòng) sẽ quay với tốc độ
1
lớn hơn tốc độ quay của bánh chủ động bên
trong
2
. Do đó vận tốc tịnh tiến của dải xích bên ngoài v
1
cũng sẽ lớn hơn so với vận tốc
của dải xích bên trong v
2
< v
1
. Dải xích bên ngoài còn đợc gọi là dải xích chạy nhanh và
dải xích bên trong dải xích chạy chậm. Tâm quay tức thời của máy kéo là O và đợc gọi là
tâm quay vòng , đợc xác định từ sơ đồ vận tốc. Khoảng cách từ tâm quay tức thời đến trục
dọc của máy kéo đợc gọi là bán kính quay vòng R.
Sự chuyển động của máy kéo trên đờng
vòng có thể đợc xem nh là tổng hợp hai
chuyển động : chuyển động tịnh tiến với vận
tốc v và chuyển động quay tơng đối quanh
điểm O
0
với vận tốc góc = v/R. Sự

chuyển động của từng dải xích cũng đợc
phân tích tơng tự: dải xích chạy nhanh có
vận tốc tịnh tiến v
1
và có chuyển động quay
tơng đối quanh điểm O
1
với vận tốc ; còn
dải xích chạy chậm sẽ quay tơng đối quanh
điểm O
2
cũng với vận tốc và có vận tốc
tịnh tiến là v
2.

Từ sơ đồ vận tốc (hình 9.1) ta có thể
xác định đợc vận tốc của các dải xích nh sau:

R
BR
vBRv
5,0
')5.0(
1
+
=+=

(9.1)

R

BR
vBRv
5,0
')5.0(
1

=+=

(9.2)
Tốc độ tịnh tiến trung bình của máy kéo chình là tốc độ của điểm O
0
và đợc xác định
theo công thức :
R
vv
v

=
+
=
2
'
21
(9.3)
Nếu giả thiết máy kéo chuyển động không có hiện tợng trợt, thì từ các biểu thức
trên ta có thể rút ra đợc mối quan hệ giữa các vận tốc :

BR
BR
v

v
5,0
5,0
2
1
2
1

+
==


Từ đó rút ra:
21
21
21
21
5,05,0



+

+
= B
vv
vv
BR
(9.4)
126

Hình 9.1
Sơ đồ vận tốc của máy kéo xích khi
quay vòng

0
0
0
0
2
0
1
v
v
2
v
1
B
R
Biểu thức (9.4) cho thấy bán kính quay vòng của máy kéo xích đợc xác định bới
mối quan hệ giữa các vận tốc của các dải xích v
1
và v
2
hoặc giữa các vận tốc góc của
các bánh chủ động
1
và
2
. Mối quan hệ này trớc hết phụ thuộc vào đặc điểm của loại
cơ cấu quay vòng và trị số của R còn thay đổi theo điều kiện chuyển động của máy

kéo.
9.1.2. Đặc điểm động học của các loại cơ cấu quay vòng máy kéo xích
Theo tính chất động học các cơ cấu quay vòng của máy kéo xích có thể chia thành 2
nhóm chính: các cơ cấu quay vòng vi sai ( vi sai đơn hoặc vi sai kép); các cơ cấu quay
vòng có mối liên hệ cứng về động học ( ly hợp chuyển hớng , các cơ cấu hành tinh) .
1) Các cơ cấu quay vòng vi sai
Các cơ cấu vi sai có tính chất động học làm thay đổi tốc dộ quay của các bán trục
(các bánh chủ động) tơng ứng với sự thay đổi của tải trọng ngoài tác động lên các dải xích.
Do đặc điểm này máy khó duy trì đợc tính chuyển động thẳng vì thực tế điều kiện chuyển
động của các dải xích thờng không nh nhau, nhất là điều kiện làm việc của các máy kéo
nông nghiệp. Vì thế trên các máy kéo nông nghiệp rất ít sử dụng cơ cấu quay vòng vi sai,
mà phổ biến là sử dụng cơ cấu quay vòng ly hợp chuyển hớng và cơ cấu quay vòng hành
tinh . Do vậy ở đây ta không xem xét cụ thể các loại cơ câú quay vòng vi sai.
2) Cơ cấu quay vòng ly hợp chuyển hớng
Cơ cấu ly hợp chuyển hớng (hình 9.2) gồm có hai bộ ly hợp thờng xuyên đóng, đợc
lắp trên các bán trục tơng ứng với các bánh chủ động. Trên các bán trục đó còn đợc bố trí
thêm hai dải phanh để giúp cho sự quay vòng đợc nhanh hơn hoặc với bán kính quay vòng
nhỏ hơn khi cần thiết.
Khi chuyển động thẳng cả hai bộ ly hợp đều đợc đóng, còn các dải phanh đợc mở.
Mối quan hệ động học giữa hai bán trục là cứng và quay cùng vận tốc
1
=
2
=

. Nếu
điều kiện chuyển động nh nhau, tốc độ chuyển động của các dải xích cũng nh nhau v
1
= v
2

.
Khi quay vòng, ly hợp bên dải xích chạy châm phải đợc mở (tách bộ ly hợp) một
phần hoặc hoàn toàn. Mô men chủ động giảm xuống dẫn đến giảm tốc độ quay của bánh
chủ động và giảm tốc độ chuyển động của dải xích chạy chậm. Trong khi đó tốc độ của dải
xích chạy nhanh vẫn giữ nguyên nh trớc khi quay vòng . Do hai dải xích chuyển động với
vận tốc khác nhau sẽ làm cho máy kéo chuyển động vòng. Khi cần quay vòng gấp (với bán
kính nhỏ) ngoài việc mở một bên ly hợp ra hoàn toàn còn xiết thêm phanh để cho độ chênh
lệch mô men chủ động trên các bánh chủ động càng lớn hơn. Khi bán trục của dải xích
chạy chậm bị phanh hoàn toàn
2
= 0 và v
2
=0 thì bán kính quay vòng của máy kéo sẽ đạt
giá trị nhỏ nhất
R
min
= 0,5B (9.5)
Trong quá trình quay vòng, nếu tốc độ quay của động cơ không đổi, thì vận tốc
của dải xích chạy nhanh v
1
luôn luôn bằng vận tốc v của máy kéo khi chạy thẳng v
1
= v.
Còn vận tốc của dải xích chạy chậm v
2
sẽ nhỏ hơn. Vận tốc trung bình của máy kéo v
khi quay vòng sẽ là:
127

2

1

K
M
1
M
2
M
K
Hình 9.2
Sơ đồ ly hợp chuyển hướng

BR
R
vv
5,0
'
+
=
(9.6)
Biểu thức (9.6) cho thấy: khi sử dụng cơ cấu quay vòng ly hợp chuyển hớng, vận
tốc tịnh tiến trung bình của máy kéo bao giờ cũng nhỏ hơn so với chuyển động thẳng v
< v (v vận tốc máy kéo khi chuyển động thẳng với cùng điều kiện nh nhau).
3) Cơ cấu quay vòng hành tinh một cấp
Trên hình 9.3 là sơ đồ cơ cấu quay vòng hành tinh một cấp. Trên mỗi bán trục đợc bố
trí một cơ cấu hành tinh, một phanh hãm bánh răng mặt trời P
h
và một phanh bán trục P
b

.
Khi máy kéo chuyển động thẳng, các phanh bán trục P
b
phải đợc mở ra, còn các
phanh của cơ cấu hành tinh P
h
đợc xiết chặt. Trong trờng hợp này cơ cấu quay vòng hành
tinh chỉ đóng vai trò giảm tốc tốc độ góc của hai bán trục bằng nhau và nhỏ hơn tốc độ
góc của vỏ hộp
1
=
2
<

.
Để quay vòng máy kéo, cần nhả một phần hoặc hoàn toàn phanh cơ cấu hành tinh P
h
ở dải xích chạy chậm. Nếu cần quay vòng gấp hơn, ngoài việc phải nhả hết phanh P
h
cần
xiết thêm phanh bán trục P
b
cũng ở dải xích đó.
Nh vậy về mặt thao tác, sự làm việc của cơ cấu quay vòng hành tinh một cấp khi máy
kéo quay vòng đợc thực hiện tơng tự nh sự làm việc của cơ cấu quay vòng ly hợp chuyển h-
ớng. Về mặt động học cũng đợc nghiên cứu tơng tự nh đã trình bày ở cơ cấu quay vòng ly
hợp chuyển hớng.
9.2. Mô men cản quay vòng của máy kéo xích
Khi máy kéo chuyển động vòng do các dải xích xoay tơng đối quanh các điểm O
1

và
O
2
, giữa xích và mặt đờng xuất hiện lực ma sát và các phản lực bên chống lại sự quay
vòng. Các lực này tạo ra một mô men cản M
P
và đợc gọi là mô men cản quay vòng. Ngoài
ra còn có lực quán tính ly tâm, lực cản kéo ở móc cũng góp phần chống lại sự quay vòng
của máy kéo .
Trớc hết ta xét trờng hợp đơn giản nhất với giả thiết (Hình 9.4): khi máy kéo chuyển
động vòng trên mặt đất nằm ngang với vận tốc nhỏ và ổn định, không có lực cản kéo ở
móc, áp suất và các phản lực ngang cũng phân bố đều theo chiều dài mặt tựa của xích.
Trong trờng hợp này ta có thể bỏ qua lực ly tâm, các tâm xoay của các dải xích O
1
và
O
2
sẽ đợc phân bố tại các điểm giữa của chiều dài mặt tựa của các dải xích L. Sơ đồ các
phản lực tạo ra mô men cản quay vòng đợc biểu thị trên hình 9.4. Mô men cản quay vòng
của máy kéo trong trờng hợp này chỉ do sự xoay của các dải xích gây ra và có thể đợc xác
định nh sau:
Giả sử trọng lợng máy kéo G đợc phân bố đều trên hai dải xích, trên một đơn vị chiều
128
Hình 9.3
Sơ đồ cơ cấu quay vòng
hành tinh một cấp


P
h

P
b

2

1
dài của các nhánh xích tiếp đất sẽ chịu tác động một phản lực bên
dF = à(0,5G)/L
Ttrong đó à hệ số cản quay vòng, bao gồm hệ số ma sát và hệ số chống biến dạng
của đất; 0,5G phần trọng lợng của máy kéo tác động lên một dải xích.
Với giả thiết trên, hợp lực của các phản lực bên tác dộng lên các dải xích sẽ nh nhau
và có thể đợc xác định theo công thức:

42
5,0
21
GL
L
G
FF
à
à
===
Từ sự cân bằng mô men của các lực lấy đối với điểm O
0
ta xác định đợc mô men cản
quay vòng do các dải xích gây ra:


42

)(2
21
GLL
FFM
p
à
=+= (9. 7)

Biểu thức (9.7) cho thấy mô men cản quay vòng tăng tỷ lệ thuận với trọng lơng máy
kéo , chiều dài mặt tựa xích và hệ số cản quay vòng à.
Hệ số cản quay vòng à phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh : hệ số ma sát giữa xích và
mặt đờng , các tính chất cơ lý của đất và tình trạng mặt đờng , các thông số cấu tạo của xích
và sự phân bố áp suất lên mặt đờng và bán kính quay vòng của máy kéo . Trị số của hệ số
à thay đổi đổi trong một giới hạn rộng tuỳ thuộc vào điều kiện chuyển động của máy kéo.
Trên hình 9.5 biểu thị sự phụ thuộc của hệ số à vào bán kính quay vòng tơng đối R/B của
một loại máy kéo xích có lớp lực kéo 3 tấn khi quay vòng trên hai loại đất khác nhau. Qua
đố ta thấy ảnh hởng của bán kính quay vòng là rất đáng kể, nhất là khi quay vòng với bán
kính nhỏ.
Khi tính toán sơ bộ, có thể tính hệ số à theo công thức thực nghiệm :

B
R
15,0925,0
max
+
=
à
à
(9,8)
129

Hình 9.5
ảnh hưởng của bán kính quay vòng
đến hệ số cản
à
1- trên ruộng gốc rạ; 2- trên đất đã cày
à
0,9
2
1
0,6
0,4
0,2
5
R/B
15
10
0
Hình 9.4
Sơ đồ xác định mô men quay
vòng khi chạy khồng tải

.L/2
F
2
F
1
L/4
L/4
0
2

0
1
0
0
L/2
F
2
F
1

B
trong đó : à
max
hệ số cản khi máy kéo quay vòng với bán kính nhỏ nhất (R = 0,5B). Số
liệu thực nghiệm cho thấy hệ số à
max
chủ yếu phụ thuộc vào điều kiện mặ đờng và độ lớn
của nó thay đổi trong khoảng à
max
= 0,7 1, giá trị nhỏ hơn ứng với loại đất mềm và giới
hạn dới ứng với loại đờng cứng.
Lực cản kéo ở móc và lực ly tâm cũng là các yếu tố gây ảnh hởng lớn đến khả năng
quay vòng của máy kéo, đặc biệt là khi làm việc với tải trọng kéo lớn hoặc chuyển động
với tốc độ cao . Để nghiên cứu sự ảnh hởng này ta cũng chấp nhận những giả thiết đã nêu ở
phần nghiên cứu sự quay vòng khi máy kéo chạy không , nhng sẽ đợc kể đến sự ảnh hởng
của lực kéo và lực ly tâm. Sơ đồ xác định mô men cản quay vòng của máy kéo đợc trình
bày trên hình 9.6.
Khi quay vòng, tại trọng tâm máy kéo sẽ xuất hiên lực ly tâm P
lt
và ta có thể phân

tích thành hai thành phần : P
ltX
và P
ltY
. Lực kéo ở móc P
T
nghiêng với phơng dọc của máy
kéo một góc và cũng đợc phân tích thành : P
T
cos và P
T
sin.
Các thành phần ngang của lực ly tâm P
ltY
và của lực kéo P
T
sin sẽ làm tăng thêm mô
men cản quay vòng, còn các thành phần dọc của chúng sẽ làm xê dịch các tâm xoay của
các dải xích O
1
và O
2
do đó gây ra thay đổi cả tâm xoay của máy kéo O
0
. Thực chất các
thành phần lực dọc làm thay đổi vị trí tâm áp lực của máy kéo nh đã nghiên cứu ở chơng 4.
Lực kéo thờng lớn hơn nhiều so với lực quán tính ly tâm vì tốc độ chuyển động của máy
kéo xích không lớn. Trong trờng hợp này các điểm O
1
, O

2
và O
0
sẽ dich về phía sau một
đoạn x
0
so với điểm giữa của dải xích.. Do đó làm thay đổi sự phân bố áp suất lên đất và sự
phân bố các thành phần phản lực bên và dẫn đến sự thay đổi mô men cản quay vòng của các
dải xích. Để tính đến sự ảnh hởng này ngời ta đa thêm vào công thc tính mô men cản quay
vòng khi máy kéo chạy không (9.7) một hệ sô k , có trị số lớn hơn 1.
àGL
M
P
=k (9.9)
4
Từ sự phân tích trên và dựa vào sơ đồ lực trên hình 9.6 ta có thể xác định đợc mô
men cản quay vòng tổng cộng M
c

àGL
M
c
= k + P
T
sin(l
T
x
0
) + P
ltY

(a + x
0
) (9.10)
4
trong đó: l
T
khoảng cách từ điểm móc máy nông nghiệp đến điểm giữa của chiều dài mặt
130


L/2
L/2
0
2
0
1
0
0
C
a
x
o
l
T
P
LT
P
LTX
P
LTY

P
T
M
P
Hình 9.6
Sơ đồ xác định mô men cản
quay vòng khi có lực cản kéo