【汽车理论教程】第七章 汽车的通过性.ppt

第七章 汽车的通过性 汽车的通过性（越野性）是指它能以足够高的平均 车速通过各种坏路和无路地带（如松软地面、凹凸不平 地面等）及各种障碍（如陡坡、侧坡、壕沟、台阶、灌 木丛、水障等）的能力。 通过性又分为支承通过性和几何通过性。 通过性取决于地面的物理和力学性质及汽车的结构 参数和几何参数。 返回目录 1 第一节 汽车通过性评价指标及几何参数 第七章 汽车的通过性 本节将主要介绍汽车支承通过性的评价指标 和影响通过性的汽车几何参数。 返回目录 2 一、汽车支承通过性评价指标 汽车支承通过性的指标评价：牵引系数、牵引效率及燃 油利用指数。 单位车重的挂钩牵引力（净牵引力）。表明汽车在松软 地面上加速、爬坡及牵引其他车辆的能力。 汽车的挂钩牵引力；g汽车重力。 第七章 汽车的通过性 1.牵引系数tc 3 驱动轮输出功率与输入功率之比。反映了车轮功率传递过 程中的能量损失。 单位燃油消耗所输出的功， 。 式中，qt为单位时间内的燃油消耗量。 第一节 汽车通过性评价指标及几何参数 2.牵引效率（驱动效率）te 3.燃油利用指数ef 式中， 为汽车行驶速度；tw为驱动轮输入转矩；为驱 动轮角速度；r为驱动轮动力半径； 为滑转率。 4 二、汽车通过性几何参数 间隙失效：汽车与 地面间的间隙不足而 被地面托住，无法通 过的情况。 顶起失效：当车辆中间底部的 零件碰到地面而被顶住的情况。 触头失效：当车辆前端触及地 面而不能通过的情况。 托尾失效：当车辆尾部触及地 面而不能通过的情况。 与间隙失效有关的汽车整车几何尺寸，称为汽车通过性 几何参数，包括最小离地间隙、纵向通过角、接近角、离去 角、最小转弯直径等。 第一节 汽车通过性评价指标及几何参数 5 （1）最小离地间隙h 汽车满载、静止时，支承平面与汽车上的中间区 域最低点之间的距离。 它反映了汽车无碰撞地通过地面凸起的能力。 第一节 汽车通过性评价指标及几何参数 6 （2）纵向通过角 汽车满载、静止时，分别通过前、后车轮外缘作垂 直于汽车纵向对称平面的切平面，两切平面交于车体 下部较低部位时所夹的最小锐角。 它表示汽车能够无碰撞地通过小丘、拱桥等障碍物 的轮廓尺寸。 第一节 汽车通过性评价指标及几何参数 7 （3）接近角1 汽车满载、静止时，前端突出点向前轮所引切线与 地面间的夹角。 1越大，越不容易发生触头失效。 第一节 汽车通过性评价指标及几何参数 8 （4）离去角2 汽车满载、静止时，后端突出点向后轮所引切线与 地面间的夹角。 2越大，越不容易发生托尾失效。 第一节 汽车通过性评价指标及几何参数 9 （5）最小转弯直径 转向盘转到极限位置、汽车以最低稳定车速转向行驶时， 外侧转向轮的中心平面在支承平面上滚过的轨迹圆直径。 它表征了汽车能够通过狭窄弯曲地带或绕过不可越过的障 碍物的能力。 第一节 汽车通过性评价指标及几何参数 10 （6）转弯通道圆 转向盘转到极限位置、汽车以最低稳定车速转向行驶时 ，车体上所有点在支承平面上的投影均位于圆周以外的最大 内圆，称为转弯通道内圆；车体上所有点在支承平面上的投 影均位于圆周以内的最小外圆，称为转弯通道外圆。 第一节 汽车通过性评价指标及几何参数 11 第一节 汽车通过性评价指标及几何参数 本节内容结束 下一节 12 第二节 松软地面的物理性质 第七章 汽车的通过性 本节将主要介绍土壤的物理性质，包括土壤的抗压性 和抗剪性。 抗压性直接影响到车辆通过时的滚动阻力；抗剪性直 接影响到在土壤条件下驱动轮所能产生的最大驱动力，即 附着力。 返回目录 13 一、土壤切应力与剪切变形的关系 对于粘性土壤或雪，最大切应力仅与土壤或雪的粘聚 性和轮胎与地面的接地面积有关 式中，a为驱动轮的接地面积；c为土壤或雪的粘聚系数。 第七章 汽车的通过性 1.粘性土壤的最大土壤推力 14 对于摩擦性土壤（干沙、冻结的粒状雪），按照库仑 摩擦定律，最大切应力与负荷w成正比地增加 式中，w为作用在驱动轮上的垂直载荷， 为摩擦角。 第二节 松软地面的物理性质 2.摩擦性土壤的最大土壤推力 15 大部分土壤既不是纯粘性土壤，也不是纯摩擦性壤， 而是这两种土壤的混合物，此时最大土壤推力为 第二节 松软地面的物理性质 3.中性土壤的最大土壤推力 思考：在什么样 的土壤条件下， 增加驱动轮上的 垂直载荷有利于 提高车辆的通过 性？ 16 4.剪切强度max 两边同除以面积a 式中，max为为剪切强度；为为剪切面法向压压力。 第二节 松软地面的物理性质 17 5.土壤的切应力与剪切变形的关系 对于“脆性”土壤 第二节 松软地面的物理性质 式中，k1、k2为系数，j为剪切变形量， 为 中的最大值。 土壤的切应力与剪切变形的关系曲线 18 5.土壤的切应力与剪切变形的关系 对于“塑性”土壤 第二节 松软地面的物理性质 式中，k为土壤剪切变形模数。 土壤的切应力与剪切变形的关系曲线 19 二、土壤法向负荷与沉陷的关系 如果将一块表示充气轮胎或履带接地面积的平板用 均匀负荷压入地面土壤，静止沉陷量 z 和单位压力 p 之 间的关系如下。 式中， 为土壤的“粘聚”变形模数； 为土 壤的“摩擦”变形模数；b 为承载面积的短边 长；z 为土壤沉陷量；n 为沉陷指数。 第二节 松软地面的物理性质 20 三、半流体泥浆及雪的密度对通过性的影响 车辆在半流体泥浆中所受到的阻力除与其行驶速度、浸 入面积等有关外，还与泥浆的密度及阻力系数cd有关，及 cd越大，阻力也越大。 车辆在雪地的通过性，与雪的密度及厚度有关。如果雪 层厚度小于汽车的离地间隙，车辆可以通过，与雪的密度无 关。如果雪的厚度大于汽车离地间隙的150%时，轻型汽车 可在密度大于350kg/m3的雪地上通过，重型汽车可在密度大 于500kg/m3的雪地上通过。这里均指没有渗过水的雪，渗有 水的雪密度大，但强度却很低。 第二节 松软地面的物理性质 21 本节内容结束 下一节 第二节 松软地面的物理性质 22 第三节 车辆的挂钩牵引力 第七章 汽车的通过性 本节将分析车辆在松软土壤条件下行驶时所遇到 的各种滚动阻力；分析松软地面给履带和驱动轮的土 壤推力，从而确定车辆的挂钩牵引力。 返回目录 23 一、车辆在松软地面上的土壤阻力 土壤的压实阻力 推土阻力 轮胎的弹滞损耗阻力 当车辆在松软地面 上行驶时，滚动阻力 由三部分构成： 第七章 汽车的通过性 24 1.刚性车轮滚动时的土壤阻力 假设土壤对车轮的反力沿径向 车轮的受力平衡方程为 土壤压实阻力；w 垂直载荷；b 车轮宽度。 第三节 车辆的挂钩牵引力 ， 25 第三节 车辆的挂钩牵引力 当沉陷量较小时 1.刚性车轮滚动时的土壤阻力 26 将z0代入 表达式，得到压实土壤阻力 增加车轮直径和宽度都能降低压实土壤阻力，但增加 车轮直径比增加宽度更有效，即直径越大，沉陷量越小。 思考：suv越野汽车和轿车相比，哪种车型的轮胎直径应 该更大？为什么？如果汽车在松软地面上行驶，降低压实 阻力的有效措施有哪些？ 第三节 车辆的挂钩牵引力 1.刚性车轮滚动时的土壤阻力 27 式中，z0 为沉陷量；s 为单位体积土壤重量；c为粘聚系数；b为轮 胎宽度。 在松软地面上，除了压实土壤阻力外，滚动着的车轮前缘将推 动土壤形成隆起的前缘波，产生推土阻力 ： 式中， 及 nr 是土壤承载能力系数； 为摩擦角。 第三节 车辆的挂钩牵引力 28 式中 在很松软的地面上，推土阻力 可用下式估算 及 是局部剪切失效时土壤承载能力系数； 第三节 车辆的挂钩牵引力 29 在泥浆地面，车辆浸入泥浆部分的形状对运动阻力的 影响特别明显，此时推土阻力大于压实阻力而成为主要 矛盾。在有硬底层的粘性泥浆里行驶的车辆，推土阻力 的大小决定于泥浆的密度、粘度、行驶速度 以及 车辆行走部分浸入泥浆中的尺寸，即 式中，cd为泥浆的阻力系数，是雷诺数re的函数， ，h为浸入泥浆的深度；a为浸入泥浆中的 面积。 第三节 车辆的挂钩牵引力 30 2.充气轮胎的土壤阻力 当轮胎按照刚性轮一样维持圆形，轮胎圆周上最 低点处土壤的支承压力为 由此式确定的pg值称为充气轮胎的临界压力 。 如果 ，轮胎维持圆形。 第三节 车辆的挂钩牵引力 31 pc可由试验测得。 第三节 车辆的挂钩牵引力 32 部分轮缘将变成平面，接地压力为 第三节 车辆的挂钩牵引力 33 轮胎变形t引起的弹滞损失是充气轮胎滚动时的弹 滞损耗阻力 。 单位负荷弹滞损 耗阻力 式中，为经验系数。 第三节 车辆的挂钩牵引力 34 3.履带的土壤阻力 如果刚性履带下的土壤压 力均匀分布，土壤沉陷量为 ： 在地上压出一条长 l、宽 b、深 z0 的履带车辙时所作的功为 如果用拉力 将履带拖行水 平距离l，所作的功 应该等 于上式的功。 在接地压力不变的条件下，增加履带接地长度比加宽履带对减小压 实阻力更有效。 第三节 车辆的挂钩牵引力 35 4.前后串联车轮和车轮重复通过时的土壤压实阻力 当车轮第二次通过松软的土壤时，土壤阻力会有所 减小。 一般越野汽车都是采用前、后轮距相等，并均为单 胎的形式，以减小在松软地面上行驶时的阻力。 第三节 车辆的挂钩牵引力 36 二、松软地面给车辆的土壤推力 1.履带的土壤推力与滑转率 履带获得的推力是由于地面土壤被履刺推动、剪切而产生的 。 思考：在纯摩擦性土壤条件下 ，推力主要与车辆的什么参数 有关？在粘性土壤条件下，推 力又受什么因素的影响？ 第三节 车辆的挂钩牵引力 37 滑转率可以表明滑转的程度 式中， 为车辆的实际速度； 为车辆的理论速度， =r； r 为履带驱动链轮的的节圆半径，为驱动轮角速度；us 为履 带相对地面的滑动速度。 履带某接地点的剪切变形 第三节 车辆的挂钩牵引力 38 单位履带宽的土壤推力等于切应力曲 线下包含的面积： 设履带给地面的法向压力均匀分布 长而窄的履带比短而宽的履带的滑转率小， 这有利于通过性，但履带过长会使转向困难。 第三节 车辆的挂钩牵引力 39 2.驱动轮的土壤推力与滑转率 驱动轮的运动情况比履带复杂，一般采用履带的土壤 推力公式来估算。 第三节 车辆的挂钩牵引力 40 其中，法向正压力 由 确定 第三节 车辆的挂钩牵引力 2.驱动轮的土壤推力与滑转率 41 车辆的土壤推力fx与土 壤阻力 fr 之差，称为挂钩 牵引力 三、挂钩牵引力 第三节 车辆的挂钩牵引力 土壤条件、接地面积和产生的驱动力相 同的条件下，不同行走机构的滑动率 类类型滑动动率 (%) 直径大宽宽度小的轮轮 胎 40 直径小宽宽度大的轮轮 胎 100 履带带10 在松软土壤条件下，相对于运动方向窄长的接地面积比较理想。 42 第三节 车辆的挂钩牵引力 本节内容结束 下一节 43 第五节 间隙失效的障碍条件 第七章 汽车的通过性 本节将介绍顶起失效和触头失效两种间 隙失效情况下的障碍条件。 返回目录 44 一、顶起失效的障碍条件 第七章 汽车的通过性 汽车通过由两个 相交平面形成的凸 起障碍时，障碍顶 点a的轨迹为直径 等于dr的圆，dr称 为地隙直径。 45 一、顶起失效的障碍条件 第七章 汽车的通过性 当hb，后轮是限制汽 车越过台阶的因素。 第六节 汽车越过台阶、壕沟的能力 将 代入 59 当前轮与台阶相碰时， 以 代入，可以求出 (hw/d)1 。(hw/d)1随l/d的增加而 降低；增加a/l时，可以使44汽车前轮越过台阶的能力显著提高，甚至可 使车轮爬上高度大于其半径的台阶。 第六节 汽车越过台阶、壕沟的能力 60 当后轮与台阶相碰时 a/l比值的影响正好与前轮越过台阶的情况相反。长轴距、前轴负荷大 的汽车（即a/l较小），其后轮越过台阶的能力要比前轮大。较大的l/d比 值时，不论汽车总质量如何在轴间分配，总会改善后轮的越障能力。 第六节 汽车越过台阶、壕沟的能力 61 第六节 汽车越过台阶、壕沟的能力 42汽车的 越障能力要比 44差很多。 44汽车的越 障能力与a/l的比 值有关，基本取 值如图中的阴影 所示。 62 第六节 汽车越过台阶、壕沟的能力 只要已知车轮越过垂直障碍的能力hw/d，就可 用上式确定越过沟壕的宽度ld。 用同样的方法解汽车越过壕沟的问题时，沟宽与 车轮直径之比ld/d与上面求得的hw/d值用下式换算。 63 本节内容结束 下一节 第六节 汽车越过台阶、壕沟的能力 64 第七节 汽车的通过性试验 第七章 汽车的通过性 返回目录 65 第七章 汽车的通过性 一、通过性试验的主要内容 汽车几何参数的测定挂钩牵引性能的测定 通过性试验 的内容包括 ： 66 通过性几何参数在满载情况下测定，也可在按比例 画出并经实践校正的汽车外形图上用作图法求得。 汽车越野行驶的挂钩牵引性能应在各种典型的坏路 下，尤其应在各种典型的无路地区进行测定，如泥泞、 沼泽、水田、松软土壤、沙漠、草原、雪地等。所测定 的参数包括土壤阻力、汽车的挂钩牵引力、汽车行驶的 滑转率以及轮胎在给定胎压下的接地面积与接地比压、 驱动车轮上的转矩等。 还应进行越障性能的试验，以检验汽车通过某些典 型障碍的能力，如陡坡、侧坡、凸岭、路沟、壕沟、弹 坑、灌木丛、河流、土坎、田埂及台阶等。 第七节 汽车的通过性试验 67 二、土壤参数的测定 测量土壤参数常用贝氏仪，由加载装置、测试装置和 数据采集及处理装置三部分组成。