【汽车理论教程】第七章汽车的通过性.ppt

1,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,2,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,3,一、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,4,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。,5,二、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,6,（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,7,（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,8,（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,9,（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,10,（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,11,（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,12,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,13,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,14,一、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,15,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,16,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？,17,4.剪切强度max,两边同除以面积a,式中，max为剪切强度；为剪切面法向压力。,第二节 松软地面的物理性质,18,5.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,19,5.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,20,二、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,21,三、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,22,本节内容结束,下一节,第二节 松软地面的物理性质,23,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,24,一、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,25,1.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,，,26,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,27,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,28,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,29,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,30,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,31,2.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,32,pc可由试验测得。,第三节 车辆的挂钩牵引力,33,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,34,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,35,3.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,36,4.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,37,二、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,38,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,39,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,40,2.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,41,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,42,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,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。,43,第三节 车辆的挂钩牵引力,本节内容结束,下一节,44,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,45,一、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。,46,一、顶起失效的障碍条件,第七章 汽车的通过性,当h0时，发生顶起失效；,h=0时，是汽车通过障碍的极限尺寸。此时，bac所对的角即为汽车的纵向通过角。,47,顶起失效的障碍条件为,或,式中， 为汽车中部地隙；d为车轮直径；dr为地隙直径。,顶起条件为,第五节 间隙失效的障碍条件,48,0为障碍的上升平面与下降平面的夹角，,第五节 间隙失效的障碍条件,可以求出在顶起失效的情况下，汽车中部地隙 与轴距l、车轮直径d及角之间的关系。,49,发生触头失效的条件是,其中,第五节 间隙失效的障碍条件,二、触头失效的障碍条件,50,第四节 牵引通过性计算,第七章 汽车的通过性,计算车辆牵引通过性时，首先要确定轮胎与土壤接触面的形状及接触面上的应力分布，然后列出车轮受力平衡方程并求解，从而得到车辆牵引通过性参数。,返回目录,51,第四节 牵引通过性计算,假设轮胎与土壤接触界面为一段平面加一段圆弧面。,切应力的分布满足,压力的分布满足,52,式中，p1、1为接触圆弧面上的法向及切向应力；p2、2为接触平面上的法向及切向应力；l为接地平面部分长度；b为轮胎宽度。,第四节 牵引通过性计算,53,接地圆弧面上各点的沉陷为,圆弧面上各点的法向应力为,p2为轮胎接地压力,在b 点，,第四节 牵引通过性计算,54,第四节 牵引通过性计算,求出 和,牵引系数tc和牵引效率te,通过计算机程序可迭代求解出1 和2,55,本节内容结束,下一节,第四节 牵引通过性计算,56,本节内容结束,下一节,第五节 间隙失效的障碍条件,57,第六节 汽车越过台阶、壕沟的能力,第七章 汽车的通过性,越野行驶中的汽车常常要克服台阶、壕沟等障碍，这时由于车速很低，可用静力学平衡方程来求得障碍物与汽车参数间的关系。,返回目录,58,式中，g为汽车总重力；f1为台阶作用于前（从动）轮的反作用力；f2为后轴负荷。,消去g、f1、f2,式中，(hw/d)1为前轮单位车轮直径可克服的台阶高度，表示前轮越过台阶的能力。l/d越小及a/l越大， (hw/d)1 就越大，汽车的前轮越容易越过台阶。,第六节 汽车越过台阶、壕沟的能力,将 ， 代入,59,式中，f1为前轴负荷； f2为台阶作用于后（驱动）轮的反作用力。,式中，(hw/d)2为后驱动轮单位车轮直径可克服的台阶高，表示后轮越过台阶的能力。后轮越过台阶的能力与汽车参数无关。由于ab，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,60,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,61,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,62,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。,63,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。,64,本节内容结束,下一节,第六节 汽车越过台阶、壕沟的能力,65,第七节 汽车的通过性试验,第七章 汽车的通过性,返回目录,66,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：,67,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、