车辆的通过性与车辆行走机构形式的关系.doc

工程机械地面力学与作业理论学院：工程机械学院 学号：2504091012 姓名：王亚怀指导老师：杨士敏日期：2012.4.16车辆的通过性与车辆行走机构形式的探讨王亚怀（长安大学 机制十班 2504091012 陕西 西安 710010）摘要：车辆的通过性（越野性）通常是指车辆在困难路面及无路地段行驶时所表现的特性，一般包括车辆的动力性，车辆的机动性，车辆的经济性。如对于牵引型的车辆，则首先要求其牵引性能，可由单位质量的有效牵引力，牵引功率，牵引效率来表征。对越野运输型的车辆，则以运输能力和运输效率来评价。但从车辆地面力学角度来看，车辆的越野性能主要指车辆在松软地面上的通过性。关键词：车辆 通过性 行走机构 通过性指标 车辆的通过性根据路面对车辆通过性影响的原因，它又分为了支承通过性和几何通过性。车辆的通过性主要取决于地面的物理性质及车辆的结构参数和几何参数；同时，它还与车辆的其他性能密切相关！通过研究车辆通过性与车辆行走机构形式的探讨，可以对设计车辆，以及车辆的越野性具有指导意义。一车辆的通过性指标及几何参数 车辆在松软土地上通过性的评价指标：即认为用单位车重的有效牵引力（或后备牵引力）这个指标来评价车辆在松软地面上的通过性较为合适。这个牵引力越大，则车辆的爬坡能力和超越障碍的能力越大，车辆的加速性能也越好。所以车辆的通过性指标S可用下式表示：S=（FhmaxFc）/W=fFHmax切线牵引力的最大值；Fc行驶阻力；W车辆重量；附着系数；f外部行驶阻力系数。1. 车辆支承通过性评价指标目前，常采用相对牵引力，牵引效率及燃油消耗率三项指标来评价；相对牵引力：单位车重的挂钩牵引力（有效牵引力）。它表明车辆在松软地面上加速，爬坡及牵引其他车辆的能力；牵引效率：驱动轮输出功率与输入车辆功率之比。它反映了功率传递过程中的能量损失；燃油消耗率：单位燃油消耗所输出的功。2. 车辆通过性的几何参数由于车辆与地面间的间隙不足而被地面托住，无法通过的情况，成为间隙失效。当车辆中间底部的零件碰到地面而被顶住时，称为“顶起失效”：当车辆的前端或尾部触及地面而不能通过时，则分别称为“触头失效”和“托尾失效”。显然，后两种情况属于同一类失效。与间隙失效有关的车辆整车几何尺寸，称为车辆通过性的几何参数。这些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。（1） 最小离地间隙h：车辆满载、静止时，支承平面与车辆上的中间区域（0.8b范围内）最低点之间的距离。它反映了车辆无碰撞地通过地面凸起的能力。（2） 纵间通过角：车辆满载、静止时，分别通过前后车轮外缘作垂直车辆纵向对称平面的切平面，当两切平面交于车体下部较低部位时所夹的最小锐角。它表示车辆能够无碰撞地通过小丘、拱桥等障碍物的轮廓尺寸。越大，顶起失效的可能性越小，车辆的通过性越好。（3） 接近角1：车辆满载、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，越不易发生触头失效。（4） 离去角2：车辆满载、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，越不易发生托尾失效。（5） 最小转角直径dmin：当方向盘转到极限位置、车辆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。它在很大程度上表征了车辆能够通过狭窄弯曲地带或绕过不可越过的障碍物的能力。Dmin越小，车辆的机动性越好。（6） 转弯通道圆：当方向盘转到极限位置、车辆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内的最小外圆，称为转弯通道外圆。转弯通道内、外圆半径的差值为车辆极限转弯时所占空间的宽度，此值决定了车辆转弯时所需的最小空间；它越小，车辆的机动性越好。2 车辆行走机构的改进与通过性指标S的关系 改进车辆行走机构的主要目的之一，是提高有效牵引力与车重的比值（即通过性指标S），或者说提高牵引系数。由下式可知：S=（FHmax-Fc）/W=C/Pcp+tan-1/（n+1）L）*（Pcp/K）1/n要提高有效牵引力与车重的比值，有效的办法是减小单位面积接地压力Pcp。见笑Pcp既可提高单位车重的切线牵引力，又可降低行驶阻力。在难通过的地面条件下，这样做特别有效。可是，利用减轻车辆质量来减小单位面积接地压力的尝试，经过几十年的试验和实践，设计者很难取得突破，几乎已无能为力。因此，增加接地面积仍然是改进车辆性能的重要途径。但是，利用增加轮胎或者履带宽度的办法，来增加接地面积，效果也很微小。由于增加轮胎或履带的宽度，不但受到道路宽度和车辆“腹部”宽度的限制，而且给本身结构强度也带来不少的问题，同时也使行驶阻力增大。因此，可利用增加接地面积长度的办法，即采用狭长的接地面积，来降低接地压力，从而有效地提高单位车重的有效牵引力。这样一来，就导致了采用狭长的履带或大直径的低压轮胎。可是，继续加长履带，却涉及到转向问题，给转向带来困难。过去几十年，人们一直是用增大轮胎直径的方法来增加接地面积（当然轮胎的宽度也相应增大），但现在看来，这种做法似乎已经接近极限了。所以说，对现在的车辆而言，进一步降低接地压力Pcp比较困难，因为现有行走装置的形式限制了Pcp的降低，只有探索新的结构形式，才会使车辆的牵引性能有根本的改变。因此，人们必须从车辆及轮胎和履带的形式上进行改进，这样，就形成了铰接式车辆发展的理论和根据。对于铰接式车辆的试验表明，这种车辆有许多优点，如接地压力降低、行驶速度提高、生产和供应都比较经济。在高低不平的地面上行驶时，铰接式车辆可以保证车辆轴间载荷分配均匀，因此可以产生较大的牵引力。3 车辆的几何通过性 车辆在无路地区失去通过能力大部分不是由于土壤的坚实度和地面的不平度，而主要是因为不能越过各种几何障碍。车辆的越障性能也称为几何通过性，涉及车辆不能通过几何障碍物的原因和建立越过几何障碍物的条件。 （一）、车辆失去几何通过性的类型车辆在无路地面行驶时，由于碰到几何障碍物而失去通过性可分为以下几种类型：1、因牵引力或附着力不足而失去通过性当车辆在坡道上等速爬坡时，由于车重产生的上坡阻力和滚动阻力之和大于车辆所能发出的最大牵引力时，车辆就不能前进。当坡面或无坡的路面比较滑时，车轮或履带与地面的附着性能很差，尽管车辆动力传动系具有足够大的扭矩，由于行走装置打滑，车辆不能前进，甚至向后倒溜。泥泞或冰雪路面上经常会遇到这种情况。 2、因车辆轮廓碰到障碍物而失去通过性 当车辆越野行驶时，有时会由于车辆前、后、底部的突出部碰到障碍物而不能继续前进。包括：车辆的底部碰到凸形障碍，即所谓“托底”，使车辆悬起而失去通过性；车辆的前突出部碰到凹形障碍，使车辆被卡住而不能通过；若车辆尤其是轮式车辆的后悬较长，车的尾部也可能发生类似被凹形障碍卡住的现象。若凸形或凹形障碍的强度不高(如松软的土壤)，车辆有可能冲撞障碍物而强制通过。 3、因车辆失去稳定性而引起通过性的破坏车辆的稳定性包括横向稳定性和纵向稳定性，失稳包括横向倾覆和纵向倾覆。 4、因植物类障碍物挡住去路而影响通过性 若树木的间距大于车辆宽度，车辆可减速通过；若树木的间距小于车辆宽度，且树干直径足够大，则车辆无法通过，而不得不绕行，导致平均车速降低。这两种情况均使车辆的通过性变坏。（二）、车辆越障通过的条件车辆通过障碍物的能力不仅取决于障碍物的几何尺寸，也和车辆本身的几何尺寸及重心位置等有关。只有二者的适当组合才构成车辆通过的条件。 1、因车身悬起而失去通过性的条件假设车辆是静止的，由两个相交平面形成的凸起障碍物运动。那末，障碍平面交点所描出的A点的轨迹如图8-2所示，该轨迹理论上是帕斯卡螺线，但可近似地看作一个直径等于Dr的圆，该圆和前、后轮相切。圆Dr和车轮接触的B、C点由角0决定。而0又取决于车辆的极限位置，即当两个车轮正好要从障碍物的一个平面滚入另一个平面的情况。 BO 、 CO 和轴距L中心线的交点就是直径为Dr的圆的中心，而且 BO = CO = Dr/2 。 直径为Dr的圆决定了车轮间障碍物所占位置的总量，因此，由于车辆被抬起而丧失通过能力的条件为h0。此条件对横向通过的情况(见图8-3)也同样适用。 直径可按图8-4所示的简图确定。根据图8-4所示的几何关系，有： 式中：坡角。 图8-2车辆的纵向地隙图8-3车辆的横向地隙 由式(6-17)和式(8-2)可求得Dr，它是的函数： 根据图8-5，车辆失去通过性的条件为： (8-5) 式中：hg车辆离地间隙。 (8-6) 由式(8-5)和式(8-6)可得出如下的HUF条件： (8-7) 0和Dr可分别由式(8-2)和式(8-4)求出，故：若已知车辆的尺寸参数，就可绘出he。和的关系曲线，并评定不同车辆参数对HUF的影响。图8-4 地隙直径Dr的几何关系2、因车首碰壁而失去通过性的条件车辆因车身悬挂而失去通过性亦称顶起失效(HUF)，主要是由两个平面组成的凸起障碍物引起的，而车首碰壁丧失通过性(亦称栽头失效，简称NIF)则可能在车辆通过由二、三或四个平面组成的障碍物情况下发生。图8-5 hg与h1的几何关系图8-6表示一台通过两个平面组成的障碍物并驶进沟里的车辆的情况。深为h的沟底和地平面成一角度1。用圆圈代表的车辆前突出部自前轴向前延伸一个距离l1-l。 根据障碍物和车辆的几何关系，NIF发生的条件是 (8-9) 式中：车首碰壁时纵轴线的倾斜角。 这里，假定车辆前突出部位于车轮中心线的水平面上，仅仅是为了简化有关表达式。实际上，车辆前突出部可以放在任何水平面上，因为它所必须的校正既可不改变方法，也可不改变下面的推导。此外，大多数越野车辆的临界突出部位于图8-6所示的位置，因此，此处所提到的表达式在大多数情况下能够直接应用。图8-6 NIF的几何关系只要求出角，即可解方程(8-9)。而的解可直接从车辆与障碍物的如下几何关系中推出：(8-10)令经代数和三角换算后，式(8-10)转化为：（8-11）式(8-11)可用计算机求解，角在0的范围内选取。例如，当l=226.06cm，h=124.46cm，D=139.7cm，=11.5，因而，A=44.76，B=220.98，C=24.51，E=119.38。则车辆失去通过性的=32。确定后， NIF条件就可建立。在上述例子中，车首碰壁失去通过性将在 l1 335.28cm的情况下发生。即，车辆前凸出部自前轴不应该长于l1-l=109.22cm。如果超出这一长度，则车辆碰一坡角等于1，高为hr的那一坡壁面(见图8-6)。若该坡壁面足够坚硬，车辆就不可能继续前进。 对于由不同数目的平面以不同方式组合的凹形障碍物，可以用上述原理确定相应的NIF条件。3、车辆超越垂直路障的条件 轮式车辆超越阶状障碍及垂直凸起障碍的性能主要由它们所能克服的垂直障碍的高度来评定。现以 44轮式车辆为例进行越障计算。(1)前轮越障 图8-7示出了 44轮式车辆前轮超越阶状障碍的瞬间，即前轮即将离地时作用在车辆上的力及有关的几何尺寸。 N1和N2是地面作用于前后轮的反作用力。N1和N2是前后车轮与地面接触点处的推力，而是车轮与地面的附着系数。由此可列出整车垂直及水平方向力的平衡方程及前轴的力矩平衡方程：图8-7前轮越障时作用在车辆上的力及有关尺寸式中：W车辆重量的一半；作用于越障车轮上的反作用力与水平面的夹角；a前轴至车辆重心的水平距离；l车辆轴距；r车轮半径。若阶状障碍物的高度为h，此式为44轮式车辆前轮可超越障碍高度的无因次表达式。（2）后轮越障 44轮式车辆的后轮开始超越阶状障碍物时，作用在车轮上的力与相应的几何尺寸如图8-8所示。此时，前轮处于阶状障碍物的上部，车身呈 角倾斜。由图8-8可得整车垂直及水平方向力的平衡方程及后轴力矩的平衡方程：图8-8后轮越障时作用在车辆上的力及有关尺寸履带式车辆跨越垂直障碍物的能力显然比轮式车辆强得多，当履带车辆部分驶上垂直障碍物时，如果它的重心位于障碍物边缘的前方(见图8-9(a)，那么，它就会恢复水平位置。如果使代表车重的向量向后转动，并使垂直于此向量的线与履带后边相切 (见图8-9(b)，则当车辆在不同的倾斜角度时，1-1、2-2、3-3及4-4即为车辆在这样的角度下能超越的障碍物高度hw。由图8-9(b)，可以求得最大的hw值及相应的车辆最大倾斜角，也可直接求得在最大hw时履带的离去角，并能提供最优的前轮高度hi。一般认为hihwmax，一切高于hwmax的障碍物都会使车辆纵向倾覆。图8-9履带式车辆超越垂直障碍物的能力4、车辆通过壕沟的条件 轮式车辆所能克服的壕沟宽度在很大程度上取决于车轮直径和轴距等几何参数。因此，轮式车辆跨越壕沟的性能也和超越垂直障碍物的情况一样，可以用壕沟宽度ld与车轮直径D之比来评定。贝克认为，对同一轮式车辆来说，所能克服的垂直障碍高度与车轮直径之比h/D可以和ld/D相互转换，如图8-10所示。因而，若已知h，就可按图中曲线确定ld。图8-10 ld/D与h/D的关系曲线库纳(K.Kner)研究了履带式车辆的越障性能。他认为如果车辆的重心位于s+0.7（rf+rr）的一半距离，则车辆可以越过宽度为：的沟穴。式中，s为履带车辆前、后轮中心的距离；rf和rr分别为前、后轮