车辆与地面的关系课件

车辆与地面的关系概述车辆为什么会行驶？因为有动力（发动机）加大发动机的功率，是否车辆就一定跑得快？或把车辆吊起来，车有没有行驶能力？车辆必须与地面发生作用才能行驶。如何发生关系？必须通过车辆的行驶系与地面产生相互作用力。车辆是什么？在地面上具有自行能力的机器。包括：汽车、拖拉机、火车、工程施工机械、军用武器和机械等。车辆的组成：动力（内燃机、电动机、…）、底盘（传动系、行驶系、转向系和制动系）、工作（武器）装置、控制系统。自行式工程作业机械也是特殊的车辆。早先人们认为，只要加大轮胎或履带的接地面积（如增加轮胎数、降低轮胎气压或加大轮胎或履带的尺寸），减轻对地面的单位压力，同时安装大功率发动机，车辆就能有良好的通过松软地面的能力。根据这一概念曾设计出3轴10轮驱动（双后轴，每轴端各装双轮胎）的军用越野货车。但通过在第二次世界大战中使用，结果表明：在同样的轴荷下，双轮胎的行驶阻力增大，行驶效果并不佳。这就引起人们开始系统地研究轮胎、履带等在各种地面上的驱动力、阻力、下陷、滑转及滑移等的变化规律和相互关系，即车辆－土壤系统的相互关系，以解决车辆的通过性问题，来指导车辆的设计。

车辆－土壤系统所涉及的是深度在几十厘米以内的地面土壤，车辆又是在广阔的地面上、在不同的季节以较高的速度、对小范围饱和或非饱和的各种土壤施加复杂的载荷，使土壤在短时间内产生较大的变形。这与经典土力学所处理的建筑物地基与土壤的相互作用有较大的差异。建筑物地基是长年在固定地点、以相当大的静载荷或地震波、作用于较大范围、深达几十米的土壤，使土壤产生缓慢而相对微小的变化。因而不能完全采用经典土力学和土动力学的某些相类似的假定、理论、公式和方法。对于土壤物质的多样性和性质的多变性，车辆作用力的复杂性，土壤反应因应力路径、载荷历史而不同的特性，车辆－土壤系统力学逐步形成一门独特的新学科，它的形成和发展与机器力学、土力学、土动力学、连续介质力学、流变学、系统力学、随机过程和数理统计，以及新的分析方法和计算机技术的发展有者密切联系。一、地面土壤性质浅识

土是指覆盖在地表的没有胶结或弱胶结的松散颗粒的堆积物，是岩石风化的产物。岩石风化分为物理风化和化学风化。物理风化：岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，或受波浪的冲击、地震等引起各种力的作用，温度的变化、冻胀等因素使整体岩石产生裂隙、崩解碎裂成岩块、岩屑的过程。其特征是：量变过程，形成的土颗粒较粗。化学风化：岩体（或岩块、岩屑）与氧气、二氧化碳等各种气体、水和各种水溶液等物质相接触，经氧化、碳化和水化作用，使岩石或岩屑逐渐产生化学变化，分解为极细颗粒的过程。其特征是：质变过程，形成的土颗粒很细。

对一般的土而言，是物理风化和化学风化双重作用的产物。土从其堆积或沉积的条件来看可分为：残积土：岩石风化后仍留在原地的堆积物。特点：湿热地带，粘土，深厚，松软，易变；寒冷地带，岩块或砂，物理风化，稳定。

运积土：岩石风化后经流水、风和冰川以及人类活动等搬运离开生成地点后再沉积下来的堆积物。又分为冲积土、风积土、冰碛土和沼泽土等。

冲积土：由水流冲积而成；颗粒分选、浑圆光滑。

风积土：由风力带动土粒经过一段搬运距离后沉积下来的堆积物，没有层理的细砂或粉粒，如黄土。

冰碛土：由冰川剥落、搬运形成的堆积物，不成层、从漂石到粘粒。

沼泽土：在沼泽地的沉积物，含有机质、压缩性高、强度低。气相固相液相++构成土骨架，起决定作用重要影响土体次要作用土的组成土是固体颗粒、水和空气的混合物，常称土为三相系。

固相：土的颗粒、粒间胶结物；

液相：土体孔隙中的水；

气相：孔隙中的空气。粘土细砂粗砂碎石卵石碎石粘土

不同类型的土一、土的固相土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土骨架最基本的物质，称为土粒。土粒是从其矿物的成分、颗粒大小和形状来描述。粒组：把工程性质相近的土粒合并为一组。某粒组的土粒含量定义为该粒组的土粒质量与干土总质量之比。土的级配：土中各种大小的粒组中土粒的相对含量。通过土的颗粒大小分析试验测定土中各粒组颗粒质量占该土总质量的百分数，叫做确定粒径分布范围。土的级配的好坏可由土中的土粒均匀程度和粒径分布曲线的形状来决定。土的组成土颗粒大小粒组：按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类界限粒径：d(mm)d(mm)砾石砂粒粉粒粘粒胶粒6020.050.0050.0020.250.5520粗

中

细粗

中

细

极细0.1粗粒细粒二、土的液相（一）吸着水

强吸着水：性质接近于固体，冰点很低，沸点较高，且不能传递压力。

弱吸着水：也称为薄膜水，不能传递压力，也不能在孔隙水中自由流动，但它可以因电场引力的作用从水膜厚的地方向水膜薄的地方转移。由于它的存在，使土具有塑性、粘性、影响土的压缩性和强度，并使土的透水性变小。（二）自由水离开土颗粒表面较远，不受土颗粒电分子引力作用，且可自由移动的水称为自由水。分为毛细管水和重力水。1.毛细管水土中存在许多大小不同的相互连通的弯曲孔道，由于水分子与土粒分子之间的附着力和水气界面上的表面张力，引起迫使相邻土粒相互积紧的压力，这个压力称为毛管水压力。2.重力水在重力或水位差作用下能在土中流动的自由水称为重力水。具有溶解能力，能传递静水和动水压力，对土颗粒有浮力作用。当它在土孔隙中流动时，对所流经的土体施加渗流力（亦称动水压力、渗透力），计算中应考虑其影响。三、土的气相存在于土中的气体分为两种基本类型：一种是与大气连通的气体；另一种是与大气不连通的以气泡形式存在的封闭气体。絮状结构：絮状结构的特征是土粒之间以角、边与面的接触或边与边的搭接形式为主。这种结构的土粒呈任意排列，具有较大的孔隙，其强度低，压缩性高，对扰动比较敏感。土的絮状结构

土的物理性质指标用土的物理性质指标反映不同土的特征。常用的土的物理指标共有九个，（如含水率、密度、土粒比重、孔隙比、孔隙率、饱和度等），通过试验测定和指标换算得到。

土的三相图粘性土的稠度1、粘性土的稠度状态

稠度：指粘性土的干湿程度或在某一含水率下抵抗外力作用而变形或破坏的能力，是粘性土最主要的物理状态指标。有流动、软、可塑、硬等四种描述状态。

可塑性：土在外力作用下可改变形状，但不显著改变其体积，也不开裂，外力卸除后仍能保持已有的形状。黏性土的状态转变过程塑性指数：液限wL和塑限wp之差的百分数值（去掉百分号）。用Ip表示，即：用来进行粘性土的分类。塑性指数越高，土的粘粒含量越高。

国家《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002塑性指数Ip土的名称Ip>17粘土10<Ip≤17粉质粘土液性指数：定义为：

式中：w——土的天然含水率。液性指数表征了土的天然含水率与界限含水率之间的相对关系，表达了天然土所处的状态。工程上用来判别粘性土的状态。IL<0IL=0–1IL>1坚硬状态可塑状态流态0.00–0.25硬塑0.25-0.75可塑0.75–1.00软塑细粒土的分类试样中粒径小于0.075mm的细粒组质量多于或等于总质量的50％的土称为细粒土。细粒土应按下列规定划分：

1、试样中粗粒组质量少于总质量的25％的土称为细粒土；2、试样中粗粒组质量为总质量的25％～50％的土称含粗粒的细粒土；3、试样中含部分有机质的土称有机质土。细粒土可按塑性图进一步细分。土的工程分类用于分析细粒土的塑性图二、《建筑地基基础设计规范》中的地基土分类该规范按土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基土分为碎石土、砂土、粉土和粘性土四大类，然后再进一步细分。（一）碎石土的分类若土中粒径大于2mm的颗粒含量超过全重的50％，则该土属于碎石土。（二）砂土的分类若土中粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的50％、粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50％，则该土属于砂土。砂土又有砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂之分。土的工程分类3、粉土若土的塑性指数小于或等于10，粒径大于0.075mm的颗粒含量超过总量的50％，则该土属于粉土。4、粘性土的分类若土的塑性指数大于10，粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总量的50％，则该土属于粘性土。在静水或缓慢的流水环境中沉积，经生物化学形成，其天然含水率大于液限、天然孔隙比大于或等于1.5的粘性土称为淤泥。天然孔隙比小于1.5，但大于或等于1.0的粘性土称为淤泥质土。粘土：Ip>17粉质粘土：10<Ip<17土的工程分类土力学中应力符号的规定

材料力学+-+-土力学正应力剪应力拉为正压为负顺时针为正逆时针为负压为正拉为负逆时针为正顺时针为负③均匀一致各向同性体（土层性质变化不大时）②线弹性体（应力较小时）①连续介质（宏观平均）碎散体非线性弹塑性成层土各向异性Δσεεpεe线弹性体加载卸载土中应力的研究假定

实际假定土的非线性弹塑性应力应变曲线通过土壤力学理论，得到与车辆行驶有关的土壤物理特性描述指标，土的力学特性：即土的承压特性和土的剪切特性。

德国R.伯恩斯坦用公式q＝KZ1/2表示下陷量Z与单位接地面积压力q的关系（K为土壤变形模量），后来的研究者将公式普遍化为q＝KZn。英国的E.W.E.迈克尔思韦特提出，车辆的最大驱动力F，可以从C.A.de库仑土壤剪切应力公式τ＝c＋qtgφ（c为土壤单位面积内聚力；φ为土壤内摩擦角）推导而得，即F＝cA+qAtgφ（A为接地面积）。在加拿大国防部工作的M.G.贝克在此基础上进一步研究了土壤承载能力的稳定性，以及土壤塑性变形所引起的行驶阻力等问题，并提出更精确而普遍的公式式中b为加载面积的宽度或半径；Kc、Kф分别为土壤内聚变形模量和摩擦变形模量；K2、K1为实际测定的系数；Ymax是τ的表达式右端括号内部分的最大值，当此值达到最大时就是库仑公式τ=c+qtgφ，即为产生剪应力τ的土壤变形量。此式主要用于粘性不大的土壤。后来贝克将行走过程分解为加载和剪切过程，分别用承压仪和剪切仪测量土壤的Kc、Kф、n、c、φ和K6个参数，这6个参数称为贝氏值。建立的车辆地面力学理论，主要研究各种越野车辆与地面、地形之间的关系。是一门以改进车辆设计提高其通过性的边缘学科。它也是车辆学科研究者必须具备的知识和掌握的研究方法。车辆地面力学的研究方法：1、建立地面—车辆系统力学的理论。用土壤车辆力学的基本公式可以计算出车辆在不同的载荷和滑转系数下的驱动力、下陷量和滚动阻力，并推导出一些重要的新概念。例如，在沙地（内聚力c=0）上车辆的最大驱动力只与其重量W(=qA)有关，而与接地面积A无关；在泥浆（摩擦角φ=0）上最大驱动力只与接地面积A有关，而与重量W无关。又如对于接地面积A，如宽度大而长度小，则容易出现滑转，行驶效率不高。如窄长履带比宽短履带的牵引性能好…….。贝克还从动物的运动方式和相应的能量消耗对比推论，认为列车式是越野车辆的合理的车辆形态。根据这一理论研制出一些新车型，如在雪地行驶的囊式轮胎列车，在沼泽地行驶的无腹式履带车和间隔式履带板，螺旋推进式汽车，在月球上行驶的月球车(MO-LAB)等。在中国，利用这一理论研制出机耕船、水田拖拉机等。2、试验研究：地面车辆力学从一开始就是一门理论与试验并重的学科。不断地用现场试验来校核、修正土壤车辆力学的基本公式。

常用方法：模型试验和因次分析法。用模型试验来寻求和验证地面与车辆性能间的相互关系。把自然物理现象中与车辆行驶过程有关的因素按一定比例缩小后，放到试验室的土槽中进行观察测量，然后再把结果按一定比例放大，从而得到产生于原型中的物理现象。这种方法可以很好地控制所有参数和试验条件，对于一些简单的基本概念可以很快进行推断，并可消除或减少某些干扰因素。模型试验的理论基础是因次分析。这种方法的主要问题是地面性质的模型化问题。土壤的可行驶性是以额定圆锥指数来表示的，额定圆锥指数是圆锥指数与重塑指数的乘积。圆锥指数：是用标准圆锥仪压入土壤测得的圆锥单位底面积上的平均压力。重塑指数：是对细粒土壤进行重塑试验（将欲测土壤不经扰动装入一小圆筒，以规定的重锤自规定的高度落下，按规定次数来回捶击，称为重塑）。将重塑后的圆锥指数与重塑前的圆锥指数相比的值。为了可与土壤比较，又为各种车辆定出车辆圆锥指数。车辆圆锥指数：是车辆在同一车辙中通过50次后的土壤的最小额定圆锥指数。它受车重、行走机构类型、发动机功率、传动型式及地隙等因素的影响。只要土壤的额定圆锥指数等于或大于车辆圆锥指数，车辆就能在这种土壤上行驶。圆锥穿入度仪结构简单，应用很普遍，可用飞机投掷，其尾部结构可以按穿入深度而使不同颜色的翼片张开，能快速查明大面积地面的土壤可行驶性。各国的地面力学实验室都设置模拟土壤槽、测力车和其他试验设备，以测定土壤参数和土壤与车辆行走机构之间的力的关系。

3、车辆地面系统的计算机模拟仿真基于虚拟样机分析技术，用计算机软件对车辆地面系统进行模拟分析，是随着计算机技术发展而发展的方法。近年来发展很快出现了一些成熟的分析软件，通过改变各种土壤条件、参数和车辆的工况，进行车辆与地面的各种力学状态的模拟仿真分析，研究投入少，分析方法多样，试验条件的设置更灵活。如：多体动力学仿真软件RecurDyn、车辆动力学结构分析软件ADAMS、动态系统仿真软件MATLAB/Simulink等。它们一般都带有可以分析车辆行走系的工具箱，运用方便，通过引入的土壤弹塑性力学本构关系，对各种车辆地面力学模型进行了研究，可以分析各种地面模型的参数对车辆行驶性能的影响，得出各种地面模型所适合的实际路面，最后建立各种车辆模型。还可以对各种地面模型进行试验仿真分析，为进行车辆行驶的试验仿真提供路面依据。轮式车辆的牵引力、滚动阻力、功率消耗都与轮胎和地面的变形有关。二、轮式行走系与地面的关系影响轮胎与土壤接触表面形状的主要因素是土壤强度和轮胎刚度（主要是胎压）。下图表示了这种影响结果（从左到右，土壤强度由大变小，而胎压由低变高）。试验结果表明：根据轮胎的变形大小，其和软土壤的接触表面外形也有很大差别。主要有三种情况：1、轮胎径向变形较小是，轮胎和土壤的接触面为双凹形。轮胎相对径向变形较小时接触表面的形状2、当轮胎相对径向变形值（轮胎径向变形对轮胎截面高度之比）大于一定的数值（8％～10％）时，由图可见，中间接触区域的形状近于平面，其大小随着变形的增加而扩大。轮胎相对径向变形值较大时接触表面的形状3、当轮胎变形很大（＞20％的轮胎截面高度）时，外胎向相反方法挠曲，而在中间平面区域的接触表面变成曲率相反的凸形。当轮胎变形很大时接触表面的形状◆滑转率对接触表面形状影响低滑转率时，弹性轮胎在接地中间部分近似为平面；随着滑转率s的增加，轮胎在接地中间部位产生向上的挠曲。滑转率对轮胎接地形状的影响图◆轮胎与地面接触表面的形状轮胎和地面接触表面的尺寸较难确定，土壤性能和和轮胎结构、胎压等因素太多。研究者们做了许多工作。弹性轮胎在软土壤上的近似接触面形状和尺寸如图。接触面形状近似一个完整的椭圆，与轮胎断面宽、轮胎变形、土壤变形下陷、胎压等因素有关。◆滑转下陷的发生机理车轮的滑转下陷是轮胎下土壤颗粒运动的结果。轮胎下土壤颗粒的运动情况

车轮下土壤颗粒的运动由试验得出：车轮下壤颗粒的运动由两个区域组成。区域A的土壤颗粒顺时针方向移动，使土壤在车轮前凸起；而区域B的土壤颗粒逆时针方向移动，使土壤受到掘削而产生下陷。两个区域的大小因土壤特性的不同而异。试验表明：一般情况下，驱动轮下的砂土有两个流动破坏区，即向前的流动区和向后的流动区，并且流动破坏区的包络线可用对数螺旋线表示。前区随下陷的加深而扩大，后区则随滑转的增加而发展，同时，破坏形式由局部剪切变为整体剪切。轮下砂土流动破坏的两个区域并不总是同时存在，当滑转率较小或为零时，向后的破坏区基本上不存在；当轮胎变形较大或下陷量较小时前区也非常小甚至消失。反之，当轮胎变形很小或下陷量较大时，前区的界限非常明显，且范围也比较大。车轮下砂土