汽车的通过性汽车理论西南大学冀杰解析实用教案

1、第七章汽车(qch)的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。返回目录第1页/共77页第一页，共77页。第一节汽车通过性评价(pngji)指标及几何参数第七章 汽车(qch)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(yngxing)通过性的汽车几何参数。返回目录第2页/共77页第二页，共77页。一、汽车支承通过性评价(pngji)指标汽车支承通过性的指标评价：牵引系数、牵引效率(xio l)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(ji s)、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

2、.牵引系数TCdFd/TCFG第3页/共77页第三页，共77页。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(nngling)损失。单位燃油消耗(xioho)所输出的功， 。式中，Qt为单位时间内的燃油消耗(xioho)量。第一节 汽车通过性评价指标及几何(j h)参数wrdawd1TsrFuTFTE2.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。tadf/QuFE aurs第4页/共77页第四页，共77页。二、汽车通过性几何(j h)参数 间隙失效：汽车与地面间的间隙不足而被地面托

3、住，无法(wf)通过的情况。 顶起失效：当车辆中间底部的零件碰到地面(dmin)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第5页/共77页第五页，共77页。（1）最小离地间隙h 汽车满载、静止时，支承(zh chn)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(tnggu)性评价指标及几何参数第6页/共77页第六页，

4、共77页。（2）纵向通过角 汽车满载、静止时，分别通过前、后车轮外缘(wi yun)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(zhbio)及几何参数第7页/共77页第七页，共77页。（3）接近角1 汽车满载、静止(jngzh)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(pngji)指标及几何参数第8页/共77页第八页，共77页。（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(dmin)间的夹角。 2

5、越大，越不容易发生托尾失效。第一节 汽车通过性评价指标(zhbio)及几何参数第9页/共77页第九页，共77页。（5）最小转弯直径(zhjng) 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(zhjng)。 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(j h)参数mind第10页/共77页第十页，共77页。（6）转弯(zhun wn)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(zhun wn)通道内圆；车体上所

6、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(zhun wn)通道外圆。第一节 汽车通过性评价指标及几何(j h)参数第11页/共77页第十一页，共77页。第一节 汽车通过性评价指标及几何(j h)参数本节内容(nirng)结束下一节第12页/共77页第十二页，共77页。第二节松软地面(dmin)的物理性质第七章 汽车(qch)的通过性 本节将主要介绍(jisho)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。返回目录第13页/共77页第十三页，共77页。一、土壤切应力(yngl)

7、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(jid)面积有关AcFX式中，A为驱动轮的接地(jid)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第14页/共77页第十四页，共77页。 对于(duy)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(zuyng)在驱动轮上的垂直载荷， 为摩擦角。tanWFX第二节 松软地面(dmin)的物理性质2.摩擦性土壤的最大土壤推力第15页/共77页第十五页，共77页。 大部分土壤(trng)既不是纯粘性土壤(trng)，也不是纯摩擦性

8、壤，而是这两种土壤(trng)的混合物，此时最大土壤(trng)推力为tanWAcFX第二节 松软地面(dmin)的物理性质3.中性(zhngxng)土壤的最大土壤推力思考：在什么样的思考：在什么样的土壤条件下，增加土壤条件下，增加驱动轮上的垂直载驱动轮上的垂直载荷有利于提高车辆荷有利于提高车辆的通过性？的通过性？第16页/共77页第十六页，共77页。4.剪切强度(qingd)maxtanWAcFX两边(lingbin)同除以面积Atanmax c式中，max为剪切强度(qingd)；为剪切面法向压力。 第二节 松软地面的物理性质第17页/共77页第十七页，共77页。5.土壤(trng)的切应

9、力与剪切变形的关系jKKKjKKKyc12221222max1exp1exptan对于(duy)“脆性”土壤第二节 松软(sngrun)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maxy第18页/共77页第十八页，共77页。5.土壤的切应力(yngl)与剪切变形的关系对于“塑性(sxng)”土壤Kjc/exp1tanKj/exp1max第二节 松软(sngrun)地面的物理性质KKjKjjjmax0max0/expdd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第19页/共77页第十九页，共77页。二、土壤(trng

10、)法向负荷与沉陷的关系kbkkzkbkkzpcncn 如果将一块表示充气轮胎或履带接地面积的平板用均匀(jnyn)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(bin xng)模数； 为土壤的“摩擦”变形(bin xng)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ckk第20页/共77页第二十页，共77页。三、半流体泥浆及雪的密度(md)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(sd)、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

11、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(zhl)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第21页/共77页第二十一页，共77页。本节内容(nirng)结束下一节第二节 松软地面(dmin)的物理性质第22页/共77页第二十二页，共77页。第三节车辆(chling)的挂钩牵引力第七章 汽车(qch)的通过性 本节将分析(fnx)车辆在松软土壤条件下行驶时所遇到的

12、各种滚动阻力；分析(fnx)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。返回目录第23页/共77页第二十三页，共77页。一、车辆在松软地面上的土壤(trng)阻力土壤(trng)的压实阻力推土阻力(zl)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 汽车的通过性第24页/共77页第二十四页，共77页。1.刚性车轮滚动时的土壤(trng)阻力nczkbkp 假设土壤(trng)对车轮的反力沿径向车轮(ch ln)的受力平衡方程为0dsinrc0rbF0dcos0rbW 土壤压实阻力；W 垂直载荷；b 车轮宽度。zprddsinxprddcosckkn

13、zzzkbkbFnnzc100crc1d0第三节 车辆的挂钩牵引力xzkbkbxpbWnrrdd00sin0sin0c，rcF第25页/共77页第二十五页，共77页。 200202222zzzzDzzDDxzzzDxzDx02d2dd20tzzttzd2dttzDbkkWnzd0020c122c033nnDbkkWz第三节 车辆(chling)的挂钩牵引力当沉陷(chnxin)量较小时zzDx021.刚性车轮滚动时的土壤(trng)阻力第26页/共77页第二十六页，共77页。1222121c1222rc3131nnnnnDWbkknnF将z0代入 表达式，得到(d do)压实土壤阻力 增加车轮

14、直径(zhjng)和宽度都能降低压实土壤阻力，但增加车轮直径(zhjng)比增加宽度更有效，即直径(zhjng)越大，沉陷量越小。思考：思考：SUV越野汽车和轿车相比，哪种车型的轮胎越野汽车和轿车相比，哪种车型的轮胎(lnti)直径应直径应该更大？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？有效措施有哪些？第三节 车辆的挂钩牵引力rcFrcF1.刚性车轮滚动时的土壤阻力第27页/共77页第二十七页，共77页。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(lnti)宽度。 在松软地面上，除了压实土

15、壤阻力(zl)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(zl) ：prs20pc0rb5 . 0KzKczbF2cpccostan NK2rprcos1tan2NK式中， 及 Nr 是土壤(trng)承载能力系数； 为摩擦角。第三节 车辆的挂钩牵引力rbFcN第28页/共77页第二十八页，共77页。式中 在很松软(sngrun)的地面上，推土阻力 可用下式估算 及 是局部剪切失效(sh xio)时土壤承载能力系数；prs20pc0rb5 . 067. 0KzKczbF2cpccostanNK2rprcos1tan2NKtan32tan第三节 车辆(chling)的挂钩牵引力

16、cNrNrbF第29页/共77页第二十九页，共77页。 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(zhn xn)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2rbDa/2FCu A式中，CD为泥浆的阻力系数，是雷诺数Re的函数(hnsh)， ，h为浸入泥浆的深度；A为浸入泥浆中的面积。huRe/a第三节 车辆(chling)的挂钩牵引力au第30页/共77页第三十页，共77页。2.充气(chn q)轮胎的土壤阻力 当轮胎(lnti)按照刚性轮一样维持圆形，轮胎(

17、lnti)圆周上最低点处土壤的支承压力为212121cg033nnnnckkWpkzkbbn b D 由此式确定的pg值称为(chn wi)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gcipppcrp第31页/共77页第三十一页，共77页。pc可由试验(shyn)测得。第三节 车辆(chling)的挂钩牵引力第32页/共77页第三十二页，共77页。crcippp部分(b fen)轮缘将变成平面，接地压力为nkb/kppz1cci0nnnnbkknppbkbknzbF1c1cic10rc11第三节 车辆(chling)的挂钩牵引力icpp第33页/共77页第三十三页，

18、共77页。 轮胎变形t引起(ynq)的弹滞损失是充气轮胎滚动时的弹滞损耗阻力 。单位负荷(fh)弹滞损耗阻力 WFfrttiartpuWF 式中，为经验(jngyn)(jngyn)系数。第三节 车辆的挂钩牵引力iatpuf rtF第34页/共77页第三十四页，共77页。3.履带(ldi)的土壤阻力 如果刚性履带下的土壤压力(yl)均匀分布，土壤沉陷量为：1/1/0/nnccpW lzkbkkbk在地上压出一条(y tio)长 l、宽 b、深 z0 的履带车辙时所作的功为01101/0d11nnnzcnckzlWblp zblkbnlnkbk 如果用拉力 将履带拖行水平距离l，所作的功 应该等于

19、上式的功。1rc1/11nnncWFlnkbk 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rcFrcF l第35页/共77页第三十五页，共77页。4.前后(qinhu)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(xingdng)，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(chling)的挂钩牵引力第36页/共77页第三十六页，共77页。二、松软(sngrun)地面给车辆的土壤推力1.履带(ldi)的土壤推力与滑转率履带(ldi)获得的推

20、力是由于地面土壤被履刺推动、剪切而产生的。tantanmaxmaxWAccAAFX思考：在纯摩擦性土壤条件下思考：在纯摩擦性土壤条件下，推力主要与车辆的什么参数有推力主要与车辆的什么参数有关？在粘性土壤条件下关？在粘性土壤条件下，推力推力又受什么因素的影响？又受什么因素的影响？第三节 车辆的挂钩牵引力第37页/共77页第三十七页，共77页。 滑转率可以(ky)表明滑转的程度tstatruuuuus式中， 为车辆(chling)的实际速度； 为车辆(chling)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(ddin)的剪切变

21、形tujst/uxt xsuxujrts第三节 车辆的挂钩牵引力aututu第38页/共77页第三十八页，共77页。 单位履带宽的土壤推力等于切应力曲线下包含(bohn)的面积：00dtan1 exp/dllXFbxbcj Kx 设履带给地面(dmin)的法向压力均匀分布blWKlslsKWAc/exp11tanrrr0tan1 exp/dlXWFbcs x Kxbl 长而窄的履带(ldi)比短而宽的履带(ldi)的滑转率小，这有利于通过性，但履带(ldi)过长会使转向困难。第三节 车辆的挂钩牵引力第39页/共77页第三十九页，共77页。2.驱动轮的土壤(trng)推力与滑转率 驱动轮的运动(

22、yndng)情况比履带复杂，一般采用履带的土壤推力公式来估算。srtujtdcos11dr00s0 sinsin10r0sr第三节 车辆(chling)的挂钩牵引力第40页/共77页第四十页，共77页。 Kjc/exp1tan sinsin1exp1tan00rsKrc其中，法向正压力(yl) 由 确定nnzkbkkzpc 00dcosbrFX第三节 车辆(chling)的挂钩牵引力2.驱动轮的土壤(trng)推力与滑转率第41页/共77页第四十一页，共77页。车辆的土壤推力FX与土壤阻力 Fr 之差，称为(chn wi)挂钩牵引力三、挂钩(gugu)牵引力rdFFFX第三节 车辆(chlin

23、g)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型类型滑动率滑动率(%)直径大宽度小的轮胎直径大宽度小的轮胎40直径小宽度大的轮胎直径小宽度大的轮胎100履带履带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。第42页/共77页第四十二页，共77页。第三节 车辆(chling)的挂钩牵引力本节内容(nirng)结束下一节第43页/共77页第四十三页，共77页。第四节牵引(qinyn)通过性计算第七章 汽车(qch)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(fnb)，然后列出车轮受力平衡方程并求解，从而

24、得到车辆牵引通过性参数。返回目录第44页/共77页第四十四页，共77页。第四节 牵引(qinyn)通过性计算假设轮胎与土壤接触界面(jimin)为一段平面加一段圆弧面。Kj/exp1maxccnnkpkzkzbkkkb切应力(yngl)的分布满足压力的分布满足第45页/共77页第四十五页，共77页。2211sin2dsincos12rbpprbWxbprbFlddsincos0211d121212dtan1cosdsincos22211rbprb1212dcosd2212wrbbrTdtan1cosd12122222212brbr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

25、上的法向及切向应力；l为接地平面部分(b fen)长度；b为轮胎宽度。第四节 牵引(qinyn)通过性计算第46页/共77页第四十六页，共77页。接地圆弧面上(min shn)各点的沉陷为1coscos rzc1nkpkrb圆弧面上(min shn)各点的法向应力为 p2为轮胎(lnti)接地压力icg2pppp在B 点，21pp rkpn/coscos1g12第四节 牵引通过性计算1coscosn第47页/共77页第四十七页，共77页。Kjpc/exp1tan111Kjpc/exp1tan222 sinsin1111rsrj xsjjr12 12211tantancossinsin1rssr

26、rr第四节 牵引(qinyn)通过性计算 求出 和牵引(qinyn)系数TC和牵引(qinyn)效率TE通过计算机程序可迭代(di di)求解出1 和2dFwT第48页/共77页第四十八页，共77页。本节内容(nirng)结束下一节第四节 牵引(qinyn)通过性计算第49页/共77页第四十九页，共77页。第五节间隙失效(sh xio)的障碍条件第七章 汽车(qch)的通过性 本节将介绍(jisho)顶起失效和触头失效两种间隙失效情况下的障碍条件。返回目录第50页/共77页第五十页，共77页。一、顶起失效的障碍(zhng i)条件第七章 汽车(qch)的通过性汽车通过由两个相交平面形成的凸起障

27、碍时，障碍顶点A的轨迹为直径(zhjng)等于Dr的圆，Dr称为地隙直径(zhjng)。第51页/共77页第五十一页，共77页。一、顶起失效(sh xio)的障碍条件第七章 汽车(qch)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(hogu)的能力将代入02/2/0cossin0sincos112221221DfFGbLFDFGFFFFFfF22w11121Dh第59页/共77页第五十九页，共77页。当前轮与台阶(tiji)相碰时，02sin21cos2112LDLDLDLa 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

28、，可以使44汽车前轮越过台阶的能力显著(xinzh)提高，甚至可使车轮爬上高度大于其半径的台阶。Dh /21sinw第六节 汽车越过台阶、壕沟(hogu)的能力第60页/共77页第六十页，共77页。当后轮与台阶(tiji)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(nngl)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(nngl)。0cos2sin11cos12sin2sincos022LDLhLaLDLD第六节 汽车越过(yu gu)台阶、壕沟的能力第61页/共77页第六十一页，

29、共77页。第六节 汽车(qch)越过台阶、壕沟的能力 42汽车的越障(yu zhn)能力要比44差很多。 44汽车的越障(yu zhn)能力与a/L的比值有关，基本取值如图中的阴影所示。第62页/共77页第六十二页，共77页。2wwd2DhDhDl第六节 汽车越过台阶(tiji)、壕沟的能力 只要已知车轮越过垂直(chuzh)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(shng min)求得的hw/D值用下式换算。第63页/共77页第六十三页，共77页。本节内容(nirng)结束下一节第六节 汽车越过台阶、壕沟(

30、hogu)的能力第64页/共77页第六十四页，共77页。第七节汽车的通过(tnggu)性试验第七章 汽车(qch)的通过性返回(fnhu)目录第65页/共77页第六十五页，共77页。第七章 汽车(qch)的通过性一、通过性试验(shyn)的主要内容汽车几何参数(cnsh)的测定挂钩牵引性能的测定通过性试验的内容包括：第66页/共77页第六十六页，共77页。 通过性几何参数在满载情况下测定(cdng)，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(gugu)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(gugu)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(jnxng)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 汽车的通过性试验第67页/共77页第六十七页，共77页。二、土壤参数(cnsh)的测定 测量土壤参数常用贝氏仪，由加载装置(zhungzh)、测试装置(zhungzh)和数据采集及处理装置(zhungzh)三部分组成。第七节 汽车的通过(tnggu)性试验第68页