某軍用越野汽車垂直越障能力的分析計(jì)算

胡運(yùn)軍（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

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某軍用越野汽車垂直越障能力的分析計(jì)算

胡運(yùn)軍
（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

文章通過(guò)對(duì)某軍用越野汽車垂直越障作業(yè)各階段的靜力學(xué)分析計(jì)算，找出越障最困難的階段，驗(yàn)證了汽車驅(qū)動(dòng)力和地面附著力對(duì)汽車垂直越障能力的影響。

垂直越障；驅(qū)動(dòng)力；地面附著力

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.016

CLC NO.: U462Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-48-04

概述

軍用越野汽車的垂直越障能力是衡量其越野通過(guò)性的重要指標(biāo)之一，通常用車輛滿載時(shí)，在良好路面上通過(guò)某一固定垂直臺(tái)階的高度來(lái)表示。一般情況，汽車越過(guò)高度小于其輪胎靜力半徑的垂直臺(tái)階相對(duì)容易，但考慮到軍隊(duì)使用的特殊性，某些軍用越野汽車往往要求其具有越過(guò)大于其輪胎靜力半徑高度垂直臺(tái)階的能力。本文以某軍用越野汽車作為案例研究對(duì)象，進(jìn)行理論分析計(jì)算，力求總結(jié)出汽車通過(guò)高垂直臺(tái)階（臺(tái)階高度不低于輪胎靜力半徑）能力的計(jì)算方法。

1、案例研究對(duì)象介紹

圖1為驅(qū)動(dòng)型式6×6的某軍用越野汽車垂直越障試驗(yàn)，按照設(shè)計(jì)指標(biāo)，其最大垂直越障高度為 600mm。該車型主要計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

2、垂直越障能力分析計(jì)算

汽車各大總成及其零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確保其垂直越障600mm的幾何通過(guò)性（幾何通過(guò)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析過(guò)程在此忽略）。

汽車垂直越障時(shí)，車速一般較低，可以按照求解靜力學(xué)平衡方程的方法進(jìn)行分析，計(jì)算時(shí)分別從前輪越障和中后輪越障兩個(gè)方面校核汽車垂直越障600mm臺(tái)階的能力。

2.1前輪越障分析

由于前輪靜力半徑比臺(tái)階高度小，前輪中心低于臺(tái)階高度，因此，從“前輪離地瞬間”和“前輪中心高出臺(tái)階后”兩個(gè)階段進(jìn)行分析，如圖2所示。

表1　

2.1.1前輪離地瞬間

前輪離地瞬間，輪胎恢復(fù)到自由半徑 620mm，水平地面對(duì)前輪輪胎的支撐力為 0，如果此時(shí)臺(tái)階高度仍高于輪胎中心，其受力關(guān)系如圖2左圖所示。

可列出靜力學(xué)平衡方程式：F1-f1=m1g， F1=ΦN1， f1=fN1

2.1.2前輪中心高出臺(tái)階高度后

當(dāng)輪胎中心高出臺(tái)階時(shí)，其受力關(guān)系如圖2右圖所示，可列出靜力學(xué)平衡方程式：

（F1'-f1'）cosα+N1'sinα=m1g， F1'=Φ'N1'，f1=fN1'

（注：臺(tái)階尖角處，附著系數(shù)Φ'大于平面附著系數(shù)Φ）

2.1.3討論前輪越障最困難階段

由于前輪的附著力與臺(tái)階對(duì)輪胎的法向支撐力 N1成正比，法向支撐力N1越大時(shí)，附著力越大，輪胎需要的驅(qū)動(dòng)力也大，也就是前輪越障最困難的階段。

因?yàn)?0＜α≤90°，0≤cosα＜1，0＜sinα≤1，0＜Φ -f＜1

所以，

即（Φ-f）cosα+sinα＞（Φ-f）

所以

因此，前輪越障時(shí)，前輪離地瞬間是最困難的階段。

為方便計(jì)算，假設(shè)臺(tái)階高度大于輪胎自由半徑，輪胎恢復(fù)到自由半徑時(shí)，前輪中心仍低于臺(tái)階高度，整車受力分析圖如圖3所示：

h0：平衡軸中心高出中、后輪中心的高度，h0=67mm

可以列出以下靜力學(xué)方程：

代入數(shù)值解出：

前輪越障時(shí)，整車需要的最小驅(qū)動(dòng)力Ft1=F1+F2=113577N。

2.2中、后輪越障分析

中、后輪越障分中輪離地瞬間和后輪離地瞬間兩個(gè)階段進(jìn)行分析。

2.2.1中輪離地瞬間

中輪離地瞬間，汽車受力分析如圖4所示，其中：

H：臺(tái)階高度，H=600mm；

h1：汽車滿載時(shí)，前輪中心到車架上平面的距離，h1=595mm；

h2：平衡軸中心到車架上平面的距離，h2=541mm；

h0：平衡軸中心高于后輪中心的高度，h0=67mm；

hg0：汽車滿載質(zhì)心高出車架上平面高度，hg0=181mm；

hA：前輪中心離地高度，hA=H+r=600+579=1179mm；

hD：平衡軸中心離地高度，hD=r+h0=579+67=646mm；

h3：后輪中心線處車架上平面離地高度；

β：前輪中心與平衡軸中心連線與水平面夾角；

γ：車架上平面與水平面夾角；

LAD：前輪中心到平衡軸中心距離，LAD=4075mm。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：

對(duì)整車建立以下靜力學(xué)方程：

該車型后懸架為平衡懸架結(jié)構(gòu)，當(dāng)后橋處于上限位極限時(shí)，后輪中心線處車架上平面離地高度為 977mm（結(jié)構(gòu)分析過(guò)程省略），h3=1081mm說(shuō)明此時(shí)后輪沒(méi)有到上限位，平衡軸軸荷分配仍滿足杠桿原理，可列出以下靜力學(xué)方程：

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得出：

中輪離地瞬間，整車需要的最小驅(qū)動(dòng)力 Ft2=F1+F2+F3= 111244N。

2.2.2后輪離地瞬間

當(dāng)中輪越障到一定高度時(shí)，后輪完全恢復(fù)到自由半徑R，相對(duì)平衡軸中心，中輪處于上極限，后輪處于下極限，平衡軸軸荷分配不滿足杠桿分配（將中、后橋看做一個(gè)整體），車輛后部軸荷通過(guò)中輪直接壓在臺(tái)階上，如圖5所示。

圖5中參數(shù)說(shuō)明：

H：臺(tái)階高度，H=600mm；

h1：汽車滿載時(shí)，前輪中心到車架上平面的距離，h1=595mm；

h2：汽車滿載時(shí)，中輪中心到車架上平面的距離，中輪處于上極限位置，h2=498mm（結(jié)構(gòu)分析過(guò)程省略）；

h3：平衡軸中心到車架上平面的距離，h3=541mm；

R：后輪剛好離地時(shí)輪胎的自由半徑，R=620mm；

hg0：汽車滿載質(zhì)心高出車架上平面高度，hg0=181mm；

LBC、LCD：平衡軸中心到中輪中心、后輪中心的距離，LBC=LCD=703mm（結(jié)構(gòu)分析過(guò)程省略）；

hA：前輪中心離地高度，hA=H+r=600+579=1179mm；

hC：平衡軸中心離地高度，hC=R+130=750mm（130mm為后輪下極限）。

汽車越障時(shí)，前、后軸荷將重新分配，下面通過(guò)幾何方程求出越障時(shí)質(zhì)心位置，并計(jì)算出中輪中心與臺(tái)階尖角連線BK與水平面夾角α。

（1）計(jì)算圖示狀態(tài)質(zhì)心位置a2、b2、L2

如圖5所示，由幾何關(guān)系可以列出以下方程：

代入數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果如下：

（2） 計(jì)算中輪中心與臺(tái)階尖角連線 BK與水平面夾角α。

如圖6所示，由幾何關(guān)系可列出以下方程：

（(β+γ)為車架上平面與水平面的夾角，由（1）計(jì)算出(β+γ)=6.8°）

中輪中心離地高度：hB=hC+LCP，

代入數(shù)據(jù)解出：

（3） 靜力學(xué)分析計(jì)算

如圖5所示，前輪接地點(diǎn)J到臺(tái)階尖角處K距離為：

可列出以下靜力學(xué)方程：

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得出：

后輪離地時(shí)，整車需要的最小驅(qū)動(dòng)力Ft3=F1+F2=177026N。

3、結(jié)論

由上述分析可知，在垂直越障各階段中，前輪離地、中輪離地和后輪離地瞬間所需要的最小驅(qū)動(dòng)力分別為：113577N、111244N、177026N，其中后輪離地瞬間所需驅(qū)動(dòng)力最大。

汽車驅(qū)動(dòng)力最大值為：

該計(jì)算結(jié)果表明，該車垂直越障600mm臺(tái)階是可行的。

由2.2.2分析可以看出，地面附著力也是影響垂直越障能力的重要因素：

后輪離地瞬間，由于軸荷轉(zhuǎn)移，前驅(qū)動(dòng)輪附著力減小過(guò)大，從而使前驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力先達(dá)到地面附著力而滑轉(zhuǎn)。因此，在進(jìn)行垂直越障試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將分動(dòng)器軸間差速鎖、中橋軸間差速鎖鎖止。這樣可以保證前驅(qū)動(dòng)輪達(dá)到地面附著力極限時(shí)，中、后驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力不受軸間差速器影響。

后輪離地瞬間，前輪附著力很小，后輪幾乎沒(méi)有附著力，要求中輪與臺(tái)階尖角接觸處有足夠大的附著力。該越野車裝配有輪胎中央充放氣系統(tǒng)，可通過(guò)降低輪胎氣壓，增大接地面積來(lái)提高輪胎與臺(tái)階處的附著系數(shù)。

[1]汽車?yán)碚?余制生.第3版) 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[2]蘭鳳崇 汽車垂直越障能力的計(jì)算及試驗(yàn) 吉林工業(yè)大學(xué) 汽車工程 1997.

[3]理論力學(xué).西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社,2000.

[4]莊繼德 汽車地面力學(xué) 北京：機(jī)械 工業(yè)出版社 1980.

[5]汽車工程手冊(cè).設(shè)計(jì)篇.

Analysis of a military off-road vehicle vertical obstacle capability calculation

Hu Yunjun
(Shaanxi heavy duty automobile co.,ltd,Shaanxi Xi'an 710200)

Based on a military off-road vehicle cross the barrier vertical job static analysis and calculat of each stage,to identify the most difficult obstacle stage; By calculation,verify the vehicle drive power and traction for impacting on the automotive vertical obstacle capability.

The vertical obstacle; Driving force; The ground adhesion

U462

A

1671-7988（2016）08-48-04

胡運(yùn)軍（1981-），男，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，研究方向：軍車整車設(shè)計(jì)。