林業(yè)復(fù)雜地形動(dòng)力底盤性能主要影響因素分析

曲振興， 向文博，2， 胡景陽(yáng)， 王凡雨，2， 周建波*

(1.國(guó)家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院研究生部，北京 100000)

動(dòng)力底盤在我國(guó)林業(yè)機(jī)械化發(fā)展進(jìn)程中有至關(guān)重要的影響地位，尤其是目前存在著由于動(dòng)力底盤缺失導(dǎo)致的林業(yè)機(jī)械設(shè)備上山難、行走難的現(xiàn)狀[1]。林地環(huán)境復(fù)雜，地面平整度以及撫育管理程度與田地相比有極大差距，林地自身坡度條件、地面溝壑障礙都對(duì)動(dòng)力底盤的穩(wěn)定性以及通過性提出了很高的要求。在進(jìn)行動(dòng)力底盤設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮到林地自身?xiàng)l件對(duì)其結(jié)構(gòu)、性能的影響，在滿足安全的前提下，提高動(dòng)力底盤的性能。本文主要從林地坡度、動(dòng)力底盤的穩(wěn)定性、通過性及爬坡度四個(gè)角度進(jìn)行分析，探究各因素對(duì)動(dòng)力底盤性能產(chǎn)生的影響。

1 林地坡度與地面環(huán)境

用兩點(diǎn)間的高程差與其水平距離的百分比表示坡度，是最常用的表示方法。目前我國(guó)對(duì)坡度大小的分級(jí)一般分為六級(jí)：平坡：0～5°；緩坡：6°～15°；斜坡：16°～25°；陡坡：26°～35°；急坡：36°～45°；險(xiǎn)坡：大于46°[2]。25°坡度以上的土地為《水土保持法》規(guī)定的開荒限制坡度，即不準(zhǔn)開荒種植農(nóng)作物。因此在設(shè)計(jì)林機(jī)動(dòng)力底盤時(shí)，可將25°坡度以下的林地設(shè)為研究對(duì)象，討論各因素對(duì)林業(yè)動(dòng)力底盤的影響。

林地復(fù)雜地面環(huán)境對(duì)于動(dòng)力底盤的各項(xiàng)性能提出較高的要求。在對(duì)人工開發(fā)出的經(jīng)濟(jì)林地進(jìn)行需求設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮種植密度(行距、株距)對(duì)動(dòng)力底盤及整體尺寸的要求，同時(shí)轉(zhuǎn)向方式簡(jiǎn)潔，轉(zhuǎn)彎半徑要盡可能小，在林地間工作時(shí)要靈活輕便[3]。此外在進(jìn)行輪胎選擇時(shí)要考慮土壤特性，如林地多雨，土壤較為潮濕，整體硬度較低，對(duì)于輪胎選擇有一定要求[4]。若所選輪胎花紋太淺，在發(fā)生抓地力與附著力不足的情況時(shí)，易發(fā)生打滑或越障失敗，若輪胎花紋太深，則需要考慮輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)是否能甩掉花紋間攜帶的泥土。

2 穩(wěn)定性

2.1 縱向穩(wěn)定性

當(dāng)運(yùn)動(dòng)底盤以低速勻速上坡時(shí)，忽略空氣阻力，視輪胎為剛性體，進(jìn)行力學(xué)分析，低速勻速上坡受力圖如圖 1，建立力學(xué)平衡方程：

圖1 低速勻速上坡受力圖

式中：F1為土壤對(duì)前輪切向作用力；F2為土壤對(duì)后輪切向作用力；G為底盤重力；ɑ為上坡極限翻傾角；N1為土壤對(duì)前輪的法向作用力；N2為土壤對(duì)后輪的法向作用力；h為重心到地面的垂直高度；L為前后輪軸心水平距離；L1為重心到后輪軸心水平距離。

當(dāng)前輪剛好不受土壤反作用力時(shí)，達(dá)到上坡傾翻極限狀態(tài)，此時(shí)F1=0，可得上坡極限傾翻角：

當(dāng)?shù)妆P的后輪剛好不受土壤的反作用力時(shí)，即為下坡極限傾翻臨界狀態(tài)，則后輪的切向作用力F2=0。

可得下坡極限傾翻角為：

因此，結(jié)合上下坡的使用需求，在設(shè)計(jì)時(shí)將重心布置在底盤中段盡可能低的位置，能增大底盤的傾翻極限角，增強(qiáng)穩(wěn)定性。

2.2 橫向穩(wěn)定性

底盤在傾斜路面上靜止或行駛過程中，在橫向力的作用下，可能產(chǎn)生沿橫向力方向的側(cè)向滑移，橫向受力圖如圖2所示。不產(chǎn)生橫向滑移的最大坡度角稱為橫向滑移角φ。滿足穩(wěn)定條件是橫向力小于等于輪胎與路面之間的橫向附著力[5]。

圖2 橫向受力圖

Gsinφ=Gcosφ·Φ

φ=tg-1Φ

式中：Φ為橫向附著系數(shù)，是指支撐面提供的最大切向力與支撐面法向反作用力之比。

由此可知，橫向滑移角φ僅取決于橫向附著系數(shù)Φ。附著系數(shù)受到道路狀況、輪胎花紋樣式等得影響較大，在選擇輪胎時(shí)注意選擇花紋樣式較深，并且注意路況，避免發(fā)生橫向滑移。

3 通過性

影響車輛通過性的因素主要有：最小離地間隙、接近角、離去角以及縱向通過角等。

車輛在通過起伏不平的路面時(shí)，地面的凸起障礙會(huì)發(fā)生拖住底盤底部的情況，發(fā)生“頂起失效”，使底盤無法通過[6]，這種情況是由于在底盤設(shè)計(jì)時(shí)，沒有充分考慮到最小離地間隙和縱向通過角導(dǎo)致的。

當(dāng)動(dòng)力底盤在崎嶇路面通過時(shí)，首先要考慮到地面的垂直高度差與底盤底部到地面的間隙之間的關(guān)系，如圖 3。若設(shè)置的最小離地間隙過小，可能導(dǎo)致地面頂起底盤無法前進(jìn)的問題。最小離地間隙與底盤自身結(jié)構(gòu)布局以及輪胎的選取有關(guān)。最小離地間隙的測(cè)量點(diǎn)應(yīng)選取底盤最低點(diǎn)，因此底盤結(jié)構(gòu)應(yīng)布置的盡量平整，避免出現(xiàn)尖銳凸起，影響最小離地間隙。另一個(gè)影響最小離地間隙的因素是輪胎的選取。增大輪胎的直徑可以提高底盤的離地間隙，降低輪胎的接地比壓，增加與地面接觸面積以減少土壤阻力和滑轉(zhuǎn)，但會(huì)升高底盤整體重心位置，同時(shí)要采用大傳動(dòng)比的傳動(dòng)系傳輸動(dòng)力，因此在選取輪胎時(shí)，要充分考慮到最小離地間隙與重心位置間的影響關(guān)系。

圖3 最小離地間隙示意圖

縱向通過角是車輛在滿載、靜止時(shí)，分別通過前、后輪胎外緣作垂直于車輛縱向?qū)ΨQ平面的切平面，當(dāng)兩平面交于車體下部最低部位時(shí)所夾的最小銳角β[7]，如圖 4。縱向通過角與最小離地間隙以及前后輪軸心水平距離有關(guān)。最小離地間隙越大，縱向通過角越大，此時(shí)底盤重心升高，極限傾翻角減小，穩(wěn)定性降低。前后輪軸心水平距離變大，縱向通過角減小，此時(shí)底盤極限傾翻角變大，穩(wěn)定性提升。

圖4 縱向通過角示意圖

接近角與離去角是車輛前后邊緣與車輛前后輪所引切線與地面的夾角，如圖 5。在行駛過程中，若車輛前后端伸出過長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致γ1或γ2減小，車輛前后緣觸及地面，發(fā)生“觸頭失效”或“拖尾失效”，也易發(fā)生不能通過的問題[8]。

圖5 接近角與離去角示意圖

4 爬坡度

動(dòng)力底盤在進(jìn)行林間作業(yè)和運(yùn)輸過程中，通常屬于滿載、低速的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，車速變化不大，幾乎不產(chǎn)生加速超車情況，因此用爬坡度評(píng)估動(dòng)力底盤在坡地工作的爬坡能力，設(shè)驅(qū)動(dòng)底盤在坡度角為α的坡道上用變速箱最低檔位保持等速行駛，此時(shí)的運(yùn)動(dòng)平衡方程式為：

Fq=Fw+Ff+Gsinα

由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的有效扭矩和傳動(dòng)系數(shù)參數(shù)，可計(jì)算驅(qū)動(dòng)底盤在最低檔位時(shí)動(dòng)力底盤所產(chǎn)生的最大驅(qū)動(dòng)力為：

式中：Me為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩；ig為變速器各檔位比；I0為主減速器速比；ηT為傳動(dòng)系統(tǒng)總效率；r為車輪滾動(dòng)半徑。

對(duì)于林用動(dòng)力底盤設(shè)計(jì)來說，對(duì)行駛速度的要求并不高，在根據(jù)林地環(huán)境確定整體車型后，即可確定Fw空氣阻力；根據(jù)地面情況確定滾動(dòng)阻力系數(shù)后，可確定Ff滾動(dòng)阻力，由此得出所需的底盤驅(qū)動(dòng)力。底盤驅(qū)動(dòng)力與發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩成正比，與車輪滾動(dòng)半徑成反比。為了增大底盤驅(qū)動(dòng)力選取大扭矩發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)提高制造成本，減小車輪滾動(dòng)半徑則會(huì)影響運(yùn)動(dòng)底盤的通過性能。

5 綜合分析

本文介紹了幾種影響林地動(dòng)力底盤性能的因素：林地坡度與地面環(huán)境、動(dòng)力底盤穩(wěn)定性、通過性與爬坡度。林地坡度與地面環(huán)境作為背景因素，是進(jìn)行動(dòng)力底盤設(shè)計(jì)制造的前提條件。在設(shè)計(jì)之前，要著重考察動(dòng)力底盤的工作環(huán)境、土壤物理性質(zhì)、林地種植密度(行距、株距)等因素，對(duì)動(dòng)力底盤及整機(jī)外形尺寸結(jié)構(gòu)有一定的指導(dǎo)意義，確立尺寸要素。

動(dòng)力底盤的穩(wěn)定性、通過性與爬坡度作為動(dòng)力底盤工作性能的代表，通過分析得知三性能互相影響。三個(gè)主要影響因素：動(dòng)力底盤重心位置的布置、前后輪軸心位置的布置與輪胎的選取(包括半徑及花紋等)，在設(shè)計(jì)過程中要充分考慮關(guān)聯(lián)關(guān)系，在滿足林地背景因素條件的基礎(chǔ)上降低重心提升穩(wěn)定性、提升運(yùn)動(dòng)底盤的通過性能。