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)，在良好路面上通過某一固定垂直臺(tái)階的高度來表示。一般情況，汽車越過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的幾何通過性（幾何通過性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析過程在此忽略）。

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)分析過程省略），h3=1081mm說明此時(shí)后輪沒有到上限位，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），車輛后部軸荷通過中輪直接壓在臺(tái)階上，如圖5所示。

圖5中參數(shù)說明：

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)，可通過降低輪胎氣壓，增大接地面積來提高輪胎與臺(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)。