何建軍,別爾德別克·吾贊

（裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械系,北京 100072）

履帶車輛和輪式車輛外部行駛阻力的對(duì)比分析

何建軍,別爾德別克·吾贊

（裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械系,北京 100072）

在大型的工程機(jī)械當(dāng)中，輪式的車輛和履帶式的車輛都被廣泛應(yīng)用。履帶車輛具有較好的通過性，而輪式車輛機(jī)動(dòng)性較好。這兩種車輛在工作行駛過程中都會(huì)受到外部的行駛阻力，其外部行駛阻力的產(chǎn)生機(jī)理有所差別，通過對(duì)比這兩種車輛的外部行駛阻力，為工程機(jī)械的選擇提供一定的依據(jù)。

履帶車輛；輪式車輛；外部行駛阻力；對(duì)比分析

1　輪式汽車外部行駛阻力的形成與計(jì)算

1.1 形成機(jī)理

（1）滾動(dòng)阻力。車輪滾動(dòng)時(shí)，輪胎與路面的接觸區(qū)域產(chǎn)生法向、切向的相互作用以及相應(yīng)的輪胎和支撐路面的變形。當(dāng)彈性輪胎在硬路面上滾動(dòng)時(shí)，主要以輪胎變形為主。此時(shí)由于輪胎有內(nèi)部摩擦產(chǎn)生彈性遲滯損失。進(jìn)一步分析，便可知道這種遲滯損失表現(xiàn)為阻礙車輪滾動(dòng)的一種阻力偶。（2）空氣阻力。車輛在直線行駛時(shí)受到空氣作用力在行駛方向上的分力稱為空氣阻力。空氣阻力分為壓力阻力和摩擦阻力兩部分。作用在汽車外表面上的法向壓力的合力在行駛方向的分力稱為壓力阻力；摩擦阻力是由于空氣的黏性在車身表面產(chǎn)生的切向力的合力在行駛方向的分力。壓力阻力又分為四部分：形狀阻力、干擾阻力、內(nèi)循環(huán)阻力和誘導(dǎo)阻力。形狀阻力占?jí)毫ψ枇Φ拇蟛糠郑饕嚿硇螤钣泻艽箨P(guān)系，干擾阻力是車身表面的突起物如后視鏡、門把、引水槽等引起的阻力；發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系，車身通風(fēng)等所需空氣流經(jīng)車體內(nèi)時(shí)構(gòu)成的阻力，即為內(nèi)循環(huán)阻力；誘導(dǎo)阻力是空氣升力在水平方向的投影。（3）坡度阻力。當(dāng)車輛在坡道上行駛時(shí)，車身自重力會(huì)沿坡道有一個(gè)分力，這個(gè)力表現(xiàn)為汽車的坡度阻力。（4）加速阻力。車輛在加速行駛時(shí)，需要克服其質(zhì)量加速運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性力，這個(gè)力表現(xiàn)為加速阻力。這里車輛自身的質(zhì)量包括平移質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量。

1.2 數(shù)學(xué)計(jì)算模型

在設(shè)計(jì)計(jì)算模型的時(shí)候，上面所提到的空氣阻力、加速阻力大多都是在車輛高速行駛的時(shí)候才會(huì)考慮的，一般的工程機(jī)械在作業(yè)的時(shí)候行駛速度都很慢或者是處于靜止?fàn)顟B(tài)作業(yè)，所以這兩個(gè)阻力的影響就相對(duì)于很小，在此計(jì)算時(shí)作忽略處理。這里只考慮在水平路面上作業(yè)的情況，所以坡度阻力也不做考慮。輪式車輛在松軟土體上的外部行駛阻力，主要是由于壓實(shí)土體形成輪轍而消耗能量所致。假設(shè)車輪為剛性的，車輪寬度為b，輪轍深度為，這里運(yùn)用功耗平衡原理計(jì)算滾動(dòng)阻力。壓縮單位面積土體所做的功P可以計(jì)算出來：

采用經(jīng)典的貝克地面力學(xué)理論，可知壓力和變形的關(guān)系為：

如果假設(shè)車輪的作用僅僅是在垂直方向壓實(shí)土體，那么當(dāng)寬度為b的車輪滾過長(zhǎng)度為L(zhǎng)的距離時(shí)克服滾動(dòng)阻力為所做的功應(yīng)該是：

帶入上式后得到：

2　履帶式車輛外部行駛阻力的形成與計(jì)算

2.1 形成機(jī)理

履帶式車輛的行駛阻力通常是指從驅(qū)動(dòng)輪開始的整個(gè)行走裝置在機(jī)械行駛時(shí)產(chǎn)生的阻力。這個(gè)阻力可分為兩部分：一部分是由行走機(jī)構(gòu)各摩擦副中的摩擦阻力產(chǎn)生的（包括驅(qū)動(dòng)輪軸承中的損失摩擦），稱為內(nèi)部行駛阻力；另一部分是由車輛行駛在前方履帶下土壤的垂直變形引起的，稱為外部行駛阻力。咱們這里所研究的都是外部行駛阻力，不涉及到內(nèi)部行駛阻力。

2.2 數(shù)學(xué)計(jì)算模型

履帶車輛的外部行駛阻力主要是由于壓實(shí)土體形成車轍而消耗能量所形成的，基于此我們可以采用功能轉(zhuǎn)換法來計(jì)算外部行駛阻力。當(dāng)履帶車輛前進(jìn)距離為L(zhǎng)時(shí)，車輛壓實(shí)土體消耗的功P為：

在此也采用經(jīng)典的貝克地面力學(xué)理論來計(jì)算，即：

則有：

3　對(duì)比分析

3.1 形成機(jī)理的對(duì)比

由上面的敘述我們不難看出，輪式車輛的外部行駛阻力主要是由車輪跟地面接觸導(dǎo)致車輪變形或者是地面變形亦或者是兩者都變形后引起的功的損失，這種損失可以看做是外部阻力所做的功。另外，輪式車輛的外部行駛阻力跟車速還有比較大的關(guān)系，當(dāng)車速比較高的時(shí)候，空氣阻力的大小跟車速是成平方的關(guān)系，車速高自然空氣阻力會(huì)大幅度增加，這也是外部行駛阻力的一部分，在車速較高時(shí)不能忽略。

而履帶車輛的外部行駛阻力取決于車輛的參數(shù)和土體的物理機(jī)械性能。在此，土的物理機(jī)械性能對(duì)履帶車輛的外部行駛阻力有著更大的影響。對(duì)于經(jīng)常在越野條件下及松軟的地面行駛的工程機(jī)械和坦克而言，研究土體受壓是的車輛沉陷程度在這就顯得尤為重要了。

綜上，我們不難看出，輪式車輛和履帶車輛的外部行駛阻力在形成機(jī)理上還是有一定的差別的。輪式車輛主要與輪胎特性和自身車身結(jié)構(gòu)有較大關(guān)系，而履帶車輛除了與履帶板結(jié)構(gòu)有關(guān)外，而更多的則是和地面本身的物理機(jī)械性質(zhì)又較大關(guān)系。

3.2 對(duì)比分析

在相同的地面條件下，一樣的載荷作用下，對(duì)比分析輪式車輛和履帶車輛的外部行駛阻力。運(yùn)用MATLAB編寫程序，實(shí)現(xiàn)仿真分析。由上可知，輪式車輛的外部行駛阻力計(jì)算公式為：

履帶式車輛的外部行駛阻力計(jì)算公式為：

由圖1可以看出，在相同的載荷和一樣的地面條件下，輪式車輛的外部行駛阻力要比履帶式車輛的外部行駛阻力大得多，而且它們倆都隨著載荷的增大而增大。

通過上面我們可以看出，在相同的外部條件下，輪式車輛的外部行駛阻力要比履帶式的大得多，如果想要這兩類車輛的外部行駛阻力一樣的話，那么就得增加輪式車輛輪胎的直徑，根據(jù)理論，輪胎直徑越大，外部行駛阻力就越小，但是由于實(shí)際的限制，輪胎的直徑不可能無限的大。這也給我們提供了一個(gè)依據(jù)，在實(shí)際允許的情況下，對(duì)于工程車輛來說，輪胎的直徑是越大越好，這也映證了我們?cè)趯?shí)際生活中看到的工程車輛的輪胎一般都比較大的現(xiàn)象。不可否認(rèn)，輪胎的外部行駛阻力要比履帶的大，但是輪式車輛的機(jī)動(dòng)性能卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了履帶式車輛的機(jī)動(dòng)性能，它們倆各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。通過這個(gè)研究，我們?cè)谧鲞x擇的時(shí)候就可以根據(jù)這個(gè)理論選出更加合理，更加符合自己要求的工程機(jī)械。這將大大減少我們工程機(jī)械的使用成本。

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[3]吳大林,馬吉?jiǎng)?王興貴等.履帶車輛地面力學(xué)仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2004.

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.182