某军用越野汽车垂直越障能力的分析计算

胡运军（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）



某军用越野汽车垂直越障能力的分析计算

胡运军
（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

文章通过对某军用越野汽车垂直越障作业各阶段的静力学分析计算，找出越障最困难的阶段，验证了汽车驱动力和地面附着力对汽车垂直越障能力的影响。

垂直越障；驱动力；地面附着力

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.016

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

概述

军用越野汽车的垂直越障能力是衡量其越野通过性的重要指标之一，通常用车辆满载时，在良好路面上通过某一固定垂直台阶的高度来表示。一般情况，汽车越过高度小于其轮胎静力半径的垂直台阶相对容易，但考虑到军队使用的特殊性，某些军用越野汽车往往要求其具有越过大于其轮胎静力半径高度垂直台阶的能力。本文以某军用越野汽车作为案例研究对象，进行理论分析计算，力求总结出汽车通过高垂直台阶（台阶高度不低于轮胎静力半径）能力的计算方法。

1、案例研究对象介绍

图1为驱动型式6×6的某军用越野汽车垂直越障试验，按照设计指标，其最大垂直越障高度为 600mm。该车型主要计算参数见表1。

2、垂直越障能力分析计算

汽车各大总成及其零部件的结构设计确保其垂直越障600mm的几何通过性（几何通过性的结构设计分析过程在此忽略）。

汽车垂直越障时，车速一般较低，可以按照求解静力学平衡方程的方法进行分析，计算时分别从前轮越障和中后轮越障两个方面校核汽车垂直越障600mm台阶的能力。

2.1前轮越障分析

由于前轮静力半径比台阶高度小，前轮中心低于台阶高度，因此，从“前轮离地瞬间”和“前轮中心高出台阶后”两个阶段进行分析，如图2所示。

表1　

2.1.1前轮离地瞬间

前轮离地瞬间，轮胎恢复到自由半径 620mm，水平地面对前轮轮胎的支撑力为 0，如果此时台阶高度仍高于轮胎中心，其受力关系如图2左图所示。

可列出静力学平衡方程式：F1-f1=m1g， F1=ΦN1， f1=fN1

2.1.2前轮中心高出台阶高度后

当轮胎中心高出台阶时，其受力关系如图2右图所示，可列出静力学平衡方程式：

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

（注：台阶尖角处，附着系数Φ'大于平面附着系数Φ）

2.1.3讨论前轮越障最困难阶段

由于前轮的附着力与台阶对轮胎的法向支撑力 N1成正比，法向支撑力N1越大时，附着力越大，轮胎需要的驱动力也大，也就是前轮越障最困难的阶段。

因为 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，前轮越障时，前轮离地瞬间是最困难的阶段。

为方便计算，假设台阶高度大于轮胎自由半径，轮胎恢复到自由半径时，前轮中心仍低于台阶高度，整车受力分析图如图3所示：

h0：平衡轴中心高出中、后轮中心的高度，h0=67mm

可以列出以下静力学方程：

代入数值解出：

前轮越障时，整车需要的最小驱动力Ft1=F1+F2=113577N。

2.2中、后轮越障分析

中、后轮越障分中轮离地瞬间和后轮离地瞬间两个阶段进行分析。

2.2.1中轮离地瞬间

中轮离地瞬间，汽车受力分析如图4所示，其中：

H：台阶高度，H=600mm；

h1：汽车满载时，前轮中心到车架上平面的距离，h1=595mm；

h2：平衡轴中心到车架上平面的距离，h2=541mm；

h0：平衡轴中心高于后轮中心的高度，h0=67mm；

hg0：汽车满载质心高出车架上平面高度，hg0=181mm；

hA：前轮中心离地高度，hA=H+r=600+579=1179mm；

hD：平衡轴中心离地高度，hD=r+h0=579+67=646mm；

h3：后轮中心线处车架上平面离地高度；

β：前轮中心与平衡轴中心连线与水平面夹角；

γ：车架上平面与水平面夹角；

LAD：前轮中心到平衡轴中心距离，LAD=4075mm。

代入数据计算得：

对整车建立以下静力学方程：

该车型后悬架为平衡悬架结构，当后桥处于上限位极限时，后轮中心线处车架上平面离地高度为 977mm（结构分析过程省略），h3=1081mm说明此时后轮没有到上限位，平衡轴轴荷分配仍满足杠杆原理，可列出以下静力学方程：

代入数据计算得出：

中轮离地瞬间，整车需要的最小驱动力 Ft2=F1+F2+F3= 111244N。

2.2.2后轮离地瞬间

当中轮越障到一定高度时，后轮完全恢复到自由半径R，相对平衡轴中心，中轮处于上极限，后轮处于下极限，平衡轴轴荷分配不满足杠杆分配（将中、后桥看做一个整体），车辆后部轴荷通过中轮直接压在台阶上，如图5所示。

图5中参数说明：

H：台阶高度，H=600mm；

h1：汽车满载时，前轮中心到车架上平面的距离，h1=595mm；

h2：汽车满载时，中轮中心到车架上平面的距离，中轮处于上极限位置，h2=498mm（结构分析过程省略）；

h3：平衡轴中心到车架上平面的距离，h3=541mm；

R：后轮刚好离地时轮胎的自由半径，R=620mm；

hg0：汽车满载质心高出车架上平面高度，hg0=181mm；

LBC、LCD：平衡轴中心到中轮中心、后轮中心的距离，LBC=LCD=703mm（结构分析过程省略）；

hA：前轮中心离地高度，hA=H+r=600+579=1179mm；

hC：平衡轴中心离地高度，hC=R+130=750mm（130mm为后轮下极限）。

汽车越障时，前、后轴荷将重新分配，下面通过几何方程求出越障时质心位置，并计算出中轮中心与台阶尖角连线BK与水平面夹角α。

（1）计算图示状态质心位置a2、b2、L2

如图5所示，由几何关系可以列出以下方程：

代入数据计算结果如下：

（2） 计算中轮中心与台阶尖角连线 BK与水平面夹角α。

如图6所示，由几何关系可列出以下方程：

（(β+γ)为车架上平面与水平面的夹角，由（1）计算出(β+γ)=6.8°）

中轮中心离地高度：hB=hC+LCP，

代入数据解出：

（3） 静力学分析计算

如图5所示，前轮接地点J到台阶尖角处K距离为：

可列出以下静力学方程：

代入数据计算得出：

后轮离地时，整车需要的最小驱动力Ft3=F1+F2=177026N。

3、结论

由上述分析可知，在垂直越障各阶段中，前轮离地、中轮离地和后轮离地瞬间所需要的最小驱动力分别为：113577N、111244N、177026N，其中后轮离地瞬间所需驱动力最大。

汽车驱动力最大值为：

该计算结果表明，该车垂直越障600mm台阶是可行的。

由2.2.2分析可以看出，地面附着力也是影响垂直越障能力的重要因素：

后轮离地瞬间，由于轴荷转移，前驱动轮附着力减小过大，从而使前驱动轮的驱动力先达到地面附着力而滑转。因此，在进行垂直越障试验时，应将分动器轴间差速锁、中桥轴间差速锁锁止。这样可以保证前驱动轮达到地面附着力极限时，中、后驱动轮驱动力不受轴间差速器影响。

后轮离地瞬间，前轮附着力很小，后轮几乎没有附着力，要求中轮与台阶尖角接触处有足够大的附着力。该越野车装配有轮胎中央充放气系统，可通过降低轮胎气压，增大接地面积来提高轮胎与台阶处的附着系数。

[1]汽车理论(余制生.第3版) 北京:机械工业出版社,2003.

[2]兰凤崇 汽车垂直越障能力的计算及试验 吉林工业大学 汽车工程 1997.

[3]理论力学.西安：西北工业大学出版社,2000.

[4]庄继德 汽车地面力学 北京：机械 工业出版社 1980.

[5]汽车工程手册.设计篇.

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

胡运军（1981-），男，工程师，就职于陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，研究方向：军车整车设计。