第七章.汽车通过性

第7章汽车的通过性学习目标通过本章的学习，应熟练掌握汽车通过性的评价指标及表征通过性的几何参数的含义；了解汽车通过性的影响因素；掌握计算各类型汽车越过台阶和壕沟的能力的方法。7.1节汽车通过性评价指标及几何参数7.1.1汽车通过性概述汽车的通过性是指汽车在一定载重量下能以足够高的平均车速，通过各种坏路和无路地带(如松软的土壤、沙漠、雪地、沼泽及坎坷不平地段以及克服各种障碍陡坡；侧坡、台阶、壕沟等)的能力。汽车的通过性可分为轮廓通过性和牵引支承通过性。前者是表征车辆通过坎坷不平路段和障碍的能力；后者是指车辆顺利通过松软土壤、沙漠、雪地、冰面、沼泽等地面的能力。山区、矿区、建设工地等使用的车辆和军用车辆，经常行驶在坏路和无路地面上。因此，要求这些汽车应具有良好的通过性。7.1.2汽车的间隙失效由于汽车与越野地面间的间隙不足而被地面托住、无法通过的情况，称为间隙失效。当车辆中间底部的零部件碰到地面而被封住时，称为“顶起失效”；当车辆前端或尾部触及地面而不能通过时，则分别称为“触头失效”或“托尾失效”。后两种情况属于同一类失效。7.1.3汽车通过性几何参数与间隙失效有关的汽车整车几何参数，称为汽车的通过性几何参数。汽车通过性的几何参数如图7.1所示，主要包括最小离地间隙、接近角、离去角、纵向通过半径、横向通过半径等。图7.1汽车的通过性几何参数1—接近角2—离去角1—纵向通过半径2—横向通过半径c—最小离地间隙另外，汽车的最小转弯半径、最大通道宽度等，也是汽车通过性的重要轮廓参数。7.1.3.1最小离地间隙c最小离地间隙c是汽车除车轮外的最低点与路面间的距离。它表征汽车无碰撞地越过石块、树桩等障碍物的能力。汽车的前桥、飞轮壳、变速器壳、消声器和主减速器外壳等，通常有较小的离地间隙。在设计越野汽车时，应保证有较大的最小离地间隙。7.1.3.2接近角1与离去角2接近角1和离去角2是指自车身前、后突出点，向前、后车轮引切线时，切线与路面之间的夹角。它表征了汽车接近或离开障碍物时，不发生碰撞的能力。接近角和离去角越大，则汽车的通过性越好。7.1.3.3纵向通过半径1与横向通过半径2在汽车纵向对称平面内，作分别切于静载车轮前、后轮胎外缘以及汽车底部某零件的切线圆，该圆的半径1称为汽车的纵向通过半径。实际的纵向通过半径1是在汽车侧视图上作出的与前后车轮及两轴中间轮廓线相切之圆的半径（见图7.1）。它表征汽车可无碰撞地通过小丘、拱桥等障碍物的轮廓尺寸。纵向通过角1越大，则汽车的通过性越好。在汽车的横向，存在着与上述相类似的情况（见图7.1），这时汽车通过障碍的极限尺寸，由横向通过半径2来决定。7.1.3.4最小转弯半径和最大通道宽度汽车前轮处于最大转角状态行驶时，汽车前轴离转向中心最远车轮胎面中心，在地面上形成的轨迹圆半径，表征车辆在最小面积内的回转能力和通过窄弯地带或绕过障碍物的能力。最大通道宽度是指汽车最远点最小转弯半径与最近点最小转弯半径之差，车辆所需的通道宽度越窄，通过性越好。7.1.4汽车通过性的影响因素7.1.4.1行驶速度当汽车的行驶速度降低时，土壤的剪切和车轮滑转的倾向减少。因此，用低速行驶克服困难路段，也可改善汽车的通过性。因此越野汽车传动系最大总传动比一般较大。越野汽车最低稳定车速可按表7.1选取，其值随汽车总质量而定。表7.1越野汽车的最低稳定车速汽车总质量/kg＜2000＜6500＜8000＞8000最低稳定车速/（km/h）≤5≤2～3≤1.5～2.5≤0.5～17.1.4.2汽车车轮车轮对汽车通过性有着决定性的影响，为了提高汽车的通过性，必须正确选择轮胎的花纹尺寸、结构参数、气压等，使汽车行驶滚动阻力较小，附着能力较大。7.1.4.2.1轮胎花纹轮胎花纹对附着系数有很大影响。正确地选择轮胎花纹、对提高汽车在一定类型地面上的通过性有很大作用。越野汽车的轮胎具有宽而深的花纹；当汽车在湿路面上行驶时，由于只有花纹的凸起部分与地面接触，使轮胎对地面有较高的单位压力，足以挤出水层；而在松软地面上行驶时，轮胎下陷，嵌入土壤的花纹凸起的数目增加，与地面接触面积及土壤剪切面积都迅速增加，因此，同样能保证有较好的附着性能。在表面滑溜泥泞而底层坚实的道路上，提高通过性的最简单办法，是在轮胎上套防滑链(或使用带防滑钉的轮胎)。它相当于在轮胎上增加了一层高而稀的花纹。这时，防滑链能挤出表面的水层，直接与地面接触，有的还会增加土壤剪切面积，从而提高附着能力。7.1.4.2.2轮胎直径和宽度增大轮胎直径和宽度，都能降低轮胎的接地比压。用增加车轮直径的方法来减小接地比压，增加接触面积以减少土壤阻力和减少滑转，要比增加宽度更为有效。但增大轮胎直径会使惯性增大，汽车质心升高，轮胎成本增加，并要采用大传动比的传动系统。因此，大直径轮胎的推广使用受到了限制。加大轮胎宽度不仅直接降低了轮胎的接地面比压，而且轮胎较宽，允许胎体有较大的变形，而不降低其使用寿命，因而可使轮胎气压取得低些；使汽车在沙漠、雪地、沼泽地面上行驶时，具有良好的通过性。但这种专用于松软地面的特种轮胎，由于花纹较大，气压过低，不适合在硬路面上工作，否则将过早损坏和迅速磨损。7.1.4.2.3轮胎的气压在松软地面上行驶的汽车，应相应降低轮胎的气压，以增大轮胎与地面的接触面积，降低接地比压，提高土壤推力。轮胎气压降低时，虽然土壤的压实阻力也相应减小，但轮胎本身的迟滞损失却逐渐增加。为了提高越野汽车通过松软地面的能力，在硬路面上行驶时又不致引起过大的滚动阻力和影响轮胎寿命，可装用轮胎的中央充气系统，使驾驶员能根据道路情况，随时调节轮胎气压。7.1.4.2.4前轮距和后轮距当汽车在松软地面上行驶时，各车轮都需克服滚动阻力，如果汽车前轮距与后轮距相等：并有相同的轮胎宽度，则前轮辙与后轮辙重合，后轮就可沿被前轮压实的轮辙行驶，使汽车总滚动阻力减少，提高汽车通过性。所以，多数越野汽车的前轮距与后轮距相等。7.1.4.2.5前轮与后轮的接地比压试验证明，前轮距与后轮距相等的汽车行驶于松软地面时，当前轮对地面的单位压力比后轮的小20%～30%时，汽车滚动阻力最小。为此，除在设计汽车时，可将负荷按此要求分配于前、后轴，也可以使前、后轮的轮胎气压不同，以产生不同的接地比压。7.1.4.3差速器为了保证各驱动车轮能以不同的角度旋转，在传动系统装有差速器。但普通的齿轮差速器，由于它有使驱动车轮之间转矩平均分配的特性；当某一驱动车轮陷入泥泞或冰雪路面上时，得到较小的附着力，则与之对应的另一驱动车轮，也只能以同样小的附着力限制其驱动力。为了避免这种情况的发生，某些越野汽车上装有差速锁，以便必要时能锁止差速器。差速器的内摩擦，能使左右车轮传递的转矩不等以达到使汽车在附着系数较小的路面上驱动的目的。但是一般齿轮式差速器的内摩擦不大，为了增加差速器的内摩擦，越野汽车常采用高摩擦式差速器，提高了汽车通过性。7.1.4.4驾驶方法驾驶方法对提高汽车通过性有很大影响。在通过沙地、泥泞、雪地等松软地面时，应该使用低速档，以保证车辆有较大的驱动力和较低的行驶速度。在行驶中应避免换档和加速，并保持直线行驶，因为转弯时将引起前后轮辙不重合，增加滚动阻力。后轮是双胎的汽车，常会在两胎间夹杂泥石，或使车轮表面粘附一层很厚的泥，因而使得附着系数降低，增加车轮滑转趋势。遇到这种情况，驾驶员适当提高车速，将车轮上的泥甩掉。当汽车传动系统装有差速锁时，驾驶员应该在估计有可能使车轮滑转的地区前，就将差速器锁住。因为车轮一旦滑移后，土壤表面就会被破坏，附着系数下降，再锁住差速锁不会起到显著作用。此外，为了提高越野汽车的涉水能力，应注意发动机的分电器总成、火花塞、曲轴箱通气口等处的密封问题，并提高空气滤清器的位置，不得浸入水中。普通汽车一般能通过深度为0.5～0.6m的硬低浅水滩。7.2节汽车越过台阶、壕沟的能力在越野行驶中的汽车，常常要克服台阶、壕沟等障碍。这是由于汽车车速很低，因此可用解静力学平衡方程来求解障碍物与汽车参数间的关系。7.2.1汽车越过台阶的能力7.2.1.1后轮驱动4×2汽车越台能力图7.24×2汽车通过台阶时的受力图图7.2时后轮驱动的四轮汽车越过硬地面上的台阶时的受力情况。由图7.2a可知，前轮（从动轮）碰到台阶时有下列平衡方程式0220cossin0sincos221121211DFGaLFDfFGfFFFFfFF式中G——汽车总重力；1F——台阶作用于前（从动）轮的反作用力；2F——后轴负荷；——附着系数；f——滚动阻力系数。将上述方程中的G、1F、2F消去，可得如下方程式LDfLDLafLDffLaf21cos2111sin21由图7.2中的几何关系可得DhDhDww215.05.0sin代入上式，并设硬路面上的0f，则上式成为2212111121LDLaLaDhw（7.1）式中1Dhw——前轮单位车轮直径可克服的台阶高，它表示了汽车前轮越过台阶的能力。由上式可知，DL越小及La越大，1Dhw就越大，即汽车的前轮也越容易越过较高的台阶。当后轮（驱动轮）碰到台阶时，如图7.2b，同上述分析，可得到2211121Dhw（7.2）式中2Dhw——后驱动轮单位车轮直径可克服的台阶高，它表示了汽车后轮越过台阶的能力。由上式可知，后轮越过台阶的能力与汽车参数无关，同时由于一般情况下，a＞b，比较式（7-.1）、（7.2）可知，后轮是限制汽车越过台阶能力的因素。式（7.2）计算所得的曲线参见图7.4下部。7.2.1.24×4汽车越台能力图7.34×4汽车通过台阶时的受力图图7.3是4×4汽车在硬路面上越过台阶时的受力情况。按照上述同样的分析方法，当前轮与台阶相碰时有LDLDLDLa21sin211cos21112同样以Dhw21sin代入，可求出1Dhw。经分析计算后可知，1Dhw是随着DL的增加而降低的；同时，增加La的比值时，可以使4×4汽车前轮越过台阶的能力显著提高，甚至可使车轮爬上高度大于其半径的台阶。当后轮碰到台阶时，见图7.3b，这时有LDLDLhLaLD2cos21sin11cos1sin21sincos022式中Dhw21sin。对上式的分析可知，La比值的影响正好与4×4汽车前轮越过台阶的情况相反。La较小（长轴距、前轴负荷大的汽车）时，其后轮越过台阶的能力要比前轮大。较大的DL比值时，不论汽车的总质量如何在轴间分配，总会改善后轮的越障能力。7.2.1.34×2汽车和4×4汽车的越障能力比较图7.4汽车越障能力与附着系数的关系由图7.4可知，4×2汽车的越障能力要比4×4汽车差很多。4×4汽车的越障能力与La的比值有关，图中曲线阴影区域的上、下限决定于汽车的几何参数。由图可知，当7.0时，根据La的参数不同，4×4汽车的Dhw=0.18～0.26，但后轮驱动的4×2汽车的越障能力比4×4汽车约降低一半。7.2.2汽车跨过壕沟的能力用上述同样的方法求解汽车越过壕沟的问题时可以注意到，沟宽dl与车轮直径之比值Dld与上面求得的Dhw值只有一个换算系数的差别，它们之间的关系为22DhDhDlwwd（7.3）因此，只要知道车轮越过垂直障碍的能力Dhw，即可由上式求得越过壕沟的宽度与车轮直径的比值Dld，从而求得可以越过的壕沟宽度。小结1.汽车的通过性：指汽车在一定载重量下能以足够高的平均车速，通过各种坏路和无路地带(如松软的土壤、沙漠、雪地、沼泽及坎坷不平地段以及克服各种障碍陡坡；侧