18.1 引言

越野車輛動力學行為可以通過其機動性、操穩(wěn)性和平順性描述。機動性指用于車輛克服運動阻力，形成牽引力，爬坡、加速和制動的能力。操穩(wěn)性主要涉及車輛執(zhí)行駕駛員轉(zhuǎn)向指令時的轉(zhuǎn)向響應(yīng)。平順性則與車輛在地面不平度激勵下的振動及其對駕駛員以及乘員影響有關(guān)。

當前，越野車輛有兩種基本的行走機構(gòu):輪式機構(gòu)和帶機構(gòu)。輪式越野車輛和道路車輛均使用輪胎作為行走機構(gòu)，其功能要求明顯不同。輪式越野車輛設(shè)計用于在非準備地面上行駛，車輛載荷作用下有明顯的變形，而道路車輛設(shè)計用于鋪裝地面行駛，在類似的車輛載荷條件下，與非準備地面相比，地面變形相對小很多。對于重型越野車輛，通常采用履帶作為行走機構(gòu)，主要是為了獲得較大的接地面積，從而降低地面上的接地壓力。有趣的是，履帶的概念在18世紀末首次構(gòu)思為輪式車輛的“便攜軌道”，鋪設(shè)在負重輪前面的地面上，并且在車輛后部抬起時再放置在車輛前方使車輛行駛。由于帶系統(tǒng)具有一些獨特的特性履帶越野車輛廣泛用于越野行駛，本章將更多重點用于履帶越野車輛動力學的討論。

18.2 越野車輛機動性

評價不同類型越野車輛的機動性要使用不同的準則，這取決于功能要求。對于拖拉機，其主要的功能是拖拉各種工具或機器。因此，其牽引性能是主要興趣點，可以通過牽引系數(shù)(牽引力與車輛自重的比)、牽引功率(牽引力與牽引速度的乘積)、牽引效率(牽引功率與驅(qū)動輪或鏈輪輸出功率之比)表征。對于越野運輸車輛，運輸生產(chǎn)力(有效載荷與車速乘積)、運輸效率(運輸生產(chǎn)力與相應(yīng)車輛的輸出功率之比)通常作為評價其性能的基本準則。另一方面，對于軍用車輛，則要求車輛在給定區(qū)域內(nèi)特定的兩點間的最大可能行駛速度作為評價其機動性的準則。盡管不同準則用于評價不同類型的越野車輛機動性，但是所有越野車輛都有一個基本要求，即其對非準備地面的機動性。廣義的機動性，是指車輛通過松軟地面、越過障礙、在崎嶇地面提供乘員舒適性和涉水的能力。通過松軟地面的能力是車輛機動性的基本要求，因此，車輛機動性、車輛設(shè)計參數(shù)和地面特性之間的關(guān)系分析是最重要的。

本章將重點放在討論用于越野車輛機動性評價計算機仿真模型最新進展方面，包括輪式越野車輛和履帶越野車輛。

如第17章所述，過去由于缺乏對車輛載荷下自然地面響應(yīng)和復雜車輛-地面相互作用的理解，經(jīng)驗和半經(jīng)驗方法廣泛用于越野車輛機動性的評價或預測。近年來，隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，改善全球市場競爭已經(jīng)逐漸成為行業(yè)關(guān)注的焦點。過去產(chǎn)品開發(fā)采用的經(jīng)驗方法已經(jīng)變得極其低效和非常昂貴。為了獲得競爭力，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期至關(guān)重要。因此，虛擬產(chǎn)品開發(fā)(虛擬樣機)被行業(yè)采用。為了成功實現(xiàn)這一過程，研發(fā)用于越野車輛性能和設(shè)計評價的現(xiàn)實的和全面的計算機仿真模型是必不可少的。為了適應(yīng)這一要求，研發(fā)了一系列履帶和輪式越野車輛計算機仿真模型[1,2]。相比于早期研發(fā)的經(jīng)驗或半經(jīng)驗方法，這些計算機仿真模型基于車輛-地面相互作用物理本質(zhì)的詳細分析，充分利用了應(yīng)用力學的原理;考慮了車輛和行走機構(gòu)的所有主要設(shè)計特征，也考慮了所有地面的相關(guān)特性，包括壓力-沉陷關(guān)系和剪切特性以及重復載荷下的響應(yīng)，如17.6.1節(jié)所述。

為了評價橡膠履帶越野車輛或相對較短的鏈接履帶塊間距的越野車輛的機動性(這些車輛通常用于軍用作戰(zhàn)車輛和物流車輛)，可以利用NTVPM模型進行研究[3-9]。在這種模型中，履帶被理想化為一個彈性可以伸縮的帶。對于履帶塊間距較長的剛性連接的履帶車輛(這種車輛通常用于農(nóng)業(yè)和建筑行業(yè))，可以利用RTVPM 模型進行研究[10-12]。在這種模型中，履帶考慮為通過銷連接的剛性連接系統(tǒng)。對于輪式越野車輛，包括輪式裝甲車和拖拉機，可以利用NWVPM模型進行研究。這種模型考慮了車輛以及輪胎的所有主要設(shè)計特征，也考慮了后輪壓過前輪車轍的多次重復通過的影響。

18.2.1 彈性履帶車輛計算機仿真模型NTVPM

對于高速履帶車輛，如軍用戰(zhàn)斗車輛、物流車輛和越野運輸車輛，通常使用的是橡膠履帶或履帶塊間距相對較短的履帶。這類短間距履帶系統(tǒng)的負重輪直徑

與履帶塊間距之比范圍通常為4~6，負重輪間距與帶塊間距之比為4~7，鏈輪節(jié)距直徑與履帶塊間距之比是4的倍數(shù)。橡膠帶和短間距履帶將稱為“彈性履帶”，在分析車輛-地面相互作用時，將其理想化為彈性可伸縮的帶。計算機仿真模型NTVPM可以用于進行彈性帶車輛的性能和設(shè)計評價。其考慮了車輛的所有主要設(shè)計參數(shù)，包括車輛重量、履帶系統(tǒng)構(gòu)型、負重輪數(shù)量、負重輪間距、履帶尺寸和幾何、履帶預拉力、履帶縱向彈性、懸架特性、質(zhì)心位置、鏈輪布置、惰輪布置、支撐輪和車輛外殼形狀(用于分析車輛外殼-地面相互作用，當履帶下陷大于車輛的離地間隙后，車輛外殼會與地面接觸)。所有地面特性，包括壓力-沉陷的關(guān)系、剪切特性和重復載荷下的響應(yīng)，詳見文獻[1-9]。NTVPM可以預測履帶-地面相互作用下的法向和剪切應(yīng)力分布、外部運動阻力、推力、掛鉤牽引力和車輛穩(wěn)態(tài)行駛條件下的牽引效率與履帶滑移率的函數(shù)關(guān)系，特別適用于競爭性設(shè)計的評價、車輛設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化和從牽引性能角度選擇候選車輛。NTVPM的基本特性已經(jīng)通過各種類型的地面全尺寸車輛的試驗驗證，包括礦區(qū)地面、有機地面、冰雪覆蓋地面。文獻[1-3]概述了NTVPM 的基本方法。

18.2.1.1 履帶下法向壓力分布預測

如前所述，在NTVPM研發(fā)過程中，履帶被處理為一個彈性可伸縮的帶。穩(wěn)態(tài)行駛條件下，履帶-負重輪系統(tǒng)在變形地面上的行駛，如圖18.1所示

當履帶車輛停在硬路面上時，履帶平鋪在路面上。相反，當車輛行駛在變形地面上時，法向載荷通過履帶系統(tǒng)作用到地面上，造成地面變形。兩負重輪間的履帶承受載荷，結(jié)果其發(fā)生變形和具有曲線形狀。前后負重輪之間的履帶實際接

地長度相比于硬地面下的長度增加。這會導致履帶頂部的凹陷減少和履帶張力的變化。在這個模型中，考慮了履帶在張力作用下的伸張。

與地面接觸后，履帶發(fā)生變形，其變形可以分為兩個部分:一部分是與負重輪和地面的接觸部分，如圖18.1所示的AC和FH，另一部分是只與地面接觸部分，如圖所示的CF。與負重輪接觸的履帶形狀，如AC，由負重輪的形狀定義而只與地面接觸的履帶形狀，如CF，由履帶拉力、負重輪間距、壓力-沉陷關(guān)系和重復載荷下的地面響應(yīng)確定。

沿著AB，作用在地面上的壓力從A到B逐漸增加，從B到D，壓力對應(yīng)于圖17.5所示的重復載荷循環(huán)的卸載部分逐漸減小。沿著DE，壓力再次逐漸增加，對應(yīng)重復載荷循環(huán)的再加載部分。經(jīng)過了與B點同一水平的E點之后，沉陷大于B點。結(jié)果是壓力增加，后續(xù)負重輪的沉陷將大于前續(xù)負重輪的沉陷這導致假設(shè)車輛處于前高后低的狀態(tài)。在G點之后，作用在地面上的壓力又開始降低，另一個卸載-再加載循環(huán)開始。

對于高度壓縮的地面，如新鮮、厚厚的積雪，履帶沉陷可能大于車輛的離地間隙。如果這種情況發(fā)生，車輛外殼會與地面接觸，將承受部分車重。這將減少履帶攜帶的載荷，將對摩擦地面上車輛的牽引性能產(chǎn)生不良影響。而且，車輛外殼與地面的接觸會產(chǎn)生附加的阻力分量--腹部阻力。車輛外殼-地面的相互作用特性及其對車輛性能的影響在NTVPM中已經(jīng)考慮。在這種模型中，充分考慮了負重輪獨立懸架的特性，扭桿懸架、油氣懸架的非線性特性以及其他因素可以

容納到模型中?；谇笆鰧β膸?地面相互作用物理本質(zhì)的理解，導出一組作用在帶-負重輪系統(tǒng)上的力與力矩平衡方程，用于評價整個履帶。其確定了與地面接觸的變形履帶、車輛設(shè)計參數(shù)和地面特性之間的關(guān)系，這組方程的解定義了負重輪的沉陷、車身傾斜、履帶拉力和與地面接觸的履帶形狀，由此和考慮壓力-沉陷關(guān)系以及地面的重復載荷響應(yīng)，可以預測履帶車輛穩(wěn)態(tài)運行的法向壓力分布。

18.2.1.2 履帶剪切應(yīng)力分布預測

履帶車輛的牽引性能與履帶-地面接觸的法向壓力和剪切應(yīng)力分布密切相關(guān)。如17.6.1.2節(jié)所討論的，剪切應(yīng)力與剪切位移相關(guān)。為了預測剪切應(yīng)力分布，應(yīng)當先確定履帶下的剪切位移。彈性履帶下的剪切位移可以通過對履帶-地面接觸的滑移速度Vj進行分析得到，彈性帶某一點處的滑移速度對應(yīng)于絕對速度Va的切向分量，如圖18.2所示?；扑俣萔j大小為

18.2.1.4 試驗驗證

NTVPM基本特性已經(jīng)通過整體和兩個鉸接的帶車輛在各種未準備地面上的場地測試數(shù)據(jù)進行了驗證，包括礦山地面、有機地面、雪覆蓋地面等。作為實例，圖18.3和圖18.4分別給出了在有機地面上裝甲運兵車輛帶板下測試和預測的法向壓力分布和牽引特性的預測和測試結(jié)果的比較，更多的驗證測試結(jié)果在文獻[1-3]給出。

18.2.1.5 應(yīng)用

NTVPM 可以用于評價車輛設(shè)計、地面條件對車輛性能的影響，也可以用于參數(shù)分析和設(shè)計優(yōu)化。例如，圖18.5為利用NTVPM預測的負重輪數(shù)量和初始履帶張力對裝甲運兵車在深雪上掛鉤牽引力與重力比值的影響[1,2,4]。由圖18.5可以看出，負重輪數(shù)量和初始履帶張力對車輛在松軟地面的機動性具有顯著的影響。對于一個給定的車輛，大多數(shù)情況下通過適當增加初始履帶張力可以大大提高車輛在松軟地面的特性，這取決于懸架設(shè)置[1,2,4,5]。對究導致了駕駛員控制、中央初始履帶張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的發(fā)展。

在正常地面上，駕駛員將初始履帶張力設(shè)置為常規(guī)水平。然而，當預期穿過松軟地面時，駕駛員可以很容易將初始履帶張力提高到適當水平，以改善車輛機動性。這個系統(tǒng)已經(jīng)引入到許多高機動性的軍用作戰(zhàn)車輛中。中央履帶張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)對帶車輛機動性的影響，與中央輪胎充氣系統(tǒng)對輪式車輛機動性影響相似。

NTVPM已成功用于幫助車輛制造商研發(fā)新產(chǎn)品，輔助北美、歐洲、亞洲和非洲政府機構(gòu)選擇目標車輛。

18.2.2 剛性連接履帶車輛計算機仿真模型 RTVPM

對于低速履帶車輛，如用于農(nóng)業(yè)和建筑業(yè)的車輛，剛性連接帶通常使用相對長的履帶間距，這種類型的履帶系統(tǒng)的負重輪直徑與帶間距比低至1.2，負重輪間距與履帶間距比典型為1.5。這種類型的帶稱為“剛性連接履帶”，可以處理為通過銷連接的剛性連接系統(tǒng)。

開發(fā)了計算機仿真模型RTVPM，用于剛性連接帶車輛的性能和設(shè)計評價。其考慮了車輛的所有主要設(shè)計參數(shù)，包括車重、帶系統(tǒng)配置、負重輪數(shù)量、負重輪間距、履帶尺寸和幾何、初始履帶張力、重心位置、鏈輪布置、惰輪布置支撐輥輪布置和拉鉤位置。由于將履帶連接考慮為剛性的，因此帶不可伸長。RTVPM模型中使用的地面參數(shù)與NTVPM的地面參數(shù)是一樣的。

18.2.2.1 模型研發(fā)的基本方法

如前所述，RTVPM模型將履帶處理為由無摩擦銷剛性連接的系統(tǒng)，如圖18.6所示。假設(shè)負重輪、鏈輪和支撐輥輪與車輛結(jié)構(gòu)剛性連接，然而前輪中心安裝在預壓縮彈簧上。

在分析中，將履帶系統(tǒng)分為四部分:由輪支撐的帶上部運行部分、與負重輪和地面接觸的履帶下部運行部分、與惰輪接觸的履帶部分和與鏈輪接觸的履帶部分。通過考慮履帶系統(tǒng)各個部分之間的平衡、履帶下部運行部分與地面之間的相互作用和各個履帶部分的邊界條件，可以建立一組方程。作為帶滑動率函數(shù)，這組方程的解確定出履帶沉陷、履帶系統(tǒng)傾角、履帶和地面之間接觸的法向壓力和剪應(yīng)力分布、履帶運動阻力、推力、掛鉤牽引力和車輛牽引效率。應(yīng)用RTVPM預測的具有8個負重輪帶車輛在黏性土壤上的法向壓力和剪切應(yīng)力分布[1,2]，如圖 18.7 所示。

18.2.2.2 試驗驗證

RTVPM 的基本特性已經(jīng)通過場地測試數(shù)據(jù)進行了驗證。圖18.8給出了在建筑業(yè)使用的重型車輛測試和預測的掛鉤牽引力系數(shù)(掛鉤牽引力和重量之比)的比較，地面為干燥、盤狀、砂質(zhì)土壤，圖中的測試數(shù)據(jù)由美國伊利諾伊州皮奧瑞亞的 Caterpillar Inc(卡特彼勒公司)提供。

由圖18.8可以看出，應(yīng)用RTVPM預測的車輛掛鉤牽引力系數(shù)與測試數(shù)據(jù)一致性較好。這表明該模型能夠用于具有長距連接履帶車輛性能的實際預測。

18.2.2.3 應(yīng)用RTVPM可以用于評價車輛設(shè)計和地面條件對車輛性能的影響，也可以用于剛性履帶車輛參數(shù)分析和設(shè)計優(yōu)化。RTVPM用于設(shè)計評價時，可以通過確定最佳負重輪間距與履帶間距之比的實例演示。

為了評價負重輪間距與履帶間距之比的影響，應(yīng)用RTVPM預測三種履帶系統(tǒng)的牽引性能。三種履帶系統(tǒng)具有相同的履帶接觸長度，但是負重輪數(shù)分別為5、7、8，并目具有多種履帶間距。研究發(fā)現(xiàn)，對于給定整體尺寸的履帶系統(tǒng)負重輪間距與履帶間距之比是最重要的一個設(shè)計參數(shù)，它影響剛性連接帶車輛的性能。圖18.9給出了黏性土壤上20%時滑動率下掛鉤牽引力系數(shù)隨負重輪間距與履帶間距之比的變化。

由圖18.9可以看出，只要負重輪間距與履帶間距之比是類似的，負重輪數(shù)從5變化到8時，三種履帶系統(tǒng)的牽引性能也是類似的。在性土壤地面上，負重輪間距與履帶間距之比的優(yōu)化值接近于1。這意味著，對于給定的帶間距車輛設(shè)計人員應(yīng)當選擇合適的負重輪間距以優(yōu)化車輛性能。應(yīng)當指出的是，履帶間距也會影響車輛前進車速的波動，因為多邊形(或弦形)會影響鏈輪與帶連接。多邊形影響車輛的速度波動為

18.2.3 越野輪式車輛計算機仿真模型 NWVPM

計算機仿真模型NWVPM用于越野輪式車輛性能的開發(fā)和設(shè)計評價，包括軍用輪式車輛、農(nóng)業(yè)和建筑業(yè)用的拖拉機和越野運輸輪式車輛，也可以用于對給定任務(wù)和運行環(huán)境選擇合適的輪胎。該模型考慮了車輛所有的主要設(shè)計特點，包括車重、軸荷分配、懸架剛度、車軸的功能(驅(qū)動或非驅(qū)動)、輪距、動態(tài)軸荷轉(zhuǎn)移、輪胎重復通過的影響(前后輪軌跡相同)、軸距、重心位置、牽引掛鉤位置等。該模型也考慮了輪胎所有的設(shè)計特點，包括輪胎直徑、斷面寬度、斷面高度、凸肩面積與胎體面積之比、凸肩高度、胎壓、硬地面上平均接觸壓力、輪胎結(jié)構(gòu)(子午或斜交)。

NWVPM可以用于預測車輪-地面接觸處的法向壓力和剪切應(yīng)力分布輪胎內(nèi)部(與輪胎材料相關(guān)的滯后)和外部運動阻力、推力、掛鉤牽引力和穩(wěn)態(tài)行駛條件下車輛牽引效率與滑動率的函數(shù)關(guān)系。該模型采用的地面參數(shù)與NTVPM或RTVPM 是相同的。

18.2.3.1 模型開發(fā)的基本方法首先，NWVPM預測各個軸上輪胎(剛性或彈性)的運行模式，使用17.7.2部分描述的方法。然后，評價輪胎-地面接觸法向壓力分布，考慮了壓力-沉陷特性和地面重復載荷響應(yīng)?；诜ㄏ驂毫Ψ植迹A測給定輪胎滑移率下輪胎-地面接觸的剪切應(yīng)力分布。遵循17.7闡述的方法，考慮了剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系和地面重復剪切載荷的響應(yīng)。

在給定輪胎滑移率下輪胎-地面接觸的法向壓力和剪切應(yīng)力分布確定后，可以預測運動阻力、推力、掛鉤牽引力和輪式車輛牽引效率作為滑移率的函數(shù)。遵循17.7闡述的方法，考慮了牽引載荷引起的動態(tài)軸荷轉(zhuǎn)移。

18.2.3.2 試驗驗證

NWVPM的基本特點已經(jīng)通過了場地數(shù)據(jù)驗證。圖18.10給出了拖拉機在留茬場地上試驗和預測的牽引特性的比較!1,2]。留茬場地的地面數(shù)據(jù)在一定范圍變化，圖18.10中的兩條實線代表留茬地的地面數(shù)據(jù)上限和下限預測的牽引特性。

由圖可以看出，應(yīng)用NWVPM 預測的拖拉機牽引特性與試驗數(shù)據(jù)可以很好吻合。這表明，該模型能夠用于預測輪式車輛在場地上的牽引特性。

18.2.3.3 應(yīng)用

NWVPM可以用于評價車輛和輪胎的設(shè)計參數(shù)、地面特性對車輛性能的影響，也可以用于針對給定的行駛環(huán)境選擇合適的輪胎。

圖18.11給出了應(yīng)用NWVPM預測的兩軸輪式車輛在黏性土壤上牽引特性的比較[2]，輪胎為兩種不同類型，前后輪胎以不同的胎壓組合。由圖可以看出輪胎類型和胎壓對兩軸車輛性能具有顯著影響。例如，輪胎為12.5/75R20和前后胎壓為 397kPa時，車輛本質(zhì)上是不運動的;而前后胎壓為172kPa時，車輛性能顯著提高。輪胎為12.5/75R20和前后胎壓為172kPa，輪胎為11.00R16XL前輪胎壓為221kPa和后輪胎壓為172kPa(這種前后輪胎胎壓組合源于制造商的推薦)，前者的車輛性能比后者更好。這表明，NWVPM模型在評價輪式越野車輛的性能和設(shè)計、針對給定車輛在特定地面行駛選擇合適的輪胎方面可以發(fā)揮有效作用。

總之，前述計算機仿真模型是基于對地面行為、車輛-地面相互作用力學的理解。因此，在預測和評價越野車輛性能方面，其比早期發(fā)展的經(jīng)驗和半經(jīng)驗方法有了相當大的改善，這些模型在許多國家的行業(yè)和政府機構(gòu)中獲得越來越廣泛的接受。

本文摘編自《車輛系統(tǒng)動力學手冊 第2卷，整車動力學》 ，機械工業(yè)出版社出版，經(jīng)出版方授權(quán)發(fā)布。

本叢書對車輛系統(tǒng)動力學建模、分析與優(yōu)化，車輛概念和空氣動力學，充氣輪胎和車輪-道路/越野，車輛子系統(tǒng)建模，車輛動力學和主動安全，人機相互作用，智能車輛系統(tǒng)，以及車輛事故重建被動安全進行了全面描述。

本叢書由來自23所大學與9家知名企業(yè)的50余位專家共同編寫，以科學界與工業(yè)界的視角對知識結(jié)構(gòu)進行了平衡，代表了目前車輛系統(tǒng)動力學技術(shù)發(fā)展的水平，適合汽車工程師與汽車專業(yè)師生閱讀使用。