吉林大學(xué)汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室組譯，李杰教授領(lǐng)銜翻譯，郭孔輝院士為手冊(cè)作序。

本文摘編自《車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)手冊(cè) 第2卷，整車(chē)動(dòng)力學(xué)》 ，機(jī)械工業(yè)出版社出版

18.3 越野車(chē)輛的操縱性

越野車(chē)輛的操縱性，是指在未準(zhǔn)備地面上對(duì)轉(zhuǎn)向命令的響應(yīng)。帶車(chē)輛的操縱性與輪式車(chē)輛有很大不同，因此需要分開(kāi)討論。

18.3.1 履帶越野車(chē)輛的轉(zhuǎn)向

履帶車(chē)輛的方向控制具有兩種基本方法:一種稱為滑移轉(zhuǎn)向，另一種稱為鉸接轉(zhuǎn)向。在滑移轉(zhuǎn)向中，一側(cè)履帶(外側(cè)履帶)的推力增加，而另一側(cè)帶(內(nèi)側(cè)履帶)推力減小，甚至制動(dòng)，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)向力矩克服轉(zhuǎn)向阻力力矩。其中，轉(zhuǎn)向阻力力矩由履帶在地面上滑移和車(chē)輛橫擺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量產(chǎn)生，如圖18.12所示。由于履帶轉(zhuǎn)向阻力矩通常較大，常需要內(nèi)側(cè)履帶制動(dòng)，這導(dǎo)致產(chǎn)生的前進(jìn)推力降低。在松軟地面上，這通常造成車(chē)輛無(wú)法行駛。對(duì)于具有兩個(gè)或多個(gè)單元(或底盤(pán))的履帶車(chē)輛，轉(zhuǎn)向可以通過(guò)使用轉(zhuǎn)向節(jié)使車(chē)輛沿著規(guī)定的彎曲路徑使一個(gè)單元對(duì)另一個(gè)單元旋轉(zhuǎn)來(lái)完成，即鉸接轉(zhuǎn)向，如圖18.13所示。在鉸接轉(zhuǎn)向中，轉(zhuǎn)向通過(guò)激活兩個(gè)單元之間的轉(zhuǎn)向點(diǎn)而啟動(dòng)，無(wú)需調(diào)整內(nèi)側(cè)和外側(cè)的帶推力。因此，轉(zhuǎn)向過(guò)程可以保持產(chǎn)生的車(chē)輛前進(jìn)推力。在松軟地面上，與滑移轉(zhuǎn)向相比，鉸接轉(zhuǎn)向可以提供履帶車(chē)輛更好的機(jī)動(dòng)性。

18.3.3 滑移轉(zhuǎn)向廣義理論

前面所述的滑移轉(zhuǎn)向力學(xué)分析，是建立在一系列簡(jiǎn)化假設(shè)的基礎(chǔ)之上的。因此，這種方法只能對(duì)履帶車(chē)輛轉(zhuǎn)向性能提供初步預(yù)測(cè)。為了提高履帶車(chē)輛操縱性的預(yù)測(cè)，Steeds(斯蒂德)對(duì)滑移轉(zhuǎn)向力學(xué)進(jìn)行了更詳細(xì)的研究[14]。在其分析中，假設(shè)履帶-地面上形成的剪切應(yīng)力符合Coulomb(庫(kù)倫)摩擦定律，可以認(rèn)為摩擦是各向同性的或各向異性的。在后一種情況下，不同的擦系數(shù)值分配給履帶的縱向和側(cè)向。應(yīng)當(dāng)注意的是，Coulomb摩擦定律意味著，只要履帶單元和地面之間發(fā)生小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，最大剪切應(yīng)力將立即在帶單元上形成。第17章的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，只有在一定的剪切位移發(fā)生后，剪切強(qiáng)度將達(dá)到其最大值，如圖18.14所示。場(chǎng)地試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，利用Steeds方法預(yù)測(cè)的帶車(chē)輛的轉(zhuǎn)向行為與實(shí)際測(cè)試結(jié)果存在相當(dāng)大的差異。因此，Wong(黃)和Chiang(蔣)針對(duì)硬地面提出了滑移轉(zhuǎn)向力學(xué)改善的廣義理論[1,15]18.3.3.1 廣義理論發(fā)展的基本方法

履帶車(chē)輛滑移轉(zhuǎn)向廣義理論的改進(jìn)基于如下假設(shè):

1)地面為硬地面，因此可以忽略轉(zhuǎn)向過(guò)程的履帶沉陷和相關(guān)的帶側(cè)向推土作用。

2)轉(zhuǎn)向時(shí)，履帶-地面接觸的給定點(diǎn)形成的剪切應(yīng)力取決于該點(diǎn)的剪切位移，從初始與地面接觸開(kāi)始度量;對(duì)于具有橡膠履帶或橡膠墊的鋼制履帶，剪切應(yīng)力在橡膠與地面之間形成。

3)履帶-地面接觸點(diǎn)的剪切應(yīng)力方向與該點(diǎn)履帶和地面之間的滑移速度方向相反。

4)沿履帶縱向方向的剪切應(yīng)力分量構(gòu)成牽引或制動(dòng)力，而側(cè)向分量構(gòu)成帶的側(cè)向阻力，對(duì)履帶轉(zhuǎn)向中心的側(cè)向阻力的力矩構(gòu)成轉(zhuǎn)向阻力矩。

應(yīng)用廣義理論預(yù)測(cè)履帶車(chē)輛轉(zhuǎn)向特性的步驟如下所述，細(xì)節(jié)可以見(jiàn)文獻(xiàn)[1，15]。

①對(duì)于給定前進(jìn)車(chē)速和轉(zhuǎn)向半徑的特定轉(zhuǎn)向，基于運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，首先計(jì)算履帶-地面接觸點(diǎn)的剪切位移。

②)利用已知的剪切應(yīng)力-剪切位移的關(guān)系，確定履帶-地面接觸的剪切應(yīng)力分布。

③基于接觸點(diǎn)相對(duì)于地面的滑移速度方向，分析每個(gè)接觸點(diǎn)的剪切應(yīng)力方向。

④每個(gè)接觸點(diǎn)剪切應(yīng)力分解為關(guān)于履帶的縱向和側(cè)向分量。

⑤對(duì)整個(gè)履帶接觸區(qū)域的剪切應(yīng)力縱向分量積分，求得帶縱向力合力，相應(yīng)的鏈輪力矩等于縱向力與鏈輪節(jié)圓半徑乘積。

⑥對(duì)整個(gè)履帶接觸區(qū)域的剪切應(yīng)力側(cè)向分量積分，求得帶側(cè)向力合力由側(cè)向力合力對(duì)履帶轉(zhuǎn)向中心的力矩確定履帶轉(zhuǎn)向阻力矩。

⑦通過(guò)前面的分析，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向條件下履帶車(chē)輛動(dòng)力平衡方程為

履帶下各種法向壓力分布可以包含在廣義理論中，包括集中在負(fù)重輪下的履帶法向載荷、在負(fù)重輪下只由履帶連接支撐的瞬態(tài)法向載荷、履帶接觸長(zhǎng)度的連續(xù)法向載荷分布。

18.3.3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證前述的滑移轉(zhuǎn)向廣義理論的基本特性，對(duì)軍用履帶車(chē)輛的轉(zhuǎn)向特性進(jìn)行了預(yù)測(cè)，將結(jié)果與文獻(xiàn)[16]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。圖18.16給出了具

有理論轉(zhuǎn)向半徑的外側(cè)和內(nèi)側(cè)履帶鏈輪力矩的預(yù)測(cè)值變化，理論轉(zhuǎn)向半徑由外側(cè)和內(nèi)側(cè)履帶鏈輪角速度ω。和”;推導(dǎo)，忽略了履帶滑移;在各種車(chē)速下，具有不同類(lèi)型的法向載荷分布。圖中也繪制出了文獻(xiàn)「16]的試驗(yàn)結(jié)果。為進(jìn)行對(duì)比，將Steeds 方法的預(yù)測(cè)結(jié)果也繪制在圖中。

由圖可以看出，利用廣義理論獲得的預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果十分相似。兩者都表明鏈輪力矩隨著理論轉(zhuǎn)向半徑的增大而逐漸降低。相反，利用Steeds方法得到的預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差很大，鏈輪力矩的預(yù)測(cè)值在轉(zhuǎn)向半徑的大范圍內(nèi)接近于常數(shù)，尤其在低速下。Steeds方法預(yù)測(cè)較差的原因主要是由于只要帶和地面發(fā)生了相對(duì)小的運(yùn)動(dòng)，履帶-地面接觸的剪切應(yīng)力就立即達(dá)到最大值的假設(shè)。圖18.17a和圖18.17b為各種轉(zhuǎn)向半徑下沿著外側(cè)和內(nèi)側(cè)履帶縱向中心線的側(cè)向剪切應(yīng)力分布。值得注意的是，即使在履帶單元前部點(diǎn)與地面剛接觸時(shí)，側(cè)向力就達(dá)到其最大值。相反，基于廣義理論，外側(cè)和內(nèi)側(cè)履帶前接觸點(diǎn)的側(cè)向應(yīng)力是零，如圖18.18a和圖18.18b所示。也應(yīng)當(dāng)指出，在Steeds方法中，當(dāng)轉(zhuǎn)彎半徑大于特定值時(shí)，外側(cè)和內(nèi)側(cè)履帶側(cè)向剪切應(yīng)力分布基本保持一樣，如圖18.17中50m所示。基于 Steeds 方法，由于側(cè)向剪切力對(duì)于轉(zhuǎn)向中心的力矩構(gòu)成轉(zhuǎn)向阻力矩，這使得轉(zhuǎn)向半徑發(fā)生大范圍變化時(shí)，外側(cè)和內(nèi)側(cè)履帶的轉(zhuǎn)向阻力矩保持不變。

在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向過(guò)程中，外側(cè)和內(nèi)側(cè)履帶的鏈輪力矩用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)要求的力，形成履帶車(chē)輛的轉(zhuǎn)向力矩以克服地面上履帶側(cè)向滑移產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向阻力合成力矩。因此，如圖18.16所示，基于 Steeds 方法，當(dāng)轉(zhuǎn)向半徑大于某個(gè)值時(shí)外側(cè)和內(nèi)側(cè)履帶的鏈輪力矩保持基本不變。相反，基于廣義理論，側(cè)向剪切應(yīng)力的大小隨著轉(zhuǎn)向半徑的增大而減小，如圖18.18所示。因此，外側(cè)和內(nèi)側(cè)帶的鏈輪力矩大小隨著轉(zhuǎn)向半徑的增大而減小，如圖18.16所示。這表明，與Steeds理論相比，廣義理論對(duì)履帶車(chē)輛轉(zhuǎn)向行為提供了更實(shí)際和更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。同樣有趣的是，由圖18.16可以看出，在硬地面上法向載荷分布對(duì)帶車(chē)輛轉(zhuǎn)向行為影響不大。

18.3.3.3 側(cè)向阻力系數(shù)

在18.3.2小節(jié)給出的滑移轉(zhuǎn)向力學(xué)簡(jiǎn)化分析中，在轉(zhuǎn)向過(guò)程中預(yù)測(cè)作用在履帶上的側(cè)向力和轉(zhuǎn)向阻力矩時(shí)，引人了側(cè)向阻力系數(shù)…，也稱為側(cè)向摩擦系數(shù)。如果法向壓力是沿著履帶均勻分布，則轉(zhuǎn)向滑移引起的轉(zhuǎn)向阻力矩M由式(18.15)給出。

式(18.15)表明，轉(zhuǎn)向阻力矩M,獨(dú)立于轉(zhuǎn)向半徑。然而，試驗(yàn)證據(jù)表明

18.3.4 輪式越野車(chē)輛轉(zhuǎn)向

大多數(shù)輪式越野車(chē)輛的轉(zhuǎn)向是通過(guò)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改變前輪的方向，類(lèi)似于道路車(chē)輛。對(duì)于多軸越野輪式車(chē)輛，如裝甲車(chē)輛，除了前輪外，在一些情況下中間輪也可以進(jìn)行轉(zhuǎn)向。輪式車(chē)輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)首要考慮的問(wèn)題是轉(zhuǎn)彎時(shí)最小輪胎摩擦這要求轉(zhuǎn)向過(guò)程中所有輪胎應(yīng)當(dāng)處于純滾動(dòng)狀態(tài)，側(cè)向滑移最小。為了滿足這個(gè)要求，車(chē)輪應(yīng)當(dāng)根據(jù)彎曲路徑對(duì)共同轉(zhuǎn)向中心具有不同的轉(zhuǎn)向半徑。前輪和中間輪可以轉(zhuǎn)向的6x6車(chē)輛，如圖18.20所示，這在同一車(chē)軸內(nèi)外車(chē)輪轉(zhuǎn)角之間確定了合適的關(guān)系。

滿足式(18.24)的轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系，通常稱為Ackermann(阿克曼)轉(zhuǎn)向幾何。

在許多方面上，輪式越野車(chē)輛的操縱性與道路車(chē)輛的操縱性類(lèi)似。由于道路車(chē)輛的轉(zhuǎn)向特性在本書(shū)的其他章中已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，這里就不再重復(fù)說(shuō)明。然而，兩者之間也有不同。例如，許多情況下輪式越野車(chē)輛在未準(zhǔn)備地面上行駛的車(chē)速遠(yuǎn)低于道路車(chē)輛在路面上行駛的速度。因此，在這些情況下，分析輪式越野車(chē)輛操縱性時(shí)，可以忽略離心力的作用。而且，在未準(zhǔn)備地面上，輪胎的側(cè)向力-側(cè)偏角的關(guān)系通常也與路面上具有很大不同。圖18.21給出了拖拉機(jī)前輪(7.5-18AS)的側(cè)向力系數(shù)(即側(cè)向力與法向載荷之比)與側(cè)偏角在路面和未準(zhǔn)備地面上的關(guān)系。由圖可以看出，輪胎行駛在未準(zhǔn)備地面和路面上，輪胎的轉(zhuǎn)向行為有顯著的區(qū)別。應(yīng)當(dāng)提到的是，在分析和試驗(yàn)方面，在未準(zhǔn)備地面上輪胎的轉(zhuǎn)向行為還未研究過(guò)，而在路面上輪胎的轉(zhuǎn)向行為已經(jīng)廣泛研究。這是個(gè)需要進(jìn)行深入研究的領(lǐng)域，以便更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)輪式越野車(chē)輛在未準(zhǔn)備地面上的操縱性。

除了前述的Ackermann轉(zhuǎn)角，鉸接轉(zhuǎn)向也在越野輪式車(chē)輛中得到應(yīng)用，尤其是重型輪式越野車(chē)輛。文獻(xiàn)[19]給出了輪式越野車(chē)輛鉸接轉(zhuǎn)向的詳細(xì)分析。總之，盡管滑移轉(zhuǎn)向簡(jiǎn)化分析提供了對(duì)履帶車(chē)輛操縱行為的基本理解，但是其不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)履帶車(chē)輛的轉(zhuǎn)向特性。Wong和Chiang提出的滑移轉(zhuǎn)向廣義理論提供了預(yù)測(cè)履帶車(chē)輛轉(zhuǎn)向行為的改進(jìn)方法，其基本特點(diǎn)通過(guò)場(chǎng)地試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)于輪式越野車(chē)輛，為提高其操縱行為的預(yù)測(cè)，需要對(duì)輪胎在未準(zhǔn)備地面上的轉(zhuǎn)向行為進(jìn)行深入研究。

本文摘編自《車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)手冊(cè) 第2卷，整車(chē)動(dòng)力學(xué)》 ，機(jī)械工業(yè)出版社出版，經(jīng)出版方授權(quán)發(fā)布。

本叢書(shū)對(duì)車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模、分析與優(yōu)化，車(chē)輛概念和空氣動(dòng)力學(xué)，充氣輪胎和車(chē)輪-道路/越野，車(chē)輛子系統(tǒng)建模，車(chē)輛動(dòng)力學(xué)和主動(dòng)安全，人機(jī)相互作用，智能車(chē)輛系統(tǒng)，以及車(chē)輛事故重建被動(dòng)安全進(jìn)行了全面描述。

本叢書(shū)由來(lái)自23所大學(xué)與9家知名企業(yè)的50余位專(zhuān)家共同編寫(xiě)，以科學(xué)界與工業(yè)界的視角對(duì)知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了平衡，代表了目前車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)技術(shù)發(fā)展的水平，適合汽車(chē)工程師與汽車(chē)專(zhuān)業(yè)師生閱讀使用。