车辆地面力学现状及其发展

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1、车辆地面力学现状及其发展杨香付（北京航空航天大学 汽车工程系）摘要：车辆地面力学是一门将车辆动力学与土力学相结合的交叉学科 ,主要涉及车辆、地面及其相互作用的动力学等方面问题的研究。本文回顾了车辆地面力学的发展历程，在广泛调研基础上 ,综述了该领域目前的 研究现状、研究手段及方法,同时介绍了车辆地面力学的应用、车辆地面力学的发展趋势。对今后车辆与地面相 互作用问题的进一步深入研究具有重要的参考价值和指导意义。关 键 词： 地面车辆力学 应用 发展趋势The development of vehicle-terrain mechanicsyangxiangfu(Dept。 of Automobi

2、le Engineering， Beijing University of Aeronautics and Astronautics)Abstract: In this paper,the introduction of the history and state of the art of vehicle-terrain mechanics is given,in which the theories and methods used in this field are also presented and compared. This review not only summarizes

3、the work and performance of the vehicle-dynamic mechanics in the last 40 years but also provides the valuable suggestions and references for the further research in this area. 。Key words : vehicle-terramechanics ; application;developing trend。在第二次世界大战中使用结果表明：在同样的轴荷地面车辆力学是研究各种越野车辆（越野汽车、 拖拉机、农业用汽车和工程用

4、车辆、装甲车、坦克 等）与地面、地形之间的关系，以改进车辆设计并 提高其通过性的一门边缘学科。1 车辆地面力学发展简史目人们认为，只要加大轮胎或履带的接地面积 （如增加轮胎数、降低轮胎气压或加大轮胎或履带 的尺寸）以减轻对地面的单位压力，并加大发动机 功率以提高驱动力，车辆就能有良好的通过松软地 面的能力。根据这一概念曾设计出 3轴 10 轮（双后 轴，每轴端各装双轮胎，10 轮驱动）军用越野货车。图 1 ：军用越野货车下，双轮胎的行驶阻力加大，效果不佳。这就引起 人们开始系统地研究轮胎、履带等在各种地面上的 驱动力、阻力、下陷和滑转及滑移等的变化规律和 相互关系，以解决越野车辆设计问题。19

5、40 年，德 国R.伯恩斯坦用公式q=KZ 1/2表示下陷量Z与单 位接地面积压力q的关系（K为土壤变形模量），后 来的研究者将公式普遍化为q=KZn。1944年，英 国的E.W.E.迈克尔思韦特提出如下公式：车辆的最大驱动力F，可以从库仑土壤剪切应力公 式T=c+qtgy （c为土壤单位面积内聚力；（p为土壤 内摩擦角）推导而得，即F=cA+qAtgp （A为接地 面积）。在加拿大国防部工作的M.G贝克在此基础 上进一步研究了土壤承载能力的稳定性，以及土壤 塑性变形所引起的行驶阻力等问题，并提出更精确 而普遍的公式 百= +堺tg-exp （-2 _ J疋孑 一 1 ）1 3 公式式中b为加

6、载面积的宽度或半径；Kc、K巾分 别为土壤内聚变形模量和摩擦变形模量； K2、 K1 为实际测定的系数；Ymax是t的表达式右端括号 内部分的最大值，当此值达到最大时，即为库仑公 式T=c+qtg申；徴为产生剪应力t的土壤变形量。此 式主要用于粘性不大的土壤。1960 年贝克将行走过 程分解为加载和剪切过程，分别用承压仪和剪切仪 测量土壤的Kc、K巾、n、c、申和K 6个参数，这6 个参数称为贝氏值。1961年，英国的A.R.里斯提出 适用于塑性土壤的t值简化公式，K为土壤水平变 形模量。 贝克、里斯等的研究和试验，使地面车辆 力学由经验和直接试验阶段进入了试验与理论结合 较密切的半经验阶段。

7、现代有的研究者尝试从土壤 力学的基本理论出发来分析机器土壤力学关系。如 里斯等认为英国剑桥大学土壤力学小组提出的土壤 临界状态理论已使土壤应力和孔隙变化相联系，对 研究滑转变形很适用，很有发展前途。另外，还有 借用流变学理论建立的土壤流变学模型等。贝克首 先提出地面车辆力学理论，建立了试验方法， 1956 年出版了有关地面车辆力学的第一本专著陆用车 辆行驶原理。他被公认为这一学科的创立者。1961 年，美国和意大利陆军在都灵召开第一次国际 性地面车辆力学学术会议。 1962 年，成立国际地面 车辆系统学会。中国从 60年代开始这一学科的研 究，主要注意水田拖拉机和耕作机械设计，研制水、 旱田土

8、壤参数测量仪器，研究水田土壤的流变性质 和土壤在行走机构的金属上粘附现象。 1982 年成立 了地面机械系统研究会。2、车辆地面力学应用分析地面车辆力学从一开始就是一门理论与试验并重 的学科。用土壤车辆力学的基本公式可以计算出车 辆在不同的载荷和滑转系数下的驱动力、下陷量和 运动阻力，并推导出一些重要的新概念。用土壤车 辆力学的基本公式可以计算出车辆在不同的载荷和 滑转系数下的驱动力、下陷量和运动阻力，并推导 出一些重要的新概念。例如，在沙地(内聚力 c=0 ) 上车辆的最大驱动力只与其重量W(=qA)有关，而 与接地面积A无关；在泥浆(摩擦角申=0)上最大 驱动力只与接地面积A有关，而与重量

9、W无关。 又如对于接地面积A,如宽度大而长度小，则容易 出现滑转，行驶效率不高。贝克还从动物的运动方 式和相应的能量消耗对比推论，认为列车式是越野 车辆的合理的车辆形态。根据这一理论研制出一些 新车型，如在雪地行驶的囊式轮胎列车，在沼泽地 行驶的无腹式履带车和间隔式履带板，螺旋推进式 汽车，在月球上行驶的月球车(MO-LAB)等。在中 国， 利用这一理论研制出机耕船、水田拖拉机等。3、试验方法分析地面车辆力学从一开始就是一门理论与试验并 重的学科。美国陆军水道试验站(WES)于1942年 用标准圆锥仪压入土壤，其单位底面积上的平均压 力即为圆锥指数。这个试验站还对细粒土壤规定了 重塑试验(将欲

10、测土壤不经扰动装入一小圆筒，以 规定的重锤自规定的高度落下，按规定次数来回捶 击，称为重塑)。将重塑后的圆锥指数与重塑前的圆 锥指数相比，称为重塑指数。土壤的可行驶性是以 额定圆锥指数来表示的，额定圆锥指数是圆锥指数 与重塑指数的乘积。为了可与土壤比较，又为各种 车辆定出车辆圆锥指数。它是车辆在同一车辙中通 过 50 次后的土壤的最小额定圆锥指数。它受车重、 行走机构类型、发动机功率、传动型式及地隙等因 素的影响。只要土壤的额定圆锥指数等于或大于车 辆圆锥指数，车辆就能在这种土壤上行驶。 圆锥穿 入度仪结构简单，应用很普遍，可用飞机投掷，其 尾部结构可以按穿入深度而使不同颜色的翼片张 开，能快

11、速查明大面积地面的土壤可行驶性。 贝克 建立陆地行驶实验室，创制测定土壤参数的贝氏仪， 并用 10 年时间建立了一套地面值。各国的地面力学 实验室都设置模拟土壤槽、测力车和其他试验设备， 以测定土壤参数和土壤与车辆行走机构之间的力的 关系。3 、车辆地面力学的研究方向地面车辆力学的研究工作开展得较为广泛，主要 课题有：土壤参数测定方法和测绘可行驶性地图； 研究土壤的基本力学性质；用各种新技术如有限元 法计算土壤的变形和应力；研究轮胎、履带与土壤 的相互作用力；车辆驶过不平路面时的振动特性， 越野经济性及其评价指标等。这些研究课题涉及车 辆的动力学、静力学、土壤力学、统计理论、农业 科学、军事科

12、学和系统工程等。4 、车辆地面力学的的发展趋势地面车辆系统力学的理论，并不断地用现场试验 来校核、修正。贝克的研究方法即属此类，应用较 广。基本理论研究法用塑性理论或有限元法来研究 地面与车辆行走系统的相互作用。这方面的研究目 前刚开始起步。模型试验和因次分析法用模型试验 来寻求和验证地面与车辆性能间的相互关系。把自 然物理现象中与车辆行驶过程有关的因素按一定比 例缩小后，放到 试验室的土槽中进行观察测量，然 后再把结果按一定比例放大，从而得到产生于原型 中的物理现象。这种方法可以很好地控制所有参数 和试验条件，对于一些 简单的基本概念可以很快进 行推断，并可消除或减少 某些干扰因素。模型试验

13、 的理论基础是因次分析。这种方法的主要问题是地 面性质的模型化问题。有两种解决办法：一种是使 用将地面性质按一定比例缩小的人工土坡，另一种 是采用崎变模型。计算机模拟及仿真法将用以描述地面、车辆、驾驶 员的各种变量，在模拟计算时输人电子计算机；输 出数据为给定地面条件下的实际最大车速或限制车 速。如把影响变量的组合因素看成是一个独立的参 数，就可绘制出车辆沿特定路线可能行驶的速度分 布图。这是一种研究地面一车辆系统力学的最新方 法，其最终目的是建立一个适合于计算机的程序并 可用简单数学 式表示的预测系统。 地面一车辆系 统力学(terrain, vehicle, tem meehanies)研

14、究和定量 描述各种车辆 括拖拉机、自走式机械等)与地面间 力学关系的学 借以建立地面一车辆系统的数学模 型；分析研究其内的关键环节，进行系统分析；使 各种车辆的设计择和运用实现最优化。地面车辆力学从一开始就是一门理论与试验并 重的学科。地面车辆力学的研究工作开展得较为广 泛，用土壤车辆力学的基本公式可以计算出车辆在 不同的载荷和滑转系数下的驱动力、下陷量和运动 阻力，并推导出一些重要的新概念。地面车辆力学 是研究各种越野车辆与地面、地形之间的关系，以 改进车辆设计，提高其通过性的一门边缘学科。参考文献:1 张克健。车辆地面力学2 庄继德。计算汽车地面力学3 钱向阳。车辆地面力学研究现状与展望。