何建軍,別爾德別克·吾贊

（裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械系,北京 100072）

履帶車輛和輪式車輛外部行駛阻力的對比分析

何建軍,別爾德別克·吾贊

（裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械系,北京 100072）

在大型的工程機(jī)械當(dāng)中，輪式的車輛和履帶式的車輛都被廣泛應(yīng)用。履帶車輛具有較好的通過性，而輪式車輛機(jī)動性較好。這兩種車輛在工作行駛過程中都會受到外部的行駛阻力，其外部行駛阻力的產(chǎn)生機(jī)理有所差別，通過對比這兩種車輛的外部行駛阻力，為工程機(jī)械的選擇提供一定的依據(jù)。

履帶車輛；輪式車輛；外部行駛阻力；對比分析

1　輪式汽車外部行駛阻力的形成與計算

1.1 形成機(jī)理

（1）滾動阻力。車輪滾動時，輪胎與路面的接觸區(qū)域產(chǎn)生法向、切向的相互作用以及相應(yīng)的輪胎和支撐路面的變形。當(dāng)彈性輪胎在硬路面上滾動時，主要以輪胎變形為主。此時由于輪胎有內(nèi)部摩擦產(chǎn)生彈性遲滯損失。進(jìn)一步分析，便可知道這種遲滯損失表現(xiàn)為阻礙車輪滾動的一種阻力偶。（2）空氣阻力。車輛在直線行駛時受到空氣作用力在行駛方向上的分力稱為空氣阻力。空氣阻力分為壓力阻力和摩擦阻力兩部分。作用在汽車外表面上的法向壓力的合力在行駛方向的分力稱為壓力阻力；摩擦阻力是由于空氣的黏性在車身表面產(chǎn)生的切向力的合力在行駛方向的分力。壓力阻力又分為四部分：形狀阻力、干擾阻力、內(nèi)循環(huán)阻力和誘導(dǎo)阻力。形狀阻力占壓力阻力的大部分，主要跟車身形狀有很大關(guān)系，干擾阻力是車身表面的突起物如后視鏡、門把、引水槽等引起的阻力；發(fā)動機(jī)冷卻系，車身通風(fēng)等所需空氣流經(jīng)車體內(nèi)時構(gòu)成的阻力，即為內(nèi)循環(huán)阻力；誘導(dǎo)阻力是空氣升力在水平方向的投影。（3）坡度阻力。當(dāng)車輛在坡道上行駛時，車身自重力會沿坡道有一個分力，這個力表現(xiàn)為汽車的坡度阻力。（4）加速阻力。車輛在加速行駛時，需要克服其質(zhì)量加速運(yùn)動時的慣性力，這個力表現(xiàn)為加速阻力。這里車輛自身的質(zhì)量包括平移質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量。

1.2 數(shù)學(xué)計算模型

在設(shè)計計算模型的時候，上面所提到的空氣阻力、加速阻力大多都是在車輛高速行駛的時候才會考慮的，一般的工程機(jī)械在作業(yè)的時候行駛速度都很慢或者是處于靜止?fàn)顟B(tài)作業(yè)，所以這兩個阻力的影響就相對于很小，在此計算時作忽略處理。這里只考慮在水平路面上作業(yè)的情況，所以坡度阻力也不做考慮。輪式車輛在松軟土體上的外部行駛阻力，主要是由于壓實(shí)土體形成輪轍而消耗能量所致。假設(shè)車輪為剛性的，車輪寬度為b，輪轍深度為，這里運(yùn)用功耗平衡原理計算滾動阻力。壓縮單位面積土體所做的功P可以計算出來：

采用經(jīng)典的貝克地面力學(xué)理論，可知壓力和變形的關(guān)系為：

如果假設(shè)車輪的作用僅僅是在垂直方向壓實(shí)土體，那么當(dāng)寬度為b的車輪滾過長度為L的距離時克服滾動阻力為所做的功應(yīng)該是：

帶入上式后得到：

2　履帶式車輛外部行駛阻力的形成與計算

2.1 形成機(jī)理

履帶式車輛的行駛阻力通常是指從驅(qū)動輪開始的整個行走裝置在機(jī)械行駛時產(chǎn)生的阻力。這個阻力可分為兩部分：一部分是由行走機(jī)構(gòu)各摩擦副中的摩擦阻力產(chǎn)生的（包括驅(qū)動輪軸承中的損失摩擦），稱為內(nèi)部行駛阻力；另一部分是由車輛行駛在前方履帶下土壤的垂直變形引起的，稱為外部行駛阻力。咱們這里所研究的都是外部行駛阻力，不涉及到內(nèi)部行駛阻力。

2.2 數(shù)學(xué)計算模型

履帶車輛的外部行駛阻力主要是由于壓實(shí)土體形成車轍而消耗能量所形成的，基于此我們可以采用功能轉(zhuǎn)換法來計算外部行駛阻力。當(dāng)履帶車輛前進(jìn)距離為L時，車輛壓實(shí)土體消耗的功P為：

在此也采用經(jīng)典的貝克地面力學(xué)理論來計算，即：

則有：

3　對比分析

3.1 形成機(jī)理的對比

由上面的敘述我們不難看出，輪式車輛的外部行駛阻力主要是由車輪跟地面接觸導(dǎo)致車輪變形或者是地面變形亦或者是兩者都變形后引起的功的損失，這種損失可以看做是外部阻力所做的功。另外，輪式車輛的外部行駛阻力跟車速還有比較大的關(guān)系，當(dāng)車速比較高的時候，空氣阻力的大小跟車速是成平方的關(guān)系，車速高自然空氣阻力會大幅度增加，這也是外部行駛阻力的一部分，在車速較高時不能忽略。

而履帶車輛的外部行駛阻力取決于車輛的參數(shù)和土體的物理機(jī)械性能。在此，土的物理機(jī)械性能對履帶車輛的外部行駛阻力有著更大的影響。對于經(jīng)常在越野條件下及松軟的地面行駛的工程機(jī)械和坦克而言，研究土體受壓是的車輛沉陷程度在這就顯得尤為重要了。

綜上，我們不難看出，輪式車輛和履帶車輛的外部行駛阻力在形成機(jī)理上還是有一定的差別的。輪式車輛主要與輪胎特性和自身車身結(jié)構(gòu)有較大關(guān)系，而履帶車輛除了與履帶板結(jié)構(gòu)有關(guān)外，而更多的則是和地面本身的物理機(jī)械性質(zhì)又較大關(guān)系。

3.2 對比分析

在相同的地面條件下，一樣的載荷作用下，對比分析輪式車輛和履帶車輛的外部行駛阻力。運(yùn)用MATLAB編寫程序，實(shí)現(xiàn)仿真分析。由上可知，輪式車輛的外部行駛阻力計算公式為：

履帶式車輛的外部行駛阻力計算公式為：

由圖1可以看出，在相同的載荷和一樣的地面條件下，輪式車輛的外部行駛阻力要比履帶式車輛的外部行駛阻力大得多，而且它們倆都隨著載荷的增大而增大。

通過上面我們可以看出，在相同的外部條件下，輪式車輛的外部行駛阻力要比履帶式的大得多，如果想要這兩類車輛的外部行駛阻力一樣的話，那么就得增加輪式車輛輪胎的直徑，根據(jù)理論，輪胎直徑越大，外部行駛阻力就越小，但是由于實(shí)際的限制，輪胎的直徑不可能無限的大。這也給我們提供了一個依據(jù)，在實(shí)際允許的情況下，對于工程車輛來說，輪胎的直徑是越大越好，這也映證了我們在實(shí)際生活中看到的工程車輛的輪胎一般都比較大的現(xiàn)象。不可否認(rèn)，輪胎的外部行駛阻力要比履帶的大，但是輪式車輛的機(jī)動性能卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了履帶式車輛的機(jī)動性能，它們倆各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。通過這個研究，我們在做選擇的時候就可以根據(jù)這個理論選出更加合理，更加符合自己要求的工程機(jī)械。這將大大減少我們工程機(jī)械的使用成本。

[1]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[2]楊士敏,傅香如.工程機(jī)械地面力學(xué)與作業(yè)理論[J].北京:人民交通出版社,2010.

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[4]宿月文,朱愛斌等.履帶機(jī)械地面力學(xué)建模及牽引性能仿真實(shí)驗(yàn)[J].西南交通大學(xué)學(xué)報,2009.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.182