松软地面的越野车通过性研究

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轮胎作为车辆与地面接触的重要部分,不仅起到承载车辆重量,而且对车辆牵引力和驱动力影响极大,这种情况对越野车辆尤为明显。因此,深入研究轮胎-松软地面的作用机理,分析车轮的驱动和牵引性能,对提高车辆的通过性具有重要的意义。本文主要基于理论分析与试验验证相结合的方式,对越野车轮的通过性能的影响因素进行综合评价研究。  首先,基于理论分析法对弹性轮胎的变形规律进行了研究。找出了一种适用于松软地面的弹性轮胎变形规律,并推导出弹性轮胎的有效半径公式。然后,结合理论分析方法分析车轮对土壤的作用情况,包括轮胎与松软地面接触区域的应力分布规律;将最大应力处作为应力分布区分界线,推导了破坏前区和后区的法向应力和剪切力计算公式,并据此对牵引力、压实阻力、推土阻力、滑转阻力和轮胎变形阻力进行了分析。  其次,土壤参数的获取。为了获得车轮通过性理论研究和仿真分析的必要土壤参数,进行了三轴试验和压板试验,分别获得土壤的剪切特性参数和土壤承压特性参数。  第三,单轮-土槽试验台的设计。对试验土槽的驱动部分、拖拽部分、数据采集部分进行了详细的设计。利用驱动电机和变频器实现对转速和行驶速度的控制;设计使用动态扭矩传感器、位移传感器、转速传感器、压力传感器分别实现对驱动力、牵引力、沉陷量、行驶速度、滑转速度以及压力分布的采集,并编写Labview采集程序进行数据采集。  最后,进行通过性仿真分析和试验研究。利用Matlab建立了仿真程序,仿真得到滑转率与牵引力、驱动力、沉陷量和总阻力等通过性参数的关系。为验证仿真结果的合理性,设计正交试验和单因素试验,并利用单轮-土槽试验台完成相应的试验。  正交试验引入胎压、载荷、滑转率和行驶速度四个因素三水平探寻对牵引力、驱动力、总阻力和沉陷量等通过性能的影响。通过对正交试验的分析可知:驱动轮胎载荷为5000N时,通过性能最高。但是随着载荷的提高,通过性能的提高逐渐变缓;过高或者过低的滑转率和行驶速度都会降低通过性能;较低的胎压(1.0kg/cm2)有助于提高驱动力和牵引力,但是中等胎压(2.0kg/cm2)情况下行驶总阻力最小。  单因素试验控制滑转率的变化,得出轮胎与土壤接触区域的纵向和横向应力分布。随滑转率的增大,纵向应力分布的峰值向接近角的位置偏移,且数值都呈现先减小后增长的趋势,只是极值点因轮胎的横向位置而略有不同;而横向应力的峰值逐渐从轮胎两侧边缘向轮胎中心移动,且峰值在不断减小,当滑转率超过14.7%时,峰值又开始向轮胎两侧偏移,但是随着滑转率继续增大,横向应力分布仍保持M形。通过牵引力特性分析可知:沉陷量、牵引力、驱动力和总阻力随滑转率关系的试验值和预测值一致性较好。沉陷量与滑转率呈现正相关性,当滑转率超过40%后,沉陷增幅明显变大;驱动力和牵引力的变化趋势相同,都是随滑转率的增大,呈现先增长后减小的趋势,最后达到稳定状态;总阻力的预测值随滑转率增幅较小,呈现稳定趋势。因此为保证车轮产生较好的牵引特性,滑转率应控制在20%左右。
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