提升越野汽車駐坡能力的方法研究

代新鵬，賀小波，趙浩浩

提升越野汽車駐坡能力的方法研究

代新鵬，賀小波，趙浩浩

（陜西重型汽車有限公司 汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

以某4×4越野汽車為研究對(duì)象，通過(guò)建立力學(xué)模型，首先分別計(jì)算出該車在常規(guī)駐坡操作下上坡和下坡兩種情況的極限駐坡度，后為提升該車的駐坡能力，在不改變車輛制動(dòng)系結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，通過(guò)將分動(dòng)器前橋差速鎖鎖止的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。最后通過(guò)理論分析驗(yàn)證了該操作的可行性和合理性，文章對(duì)于駐坡要求較高的汽車具有理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義。

越野汽車；差速鎖至；駐坡能力

引言

汽車的駐坡能力是指即使在駕駛員離開(kāi)的情況下，車輛也能安全可靠地停駐在上、下坡上的能力，它是車輛制動(dòng)性能評(píng)價(jià)體系中非常重要的一個(gè)指標(biāo)。該指標(biāo)通常用汽車能停駐的最大坡度（包括上坡和下坡兩種工況須同時(shí)滿足）表示。近年來(lái)，伴隨各種全驅(qū)專用車輛（如消防車、除雪車）的出現(xiàn)，其特殊的工況對(duì)駐坡度的要求也越來(lái)越高，那么如何提升此類車輛的駐坡能力也就成為車輛初始設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的因素。此類車型由于前橋?yàn)檗D(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋，不宜布置駐車制動(dòng)機(jī)構(gòu)，所以一般都采用后橋彈簧儲(chǔ)能斷氣制動(dòng)的方式，教材上只對(duì)非全驅(qū)車型的駐坡能力進(jìn)行了論述。本文闡述了越野汽車在全驅(qū)駐車模式下的極限駐坡能力，并提出了一種新的提升越野汽車駐坡能力的方法，最后通過(guò)理論分析驗(yàn)證了該操作的可行性和合理性。

1 某4×4越野車參數(shù)介紹

該車駐車制動(dòng)采用彈簧儲(chǔ)能斷氣制動(dòng)方式，作用于后橋左右車輪上，與駐車計(jì)算有關(guān)的參數(shù)如表1。

2 常規(guī)操作下極限駐坡度的計(jì)算

常規(guī)操作下（拉起手制動(dòng)閥）的極限駐坡度計(jì)算因汽車設(shè)計(jì)教材（劉惟信編著）[1]上有詳細(xì)講解，所以此處省略駐坡力學(xué)模型及公式推導(dǎo)過(guò)程，直接使用結(jié)論來(lái)計(jì)算在上下坡時(shí)的極限駐坡度：

表1 與駐車計(jì)算有關(guān)的參數(shù)

參數(shù)數(shù)值 滿載質(zhì)量ma/kg11 000 軸距L/mm3 900 質(zhì)心到前橋中心距離L1/mm1 378 質(zhì)心到后橋中心距離L2/mm2 522 質(zhì)心高度hg/mm1 020 輪胎靜力半徑R/m0.52 路面附著系數(shù)φ0.70 后橋制動(dòng)器駐車制動(dòng)力矩/Nm23 400

汽車在上坡時(shí)可能停駐的極限上坡路傾角為：

汽車在下坡時(shí)可能停駐的極限上坡路傾角為：

將本車的參數(shù)代入后求得：

根據(jù)駐坡度的定義，該車的最大駐坡度取上坡和下坡兩種工況下較小的值，數(shù)值為11.81°。

3 全驅(qū)模式下極限駐坡度的計(jì)算

3.1 上坡停駐時(shí)極限駐坡度

圖1為該越野汽車在上坡路上停駐的受力情況，由圖可得汽車上坡停駐時(shí)各橋車輪的垂直載荷[2]：

圖1 4×4越野車全驅(qū)駐坡模式下上坡停駐受力簡(jiǎn)圖

對(duì)前橋地面與車輪接觸點(diǎn)列力矩平衡方程求后橋垂直載荷2：

后橋地面提供的附著力為：

對(duì)后橋地面與車輪接觸點(diǎn)列力矩平衡方程求前橋垂直載荷1：

前橋地面提供的附著力為：

當(dāng)駕駛員將分動(dòng)器差速鎖鎖止時(shí)，連接前后橋的傳動(dòng)軸變?yōu)橐粋€(gè)剛性整體，當(dāng)后橋制動(dòng)器制動(dòng)力矩足夠大時(shí)，可將后橋制動(dòng)器制動(dòng)力矩中超過(guò)后橋地面附著力矩的差值部分轉(zhuǎn)移到前橋，使前橋也參與駐車制動(dòng)。此時(shí)可根據(jù)前后橋車輪附著力之和與車輛的下滑力相等的條件求得汽車在上坡路上停駐的坡度極限傾角，即由：

求得本越野車不考慮制動(dòng)器制動(dòng)力矩（假設(shè)制動(dòng)器提供的制動(dòng)力矩足夠大）時(shí)理論上坡極限駐坡角：

（5）式提供了假設(shè)制動(dòng)器駐車制動(dòng)力矩足夠大時(shí)由地面提供的附著力所決定的越野車?yán)碚摌O限駐坡角。

再按此駐坡角檢驗(yàn)制動(dòng)器駐車制動(dòng)力矩是否能滿足。

按此駐坡角的整車下滑力矩為：

該越野車后橋制動(dòng)器駐車制動(dòng)力矩為23 400 Nm，小于下滑，所以該越野車的極限駐坡角應(yīng)由制動(dòng)器最大制動(dòng)力矩決定，按后橋制動(dòng)器最大駐車制動(dòng)力矩等于整車下滑力矩列式：

mg sin= 23 400，求得24.67°

在此駐坡度下可按（3）（4）式求得前、后橋地面提供的附著力分別為：

附著=2+1=68 552 N

下滑= mg sin= 11 000×9.8×sin 24.67=44 994 N，

附著＞下滑

可見(jiàn)，在此坡度下，汽車整車地面提供的附著力大于車輛的下滑力，車輛可安全可靠地停駐，后橋地面提供的附著力完全利用，超出后橋的整車下滑力由前橋承擔(dān)，前橋承擔(dān)的下滑力為下滑（44 994?32 467）=12 527 N，約占前橋地面提供最大附著力1的34.7%。

3.2 下坡停駐時(shí)極限駐坡度

同樣，在下坡停駐時(shí)，駕駛員也將分動(dòng)器差速鎖鎖止，根據(jù)受力分析推導(dǎo)可知，由附著力決定的極限駐坡角和由制動(dòng)器制動(dòng)力矩決定的駐坡角均和上坡情況一樣，不同的是各橋間提供的附著力發(fā)生了變化，下面求出該越野車下坡駐坡時(shí)各橋的附著力。

圖2為該越野汽車在下坡路上停駐的受力簡(jiǎn)圖，其各橋地面提供的附著力的推導(dǎo)過(guò)程同上坡停駐。

圖2 4×4越野車全驅(qū)駐車模式下下坡停駐受力簡(jiǎn)圖

后橋地面提供的附著力為：

前橋地面提供的附著力為：

將參數(shù)代入后求得：

附著=2+1=68 552 N

下滑= mg sin= 11 000×9.8×sin 24.67=44 994 N，

附著＞下滑

可見(jiàn)，下坡停駐時(shí)，整車地面提供的附著力大小和上坡一樣，也大于車輛的下滑力，車輛可安全可靠地停駐，此時(shí)，前橋地面提供的附著力完全利用，超出前橋的整車下滑力由后橋承擔(dān)，后橋承擔(dān)的下滑力為下滑（44 994?15 982）=29 012 N，約占后橋地面提供最大附著力2=52540 N的55.2%。

4 結(jié)果對(duì)比及原因分析

不同操作模式下該越野車的極限駐坡角見(jiàn)表2：

表2 不同駐坡模式下的極限駐坡角

項(xiàng)目常規(guī)模式駐坡全驅(qū)模式駐車比較結(jié)果 上坡極限駐坡角16.84°24.67°+46% 下坡極限駐坡角11.81°24.67°+108%

由以上比較結(jié)果可知，該越野車在全驅(qū)模式下不論是上坡駐坡還是下坡駐車，其駐坡能力較常規(guī)模式駐坡均有很大提升，究其原因是分動(dòng)器差速鎖鎖止后前、后橋傳動(dòng)軸變?yōu)橐粋€(gè)剛性整體，當(dāng)后橋制動(dòng)器制動(dòng)力矩足夠時(shí)，可將后橋制動(dòng)器制動(dòng)力矩超過(guò)后橋地面附著力矩的差值部分轉(zhuǎn)移到前橋，使得前橋也能參與駐車制動(dòng)，這樣后橋制動(dòng)器制動(dòng)力矩就不會(huì)有浪費(fèi)。而常規(guī)駐車模式下，由于只有后橋車輪受地面附著力，其大小受地面對(duì)車輛垂直載荷力的限制，制動(dòng)器最大制動(dòng)力超出附著力的部分無(wú)法轉(zhuǎn)移，其能力沒(méi)有得到充分利用，所以駐坡能力較全驅(qū)模式駐車差。

5 結(jié)論

該4×4越野車在全驅(qū)模式下駐坡時(shí)，不論是上坡還是下坡工況，其駐坡能力均較常規(guī)模式駐坡有很大提升。此操作方法也得到了理論和實(shí)踐的驗(yàn)證，證明在不對(duì)車輛駐坡制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)更改的情況下只通過(guò)鎖至分動(dòng)器差速鎖也可提高車輛駐坡度，此方法對(duì)其他類型的全驅(qū)車在提升駐坡能力方面也具有理論和實(shí)踐意義。

[1] 劉惟信.汽車設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.

[2] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

Research of Lifting Off-road Vehicle Parking Capacity

DAI Xinpeng, HE Xiaobo, ZHAO Haohao

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Automotive Engineering Research Institute, Shaanxi Xi'an 710020 )

This article focuses on the parking capacity of an off-road heavy-duty vehicle.Through establishing mechanical model and theoretical analysis, we can get the up slope and down slope parking capacity under normal conditions. In order to lift the parking capacity, we use the differential lock function of the transfer case without changing other conditions. In the last, this article analysis the feasibility and rationality of this method. This method has special reference to the high parking capacity requirements vehicle in design theory and practical operation.

Off-road car; Differential lock to;Parking capacity

U461

A

1671-7988(2021)23-44-03

U461

A

1671-7988(2021)23-44-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.012

代新鵬，男，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，研究領(lǐng)域?yàn)槠嚨妆P設(shè)計(jì)。