车辆牵引力的研究

第二章:与车辆牵引力有关的土的特性

2.1土的有关性质简述

这里所研究的土并不只是土的颗粒，而是松散堆积物的整体。土是由不同的相（固相、液相、气相）所构成的多相体系。土的各相之间的相对含量和相互作用对土的状态和性质有着明显的影响。

影响车辆牵引力的土的因素有很多。其中最主要的因素之一土的抗剪强度。土的抗剪强度直接影响土在水平载荷作用下的剪切应力—变形关系。土的抗剪强度与法向应力的关系可由库仑定律表示为:

??c??tan? 〔1〕

f式中：?f---------土的抗剪强度；

?---------作用在剪切面上的法相应力；

?---------土的强度指标，内摩擦角；

c---------土的强度指标，黏聚力。

由上式可见，土体的破坏不是土体颗粒的破坏，而是土颗粒间联结的破坏。对于砂性土，因为土的黏聚力C很小，所以决定其抗剪强度的重要指标是内摩擦角?（由砂土的密实度，颗粒形状，大小和颗粒级配等决定）；对于粘性土，其抗剪强度与含水率密切相关。含水率过高或者过低都会使C值下降从而导致土的抗剪强度?f下降。因此，为了使车辆发挥较好的牵引性能，应在含水率适中的土体上进行作业。

2.2均布水平载荷作用下土中应力分布

车辆在行走过程中，常常作用于土体上水平分力，在这种情况下，土中的应力分布可以简化成水平线载荷作用下土中应力分布的平面课题。〔2〕如图2-1所示，引用弹性理论的结论，可得：采用极坐标时，土体中任一点M（r,?）的应力分量为：

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2p?r?sin??r???0?r??0可见，由水平载荷p引起的应力状态是沿径向的简单压缩。在直角坐标系中，任意一点的M（x,z）应力分量为：

x3?x??rsin???(x2?z2)222pxz2?z??rcos???(x2?z2)222p

zx2p?xz??rcos? sin???(x2?z2)22

图2-1作用于土体表面的水平载荷

2.3土体在水平载荷作用下的应力—变形关系

土体在水平方向承受载荷，就产生在水平方向的力和位移的关系，即水平载荷作用下的土的应力—变形关系。当轮胎或者履带被驱动时，它们在和地面接触的面积上产生剪切作用。为了预测车辆的牵引力和打滑，需要了解土中的剪切应力?和剪切变形j之间的关系。

车辆在松软地面上行驶时所能产生的最大牵引力受到土切向抗剪切强度的限制，因此土的剪切特性是影响车辆在松软地面通过性的重要特性。常见的松软地面的剪应力—剪切位移的特性曲线通常可以分为两个典型的情况〔3〕：一类为

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塑性土，如图2-2中的曲线A所示，其最大剪应力τmax发生在当土被压实一段距离jA时，此后抗剪切强度保持不变，即其大小与以后的土位移无关，整个曲线无明显“驼峰”；另一类为脆性土，如上图2-2中的曲线B所示，这种土的jB可以很快达到，而后立刻开始剪切位移，有驼峰。在位移时，原始的结构发生破坏，新的结构不具有原先的抗剪切强度，因而随后τ的值迅速下降。 土的类型不同，其相应的剪切特性就不同，在地面力学中最常碰到的土壤与其剪切位移的关系曲线都类似于图2-2中的曲线A。常见的塑性土的剪切模型有Janos模型、双曲模型、纯指数模型等，其中最常用的便是Janosi等人提出的土壤剪切模型。根据Janosi的塑性土剪切理论，土的剪切力与土的剪切位移成如下关系：

???(1?ef?j/k)

式中：?f前面已经给出，为土的剪切模量。 K为土的剪切变形模量。

第三章：履带式车辆的牵引力

3.1车辆牵引力的产生

无论是轮式车辆还是履带式车辆，它们牵引力的产生都可以简述为以下四个部分。①驱动轮在驱动轮扭矩的作用下带动履带或者轮胎转动②支承车辆的地面要阻止它转动③因而产生一个反作用力使车辆前进④这个反力的水平分力即为车辆的土壤推力FH，其大小等于车辆的牵引力。在硬路面上，车辆牵引力FH主要由履带（或者轮胎）与地面的摩擦产生；在软路面上，FH则主要是由土壤的剪切变形产生。

3.2履带车辆的附着性能

履带车辆的附着性能是指履带车辆提供最大牵引力的能力〔4〕。车辆行驶时，在驱动力的作用下，履带与土壤接触的各个微小部分都产生土壤反作用力。所有

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土壤反力的水平分力，可以用沿着车辆行驶方向作用的切线牵引力来表示。 车辆在松软地面上行驶时，履刺嵌入土内，如前所述，切向牵引力主要由土壤的抗剪力产生。设履带支撑面为A，土壤的剪应力为?，则其相应的切线牵引力FH应为：

FH???dA

A对于履带底盘，每一履带支撑面积为bL，则上式可以写为：

FH?2b??dx ⑴

0L又由于大多数土壤为塑性土壤，因此，由上述Janosi的塑性土剪切理论，可以得出：

???(1?e?j/k) ⑵

f为了定量的考察履带下面剪切位移的产生，首先必须给履带的滑转率i下定义：

vvT?vvji=1-???rvTvT ⑶

式中：i——车辆的滑转率； v——履带的实际速度； vT——角速度?与节圆半径r确定的理论速度； vj——履带车辆相对地面的滑转速度。 所以，剪切位移j在支承段上沿x坐标轴方向各点是不相等的，如图2-3可得：j可以表示为：

j?ix

因此，由式⑴、⑵、⑶ 可得：

图2-3 土壤剪切位移沿履

带支撑段的变化

FH?2b?(c??tan?)(1?e?ix/k)dx0L =2b(c??tan?)(?dx??e?ix/k)dx00LL

K =(Ac+Wtan?)[1-(1-e?ix/k)]iL

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