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越野汽車為研究對象，通過建立力學模型，首先分別計算出該車在常規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，在不改變車輛制動系結構參數的情況下，通過將分動器前橋差速鎖鎖止的操作來實現。最后通過理論分析驗證了該操作的可行性和合理性，文章對于駐坡要求較高的汽車具有理論和實踐指導意義。

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，它是車輛制動性能評價體系中非常重要的一個指標。該指標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滿足）表示。近年來，伴隨各種全驅專用車輛（如消防車、除雪車）的出現，其特殊的工況對駐坡度的要求也越來越高，那么如何提升此類車輛的駐坡能力也就成為車輛初始設計時必須考慮的因素。此類車型由于前橋為轉向驅動橋，不宜布置駐車制動機構，所以一般都采用后橋彈簧儲能斷氣制動的方式，教材上只對非全驅車型的駐坡能力進行了論述。本文闡述了越野汽車在全驅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，最后通過理論分析驗證了該操作的可行性和合理性。

1 某4×4越野車參數介紹

該車駐車制動采用彈簧儲能斷氣制動方式，作用于后橋左右車輪上，與駐車計算有關的參數如表1。

2 常規操作下極限駐坡度的計算

常規操作下（拉起手制動閥）的極限駐坡度計算因汽車設計教材（劉惟信編著）[1]上有詳細講解，所以此處省略駐坡力學模型及公式推導過程，直接使用結論來計算在上下坡時的極限駐坡度：

表1 與駐車計算有關的參數

參數數值 滿載質量ma/kg11 000 軸距L/mm3 900 質心到前橋中心距離L1/mm1 378 質心到后橋中心距離L2/mm2 522 質心高度hg/mm1 020 輪胎靜力半徑R/m0.52 路面附著系數φ0.70 后橋制動器駐車制動力矩/Nm23 400

汽車在上坡時可能停駐的極限上坡路傾角為：

汽車在下坡時可能停駐的極限上坡路傾角為：

將本車的參數代入后求得：

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

3 全驅模式下極限駐坡度的計算

3.1 上坡停駐時極限駐坡度

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各橋車輪的垂直載荷[2]：

圖1 4×4越野車全驅駐坡模式下上坡停駐受力簡圖

對前橋地面與車輪接觸點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：

對后橋地面與車輪接觸點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：

當駕駛員將分動器差速鎖鎖止時，連接前后橋的傳動軸變為一個剛性整體，當后橋制動器制動力矩足夠大時，可將后橋制動器制動力矩中超過后橋地面附著力矩的差值部分轉移到前橋，使前橋也參與駐車制動。此時可根據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器制動力矩（假設制動器提供的制動力矩足夠大）時理論上坡極限駐坡角：

（5）式提供了假設制動器駐車制動力矩足夠大時由地面提供的附著力所決定的越野車理論極限駐坡角。

再按此駐坡角檢驗制動器駐車制動力矩是否能滿足。

按此駐坡角的整車下滑力矩為：

該越野車后橋制動器駐車制動力矩為23 400 Nm，小于下滑，所以該越野車的極限駐坡角應由制動器最大制動力矩決定，按后橋制動器最大駐車制動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，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，前橋承擔的下滑力為下滑（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 下坡停駐時極限駐坡度

同樣，在下坡停駐時，駕駛員也將分動器差速鎖鎖止，根據受力分析推導可知，由附著力決定的極限駐坡角和由制動器制動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生了變化，下面求出該越野車下坡駐坡時各橋的附著力。

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

圖2 4×4越野車全驅駐車模式下下坡停駐受力簡圖

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，下坡停駐時，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，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，后橋承擔的下滑力為下滑（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 結果對比及原因分析

不同操作模式下該越野車的極限駐坡角見表2：

表2 不同駐坡模式下的極限駐坡角

項目常規模式駐坡全驅模式駐車比較結果 上坡極限駐坡角16.84°24.67°+46% 下坡極限駐坡角11.81°24.67°+108%

由以上比較結果可知，該越野車在全驅模式下不論是上坡駐坡還是下坡駐車，其駐坡能力較常規模式駐坡均有很大提升，究其原因是分動器差速鎖鎖止后前、后橋傳動軸變為一個剛性整體，當后橋制動器制動力矩足夠時，可將后橋制動器制動力矩超過后橋地面附著力矩的差值部分轉移到前橋，使得前橋也能參與駐車制動，這樣后橋制動器制動力矩就不會有浪費。而常規駐車模式下，由于只有后橋車輪受地面附著力，其大小受地面對車輛垂直載荷力的限制，制動器最大制動力超出附著力的部分無法轉移，其能力沒有得到充分利用，所以駐坡能力較全驅模式駐車差。

5 結論

該4×4越野車在全驅模式下駐坡時，不論是上坡還是下坡工況，其駐坡能力均較常規模式駐坡有很大提升。此操作方法也得到了理論和實踐的驗證，證明在不對車輛駐坡制動系統進行結構更改的情況下只通過鎖至分動器差速鎖也可提高車輛駐坡度，此方法對其他類型的全驅車在提升駐坡能力方面也具有理論和實踐意義。

[1] 劉惟信.汽車設計[M].北京:清華大學出版社,2001.

[2] 余志生.汽車理論[M].北京:機械工業出版社,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，研究領域為汽車底盤設計。