军用履带车辆雪地机动性能分析

2010年12月

doi ：10．3969／j．issn．1673－3142．2010．12．003

军用履带车辆雪地机动性能分析

李军1，李强1，吴迪2，李灏1

(1.装甲兵工程学院机械工程系，北京100072；2.步兵116师装甲部装甲科)

摘要：我国未来陆军转型的重点是全域机动作战。而我国疆域辽阔，地面情况复杂多样，我国东北地区冬季的积雪及西南中印边境，西藏方向的高原雪地，对车辆的机动性能具有很大的影响。本文通过对雪的性质的研究，认为对于车辆机动性而言，雪的密度，雪的厚度及车辆平均接地压力是三个最主要的因素。并且分析了履带车辆雪地机动性能的相关参数，为车辆行驶于雪地的使用提供了依据。关键词：积雪密度；平均接地压力；附着系数；行驶阻力系数中图分类号：U469．6＋94

文献标识码：A

文章编号：1673-3142(2010)12-0011-04

Analysis of the Mobility of Tracked Vehicles on Snow

LI Jun 1，LI Qiang 1，WU Di 2，Li Hao 1

（1．Department of Mechanical Engineering ，Academy of Armored Force Engineering ，Beijing 100072，China ；

2．Infantry No．116Division ，China ）

Abstrac t ：The most important aspect of the future transform of the army is the whole zone mobility．It is great challenge for the mobility of the vehicle in the snow of the northeast in winter and the borderline of the China －India in southwest．This paper describes the property of snow ，and the most important aspects for the vehicles on snow are the density of snow ，the thickness of snow and the mean pressure of the vehicle．The parameters of the mobility of tracked vehicles are considered．It is the important value for managing the combat vehicle．

Keywords ：snow density ；the mean pressure ；the coefficient of traction ；the coefficient of motion resistance

引言

我国疆域辽阔，地面复杂多样，而复杂多变的地面情况会造成装备地面机动性能的很大变化。例如，我国东北地区冬季的雪地及西南中印边境，西藏方向的高原雪地，对地面车辆的机动性能具有很大的影响。我国未来陆军转型的目标是全域机动作战，因此研究雪地的性质对于我国陆军装备的设计及使用具有重要的指导意义。

1基于车辆机动性能的积雪性质研究

目前，我国对于雪的研究还主要集中在气象

领域，根据雪的颗粒大小及雪的结构形状进行分类。而对于车辆行驶于雪地的机动性能的研究并不多见，近几年吉林大学对除雪车进行了设计及研究，这其中涉及到一些关于雪的力学性质的研究。其主要集中于积雪的硬度[1]。

积雪的硬度是指积雪单位面积上所能承受

的压力,它是积雪物理机械性质的主要指标之一。密度很低的新雪硬度也很小，而经过压实的积雪，例如经过狂暴的风吹雪搬运的雪堆，其硬度就会很高，人在上面行走也不会留下明显的痕迹。一般来说：新雪为片状，密度在100kg/m 3左右，没有硬度；而坚实的硬雪，其硬度值最高可达到170kPa 。雪的硬度可分为四级。第一级为松散雪，使用除拇指外的四指不费力就可以插入雪层。第二级为稍硬雪，一个指头可以插入。第三级为坚雪，是用树枝等硬物可插入。第四级为坚实雪，与冰的性能相似。

车辆行驶于雪地时，其机动性能受到雪的硬度的影响，但以上的研究仍不能作为判断车辆雪地机动性能的依据。美军于上世纪70年代~90年代，对军用车辆行驶于雪地的机动性能进行了广泛的研究。其通过大量的试验认为决定车辆行驶于雪地的机动性能的因素主要有三个：雪密度、积雪厚度及车辆的平均接地压力[2]。

积雪的密度是指单位体积内积雪的质量。由于雪是水的固态形式，所以密度值等于积雪在融化后

收稿日期：2010-10-07

作者简介：李军（1963-），男，四川名山人，教授，博士。主要从事装备论证、采办风险管理、使用风险管理和互用性等方面研究。

农业装备与车辆工程

AGRICULTURAL EQUIPMENT &VEHICLE ENGINEERING

2010年第12期（总第233期）

No．122010（Totally 233）

2010年第12期农业装备与车辆工程

所得雪水的质量与其融化前积雪体积的比值。

积雪（包括松散雪）的密度变化范围很大。一般情况下g=10~800kg/m 3。从车辆机动性的角度分析，顶层雪是最重要的。大部分顶层雪的密度大约为0.1g /cm 3

，但也发现顶层雪的密度最小为

0.038g/cm 3，最大为0.424g/cm 3。

车辆行驶于雪地的沉陷预测公式为[2]：

z=h (1-ρ0f

)

(1)

式中

h ———

积雪厚度，cm ；ρ0———

积雪的初始雪密度，kg/m 3；ρf ———车辆驶过后理论的雪最终密度，其与最大接地压力有关：

当P max ≤210kPa ，ρf =0.5g/cm 3当P max ≤210kPa ，ρf =0.55g/cm 3当P max ＞350kPa ，ρf =0.6g/cm 3当P max ＞700kPa ，ρf =0.65g/cm 3

目前对于雪深的描述并不明确，一般情况下美军将积雪厚度小于20cm 的雪称为浅雪，积雪厚度大于20cm 的雪称为深雪。

2积雪路面的附着系数研究

车辆行驶于松软路面时，由土壤的抗剪切强度

所决定的推力称为土壤的最大推力，用F H max 表示，根据库仑方程：F H max =A τ=A(C+p tan θ)。其中，A 为车辆与地面的接地面积；τ土壤的最大抗剪切强度；C 为土壤的内聚力，kPa ；θ为土壤的内摩擦角。

文献[2]，给出不同雪状态时雪地能提供给车辆的附着系数为：

未扰动雪：θ=τN

＝0.851N -0.177

(2)

压实雪(Hard-packed snow):Φ=τN

=0.321N -0.03(3)

雪下覆冰：Φ=τ=0.127N 0.06

(4)

式中

N ———

车辆的平均接地压力，kPa (对于轮式车辆,N 为驱动轮的平均接地压力)。

根据图1可以得出：不同雪状态下，雪的附

着系数由大到小的排列顺序为：未扰动雪，压实

雪，雪下覆冰。

文献[3]中，列出了一些车辆行驶于雪地的附着系数的测量结果，见表1。

根据库仑定律测得的雪的参数特性如表2[7]。而我国军用履带车辆的平均接地压力的范围

25~85kPa 。由表2中的数据计算出的雪地附着系

数Φ=[c +tan(β)p ]/p 与公式(2)计算的附着系数相比较如图2。

由图2可以看出，美军雪地附着系数预测公式与根据实测数据得出的雪地附着系数的结果基本一致。

表1

车辆———雪地附着系数测量表

雪状态雪密度／kg/m 3

车辆类型

重量／N

接地面积／m 2

平均接地压力／kPa

Φ实测Φ计算未扰动180M988(4×4)334500.0741130.340.36压实雪560M988(4×4)334500.0741130.290.28雪覆冰120M988(4×4)334500.0741130.220.18未扰动160M988(4×4)334500.0741130.350.37未扰动160M988(4×4)334500.0741130.410.37雪覆冰250M977(8×8)2685600.171196.30.190.17雪覆冰250M977(8×8)2685600.149225.30.160.17压实雪560M977(8×8)2685600.149225.30.280.27雪覆冰250M977(8×8)2685600.149225.30.150.17压实雪560Bradley 223299 2.0953.40.180.28未扰动230Bradley 223299 2.0953.40.240.4压实雪

560

M60A1

444820

2.8

79.4

0.33

0.28

图1

不同雪状态下附着系数与车辆平均接地压力之间

的关系

2010年12月

李军等：军用履带车辆雪地机动性能分析

（下转第34页）

3积雪路面的行驶阻力系数研究

车辆行驶于雪地时的行驶阻力主要由压实阻

力及推土阻力构成，推土阻力是由于履带车辆行驶时，其前端会出现土壤隆起现象，从而形成推土阻力。

对于车辆行驶于雪地中的行驶阻力系数的预测，文献[2～4]中分别给出了不同的预测公式，但其与所测得的实际行驶阻力系数相差甚远，而通过文献[3]中对车辆行驶于雪地中的实测数据，可以得出一些结论,其数据见表3。

从表3可以看出，当雪的密度大于500kg/m 3

时，其行驶阻力系数很小，一般情况下为0.04~0.06,这与Yong

[5]

提出的雪密度临界密度是相符合的。

Yong 根据试验发现当雪的密度大于500kg/m 3，在大

多数的车辆作用下，雪地的压实沉陷量很小，因此车辆因压实地面所产生的行驶阻力系数很小。Yong 将雪的密度500~550kg/m 3称为雪的临界密度。

当雪深小于10cm 时，行驶阻力系数一般不大于0.08，当雪深的范围为10~20cm ，行驶阻力系数一般为：0.1~0.2。

A.C 尼基金所著的《坦克理论》中，给出雪的行

驶阻力系数为0.07~0.22，这与上述分析基本相同。因此可得出履带车辆雪地行驶阻力系数，见表4。

4履带车辆雪地机动性能分析

车辆在松软土壤上的机动性能与土壤的可

行驶性密切相关。一方面，车辆在松软土壤的机动性能取决于土壤条件；另一方面，土壤保障车辆能够在其上通过的能力又与车辆的若干特性密切相关[6]。

Bekker 指出，车辆在松软土壤上运动的能力挂钩牵引力，即土壤所能提供的最大推力H 与行

驶阻力R 之差：

DP=H-R

DP 即表示土壤的强度储备，也表示使车辆产

生加速度，爬坡或牵引负荷的能力。现已公认，车辆每单位重量的挂钩牵引力DP /W 更能准确地评定车辆的软土通过性。即：

DP /W=Φ-f 式中Φ———附着系数；f ———行驶阻力系数。

通过上述对积雪性质的分析，当车辆直线行驶时，车辆的机动性不会遇到太大的挑战，并且对于车辆多次通过时，只要能保证第一辆车顺利通过，那么后续的车辆就可以顺利通过。其原因可以根据雪地临界密度得出。

但当车辆爬坡时车辆的最大爬坡度则由雪地的附着系数所决定。

而美国冷区工程实验研究站对韩国边境的雪地研究可以作为我国东北地区车辆雪地机动性研究的参考，其平均雪密度为0.275g/cm 3,雪深为

表2

基于库仑定律的雪参数

内聚力／kPa 0.76 1.030.620.90.6内摩擦角

23.2

19.7

23.2

20.1

20.3

表3

履带车辆行驶阻力系数

表4

履带车辆雪地行驶阻力系数

雪状态行驶阻力系数

雪密度≥500kg/m 3

0.04~0.06雪深＜10cm 0.08雪深10~20cm

0.1~0.2

图2

两种雪地附着系数预测公式比较

车辆类型

雪密度／kg/m 3

雪深／cm

行驶阻力系数

Bradley 60 3.50.06Bradley 75100.06Bradley 80110.08Bradley 230220.18Bradley 260160.11Bradley 24040.049M11356060.062Bradley Bradley M113M113M113M113M113M113

5602307580220250250160

62012113122237

0.0630.0830.050.080.130.090.130.06

2010年第12期农业装备与车辆工程

艺可行性，在保证局部强度和整体刚度要求的前提下，经过试算取两工况优化结果的平均值［4］。最终确定各部件厚度取值。板厚需加大的板件分布如图4所示，板厚需减小的板件分布如图5所示。

优化后车身等效应力的最大值为187．5MPa ，发生在车身侧围上，小于所用材料的弹性及限制

210MPa 。优化后，模型当量质量为795kg ，较优化前模型当量质量减轻了175kg ，实际质量减轻约49kg ，且能够满足整车的操纵稳定性、平顺性、碰

撞安全性等要求。

4结束语

本文采用有限元分析方法，通过对车身结构

弯扭组合工况下的静态特性的分析，全面评价了该车身骨架结构的整体性能。根据试验结果，提出

了电动改装轿车车身结构的优化措施。优化后实际质量减轻约49kg 。

参考文献

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社．2006．

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2004，23（1）：1－4．

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［4］王海霞，汤文成，钟秉林等．CJ2161GCHK 型客车车身骨架有

限元建模及结果分析方法研究［J ］．汽车工程，2001，123（1）：33－36．

图5板厚减小的板件

图4

板厚加大的板件

18cm 。最糟糕情况下，其雪密度为0.4g/cm 3,雪深为38mm 。

因此，对于平均情况取行驶阻力系数为0.18,而我国陆军履带车辆的平均接地压力为30~85kPa 。

对于未扰动雪其爬坡范围为：Φ-f ＝

0.21~0.29(即12°~16°)。而目前对于深雪机动性能

的研究，国内外的相关著作仍然很少，因此对深雪的机动性能研究将是未来车辆雪地机动性能研究的重点。

5结语

本文对履带车辆雪地机动性能进行了分析，

认为积雪密度，积雪厚度及车辆的平均接地压力是决定车辆雪地机动性能的主要因素。并分析了车辆直线行驶时，雪的特性对车辆机动性能的影响不大，并且一般情况下，只要能保证首车顺利通

过，那么即可以认为该地域车辆可以反复通过。但当车辆爬坡时，车辆的爬坡度受到雪地附着性能的显著影响。

而对于车辆行驶于深雪机动性能的研究，将是未来车辆雪地机动性能研究的重点。

参考文献

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[5]Jenkins.Clandestine Methods for the Determination of Beach Trafficability,SIO-REF-85-27,Scripps Institution of Oceanog -raphy Reference Series.1985.

（上接第13页）