提升越野汽车驻坡能力的方法研究

代新鹏，贺小波，赵浩浩

提升越野汽车驻坡能力的方法研究

代新鹏，贺小波，赵浩浩

（陕西重型汽车有限公司 汽车工程研究院，陕西 西安 710200）

以某4×4越野汽车为研究对象，通过建立力学模型，首先分别计算出该车在常规驻坡操作下上坡和下坡两种情况的极限驻坡度，后为提升该车的驻坡能力，在不改变车辆制动系结构参数的情况下，通过将分动器前桥差速锁锁止的操作来实现。最后通过理论分析验证了该操作的可行性和合理性，文章对于驻坡要求较高的汽车具有理论和实践指导意义。

越野汽车；差速锁至；驻坡能力

引言

汽车的驻坡能力是指即使在驾驶员离开的情况下，车辆也能安全可靠地停驻在上、下坡上的能力，它是车辆制动性能评价体系中非常重要的一个指标。该指标通常用汽车能停驻的最大坡度（包括上坡和下坡两种工况须同时满足）表示。近年来，伴随各种全驱专用车辆（如消防车、除雪车）的出现，其特殊的工况对驻坡度的要求也越来越高，那么如何提升此类车辆的驻坡能力也就成为车辆初始设计时必须考虑的因素。此类车型由于前桥为转向驱动桥，不宜布置驻车制动机构，所以一般都采用后桥弹簧储能断气制动的方式，教材上只对非全驱车型的驻坡能力进行了论述。本文阐述了越野汽车在全驱驻车模式下的极限驻坡能力，并提出了一种新的提升越野汽车驻坡能力的方法，最后通过理论分析验证了该操作的可行性和合理性。

1 某4×4越野车参数介绍

该车驻车制动采用弹簧储能断气制动方式，作用于后桥左右车轮上，与驻车计算有关的参数如表1。

2 常规操作下极限驻坡度的计算

常规操作下（拉起手制动阀）的极限驻坡度计算因汽车设计教材（刘惟信编著）[1]上有详细讲解，所以此处省略驻坡力学模型及公式推导过程，直接使用结论来计算在上下坡时的极限驻坡度：

表1 与驻车计算有关的参数

参数数值 满载质量ma/kg11 000 轴距L/mm3 900 质心到前桥中心距离L1/mm1 378 质心到后桥中心距离L2/mm2 522 质心高度hg/mm1 020 轮胎静力半径R/m0.52 路面附着系数φ0.70 后桥制动器驻车制动力矩/Nm23 400

汽车在上坡时可能停驻的极限上坡路倾角为：

汽车在下坡时可能停驻的极限上坡路倾角为：

将本车的参数代入后求得：

根据驻坡度的定义，该车的最大驻坡度取上坡和下坡两种工况下较小的值，数值为11.81°。

3 全驱模式下极限驻坡度的计算

3.1 上坡停驻时极限驻坡度

图1为该越野汽车在上坡路上停驻的受力情况，由图可得汽车上坡停驻时各桥车轮的垂直载荷[2]：

图1 4×4越野车全驱驻坡模式下上坡停驻受力简图

对前桥地面与车轮接触点列力矩平衡方程求后桥垂直载荷2：

后桥地面提供的附着力为：

对后桥地面与车轮接触点列力矩平衡方程求前桥垂直载荷1：

前桥地面提供的附着力为：

当驾驶员将分动器差速锁锁止时，连接前后桥的传动轴变为一个刚性整体，当后桥制动器制动力矩足够大时，可将后桥制动器制动力矩中超过后桥地面附着力矩的差值部分转移到前桥，使前桥也参与驻车制动。此时可根据前后桥车轮附着力之和与车辆的下滑力相等的条件求得汽车在上坡路上停驻的坡度极限倾角，即由：

求得本越野车不考虑制动器制动力矩（假设制动器提供的制动力矩足够大）时理论上坡极限驻坡角：

（5）式提供了假设制动器驻车制动力矩足够大时由地面提供的附着力所决定的越野车理论极限驻坡角。

再按此驻坡角检验制动器驻车制动力矩是否能满足。

按此驻坡角的整车下滑力矩为：

该越野车后桥制动器驻车制动力矩为23 400 Nm，小于下滑，所以该越野车的极限驻坡角应由制动器最大制动力矩决定，按后桥制动器最大驻车制动力矩等于整车下滑力矩列式：

mg sin= 23 400，求得24.67°

在此驻坡度下可按（3）（4）式求得前、后桥地面提供的附着力分别为：

附着=2+1=68 552 N

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

附着＞下滑

可见，在此坡度下，汽车整车地面提供的附着力大于车辆的下滑力，车辆可安全可靠地停驻，后桥地面提供的附着力完全利用，超出后桥的整车下滑力由前桥承担，前桥承担的下滑力为下滑（44 994−32 467）=12 527 N，约占前桥地面提供最大附着力1的34.7%。

3.2 下坡停驻时极限驻坡度

同样，在下坡停驻时，驾驶员也将分动器差速锁锁止，根据受力分析推导可知，由附着力决定的极限驻坡角和由制动器制动力矩决定的驻坡角均和上坡情况一样，不同的是各桥间提供的附着力发生了变化，下面求出该越野车下坡驻坡时各桥的附着力。

图2为该越野汽车在下坡路上停驻的受力简图，其各桥地面提供的附着力的推导过程同上坡停驻。

图2 4×4越野车全驱驻车模式下下坡停驻受力简图

后桥地面提供的附着力为：

前桥地面提供的附着力为：

将参数代入后求得：

附着=2+1=68 552 N

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

附着＞下滑

可见，下坡停驻时，整车地面提供的附着力大小和上坡一样，也大于车辆的下滑力，车辆可安全可靠地停驻，此时，前桥地面提供的附着力完全利用，超出前桥的整车下滑力由后桥承担，后桥承担的下滑力为下滑（44 994−15 982）=29 012 N，约占后桥地面提供最大附着力2=52540 N的55.2%。

4 结果对比及原因分析

不同操作模式下该越野车的极限驻坡角见表2：

表2 不同驻坡模式下的极限驻坡角

项目常规模式驻坡全驱模式驻车比较结果 上坡极限驻坡角16.84°24.67°+46% 下坡极限驻坡角11.81°24.67°+108%

由以上比较结果可知，该越野车在全驱模式下不论是上坡驻坡还是下坡驻车，其驻坡能力较常规模式驻坡均有很大提升，究其原因是分动器差速锁锁止后前、后桥传动轴变为一个刚性整体，当后桥制动器制动力矩足够时，可将后桥制动器制动力矩超过后桥地面附着力矩的差值部分转移到前桥，使得前桥也能参与驻车制动，这样后桥制动器制动力矩就不会有浪费。而常规驻车模式下，由于只有后桥车轮受地面附着力，其大小受地面对车辆垂直载荷力的限制，制动器最大制动力超出附着力的部分无法转移，其能力没有得到充分利用，所以驻坡能力较全驱模式驻车差。

5 结论

该4×4越野车在全驱模式下驻坡时，不论是上坡还是下坡工况，其驻坡能力均较常规模式驻坡有很大提升。此操作方法也得到了理论和实践的验证，证明在不对车辆驻坡制动系统进行结构更改的情况下只通过锁至分动器差速锁也可提高车辆驻坡度，此方法对其他类型的全驱车在提升驻坡能力方面也具有理论和实践意义。

[1] 刘惟信.汽车设计[M].北京:清华大学出版社,2001.

[2] 余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,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

代新鹏，男，工程师，就职于陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，研究领域为汽车底盘设计。