汽车地形通过性参数设计的第二组分析

在完成了上述汽车地形通过性参数设计的第一项关键设计任务内容之后，接下来就可完成第二组参数设计分析，也就是其他全部的非关键汽车地形通过性参数设计任务了。

（一）汽车接近角和离去角的设计分析

各类汽车（包括普通载货汽车、普通乘用汽车、多功能运动汽车、皮卡汽车、一般机动性越野汽车和高机动越野汽车）的接近角和离去角都与汽车纵向通过角有着内在的联系性。而这种联系性实质上是接近角和离去角与汽车设计使用条件范围内道路或地面的最大（纵向）坡度之间的联系，也就是说，汽车的接近角和离去角设计目标要求所取决的第一要素即是汽车设计使用条件范围内道路或地面的最大（纵向）坡度值。

然而，除了汽车纵向通过角或汽车设计使用条件范围内道路或地面的最大（纵向）坡度值这一首要因素外，影响汽车接近角和离去角设计目标取值的因素还有汽车前悬或后悬的长度，对接近角和离去角要求最为苛刻时相应的前后悬架挠度的变化等。因此，在整车方案设计阶段想通过计算的方法确定出汽车接近角和离去角的设计目标要求，基本上是无法做到的。

为此，笔者给出了确定汽车接近角和离去角设计目标要求的一种经验方法，见表12－1。

表12-1　整车方案设计阶段各类汽车接近角和离去角的设计目标取值

应用该经验方法，可在整车方案设计阶段初步确定汽车接近角和离去角的设计目标要求，并可在完成整车设计后再进行接近角和离去角设计目标要求的校核。

在整车方案设计过程中，可以用汽车纵向通过角设计目标的取值乘以2，作为初步确定的汽车接近角设计目标要求；并且，可以用汽车纵向通过角设计目标的取值乘以1.3，作为初步确定的汽车离去角的设计目标要求。整车方案设计阶段各类汽车接近角和离去角的设计目标取值，见表12－1。

按上述经验方法确定的汽车接近角和离去角的设计目标的取值，是对汽车接近角和离去角设计目标要求做初选的结果，并不是关于汽车接近角和离去角设计目标取值的最终确定。理论上，对上述所给出的、用经验方法初选出来的汽车接近角和离去角的设计目标的取值，还需要在完成整车设计后，即与接近角和离去角有关参数，如前／后悬的长度、汽车接近角和离去角的要求最为苛刻时的工况，前后悬挂架的刚度等有关参数都已经选定之后，对汽车接近角和离去角的设计目标的结果再给予校核。但是，这最为苛刻时的工况如何确定，还是需要由经验来确定。这也就是说，汽车接近角和离去角设计目标要求的初选与对初选做校核都是离不开相关经验的。

（二）汽车横向通过性参数设计分析

在实际使用中，无论是公路用车还是非公路用车的越野汽车，不仅会遇到考验其纵向通过角极限的工况，也同样会遇到考验其横向通过角极限的工况。例如，在坝子顶上骑行（或斜骑在坝子上）时就会对汽车横向通过角形成考验。也就是说，汽车横向通过角的设计要求和纵向通过角的设计要求一样，都必须满足其通过设计使用条件范围内道路或地面的最大坡度的要求。并且，汽车设计使用范围内道路或地面的最大横向坡道角与最大纵向坡道角是相等的。因为，汽车难免会遇到出入坝子，即由在坝子上骑行（或斜骑）转入沿着坝坡行驶或相反的工况。

所以，汽车横向通过角的设计取值应与汽车纵向通过角的设计取值相等，见表12－2。

表12-2　各类汽车横向通过角参数设计取值

与上述汽车纵向通过角与纵向通过半径一样，我们也可根据汽车横向通过角和横向通过半径的定义，得知：决定汽车横向通过角数值的因素同为“三点连线”，即左右车轮接地印迹的内侧间距点（注：其两点距离为轮距减去车轮接地印迹的宽度）和限制汽车横向通过角增大的左右车轮间的汽车底盘构件离地高度点，此“三点”的位置即决定了汽车横向通过角的取值；而且，横向通过半径的具体取值亦是以此“三点”来确定的，所不同的是，不是作点的连线，而是依据“三点”作圆弧，该圆弧之半径即是汽车的横向通过半径。由此可见，即使满足了以此“三点”所确定的横向通过角不发生触地失效，但是，它不一定亦能满足以同样的“三点”所确定的横向通过半径不发生触地失效。也就是说，横向通过半径所代表的汽车地形通过性的要求略高于横向通过角所代表的汽车地形通过性的要求。

（三）汽车最小离地间隙参数设计分析

关于汽车最小离地间隙，众所周知，汽车的最小离地间隙值越大，则汽车不发生触地失效的保险系数就越高。但是，相应的代价与难度也会随之加大。所以，最小离地间隙设计取值的原则是：只需最小离地间隙能够满足其整车设计使用条件要求即可，而不必刻意地去追求过高的最小离地间隙参数值。

下面就让我们来认知汽车整车的设计使用条件和汽车最小离地间隙参数的内在联系。

我们先将汽车沿整车坐标系X轴方向做分段：第一段是汽车前悬部分，第二段是汽车前／后车轮之间的车体部分，第三段是汽车后悬部分，这三个部分都属于悬上质量部分，而第四段和第五段则是汽车左右悬架之间的连接部分。如果汽车采用的是独立悬架，左右悬架连接部分则属于簧上质量；如果采用的是非独立悬架，左右悬架连接部分则属于簧下质量。

针对两种型式的悬架，即独立悬架和非独立悬架，笔者特提出汽车名义最小离地间隙值和最小离地间隙有效值的概念如下。

名义最小离地间隙值系指汽车各轴的轴荷均为额定轴荷，并且，整车水平静止停放在硬实的地面上，这时上述第四段和第五段车体与水平地面之间距的最小值，即为名义最小离地间隙值。并且，汽车前／后悬部分、前／后车轮之间的车体部分的离地高度需要满足汽车通过台阶高度的要求，也就是说，这三部分的离地高度要比汽车左右悬架连接部分的离地高度高出许多。这也就是说，汽车的最小离地间隙通常都发生在汽车前／后轴左右车轮之间的车体上或附近。

对于采用非独立悬架的汽车而言，最小离地间隙有效值与名义最小离地间隙值完全相同。对于采用独立悬架的汽车而言，名义最小离地间隙值减去其悬架的动行程才是真正意义上的最小离地间隙，即最小离地间隙的有效值。

对此，笔者给予举例说明如下。

当汽车遇到一块条石并以某速度通过时，左右车轮就会向上跳动，其跳动量的最大值为悬架的动行程。这时采用独立悬架的汽车，由于随着车轮的上跳其簧上质量的最小离地间隙就会等于或接近最小离地间隙的有效值，即等于或接近名义最小离地间隙值减去悬架的动行程。

而悬架结构型式为非独立悬架时，影响汽车最小离地间隙的簧下质量也随着车轮一起上跳，这就使得上述名义最小离地间隙值与最小离地间隙有效值是完全相等的。

在掌握了上述名义最小离地间隙和有效最小离地间隙的概念后，接下来就让我们对汽车最小离地间隙的设计取值进行分析。

首先，汽车整车设计使用条件直接影响的是汽车最小离地间隙有效值的设计取值，而对于汽车名义最小离地间隙值没有直接影响。并且，在汽车设计使用条件体中，对于汽车最小离地间隙有效值的设计有直接影响的整车参数是汽车设计使用条件范围内道路或地面的最大坡度的数值，而汽车设计使用条件范围内道路或地面最大坡度直接关联的是汽车通过性参数体中的汽车横向通过角，也就是说，最小离地间隙有效值的设计取值须满足汽车横向通过角的要求。

例如，本篇所列举的某车型的轮距为1 820 mm、轮胎断面宽为318 mm，左、右车轮的轮间距＝轮距1 820－轮胎断面宽度318＝1 502 mm。再根据横向通过角的设计要求为34.22°（横向通过角的设计要求为等于汽车纵向通过角，而汽车纵向通过角的设计取值的要求为汽车设计使用条件范围内道路或地面的最大坡度的数值），则可得该车型的最小离地间隙有效值为

这也就是说，如果该车型采用的是非独立悬架的话，其最小离地间隙取值为231 mm即可满足该车型的设计使用条件对该车型最小离地间隙的要求。

但是，实际上该车型的悬架结构型式为独立式悬架，因此，其最小离地间隙的设计取值还需要在上述最小离地间隙有效值的基础上考虑车轮上跳的最大动行程：该车型悬架设计所考虑的车轮上跳的最大动行程为100 mm。即该车型的名义最小离地间隙设计取值为331 mm（231＋100）才可满足该车型设计使用条件的要求。而该名义最小离地间隙331 mm就是人们所常说的最小离地间隙。

如果说将该车型按一般机动性越野汽车产品设计，即横向通过角设计要求由34.22°降至21.8°，而其他有关参数维持不变，则最小离地间隙有效值即为

如果该一般机动性越野汽车与上述举例车型一样，采用的是独立式悬架，并且车轮跳动的额定最大动行程亦为100 mm，这样名义最小离地间隙值即人们常说的最小离地间隙值，就为145＋100＝245 mm。

值得加以说明的是，按上述笔者所提出的设计分析方法确定的汽车最小离地间隙值是汽车最小离地间隙值的最低要求，不满足最低要求就不能满足汽车设计使用条件的要求。而实际汽车最小离地间隙值有可能、也允许略大于上述所要求的数值。

按照上述概念所设计的汽车最小离地间隙值（无论是名义最小离地间隙值还是最小离地间隙有效值）会比按传统观念所做出的设计取值要小很多。笔者在和周围的同事交流时，同事无不担心按满足汽车横向通过角的设计要求来设计最小离地间隙会导致离地间隙过小，不能满足汽车设计使用条件范围内使用要求。笔者对此再给出进一步解释如下。

首先，我们要明确一下，汽车在什么工况下，即在什么道路（或地面）条件下，才会需要较大的最小离地间隙。对此，无非是类似于汽车行驶前方有落石出现，而当落石突出道路或地面的高度小于汽车的最小离地间隙时，汽车不受任何影响，即可正常通过；而当落石的高度大于汽车最小离地间隙并小于汽车能够通过的台阶高度时，汽车通过落石地段的措施是驾驶员驾驶汽车跃上落石而通过；当落石的高度大于汽车能够通过的台阶高度时，只有将汽车先停下来想办法了。例如，本篇所列举的高机动越野汽车平台产品，其有效最小离地间隙值为231 mm，名义最小离地间隙值为331 mm，可克服的台阶高度为447 mm，这样如遇到高度小于331 mm的落石可直接通过，如遇到高度大于331 mm、小于447 mm的落石时也能顺利通过。

综上所述，最小离地间隙并不是决定汽车地形通过性的关键参数或因素，而决定汽车地形通过性的关键参数则是汽车的纵向通过角或汽车通过台阶的能力。以往（或过去）我们重视的却是汽车最小离地间隙的设计取值之高低，并且，关于汽车最小离地间隙的设计取值片面地以为取值越高越先进，而不是按本篇所阐述的上述方法来做设计分析和取值，造成了以往我国自主品牌汽车产品，特别是采用非独立悬架车型的最小离地间隙的设计取值过大，对汽车设计的其他方面造成了不必要的难度或整车成本不必要的增加。这正说明了本篇开展汽车地形通过性参数系统性研究的意义。

接下来再让我们分析需要汽车具有较大离地间隙的另一种工况，即所要通过的路段（或地面）有前车压出的车辙，并且车辙较深。不需多言，当车辙的深度不大于汽车的最小离地间隙时，汽车通过这样的车辙路段是不会出现任何问题的。这也正是，经常出入类似建筑工地拉土方的车辆希望尽量加大汽车最小离地间隙的原因。但是，面对经常出入建筑工地拉土方车辆希望尽量加大汽车最小离地间隙的要求，我们也应该看到此类要求在整个汽车产品市场的要求中属于“小众性”要求，因此，应优先考虑保持汽车底盘平台通用性不变，而通过选装件的变化来实现汽车最小离地间隙的适当提高。例如，选装大规格的轮胎。另外，在面对多样化的“小众性”要求时，更需要设计的规范化和标准化，即上述笔者所阐述的汽车最小离地间隙的设计取值取决于汽车横向通过角的设计要求（也就是汽车纵向通过角的设计要求或汽车通过台阶能力的要求）的概念即是汽车最小离地间隙设计取值的系统设计分析方法，理应将该方法上升为汽车最小离地间隙设计方法的规范或标准化方法。(https://www.xing528.com)

（四）汽车通过台阶能力指标要求的设计分析

关于汽车通过台阶的能力指标的设计分析，首先，需要认知的一点就是：需根据汽车设计使用条件的要求，来研究确定汽车的各项性能指标要求，包括本节所讨论的汽车通过台阶的能力，即能通过的台阶最大高度。这是汽车设计定义所规定的任务，至于如何达到设计指标要求，则属于汽车产品工程任务的范畴。其次，设计汽车通过台阶的能力指标，最好的方法是从研究汽车下台阶能力来入手。

众所周知，假如说汽车下台阶时受触地失效的制约，而使得所能下得去的台阶高度小于汽车驱动附着能力所决定的汽车能上台阶的高度，则该较高的上台阶能力指标也得不到发挥。因此，笔者依据汽车上、下台阶之能力必须协调一致的原则提出：在设计使用条件范围内，以保证汽车下台阶时不发生触地失效为原则来确定汽车所能通过的台阶高度指标。

下面就让我们以某车型越台阶工况发生触地失效的临界条件和其设计使用条件范围内的最大台阶高度做分析，以确定汽车的越台阶（或称之为爬墙）高度指标。

图12－2所示为美国军车悍马H1车型，其前／后轴轴距为3 300 mm，轮胎接地印迹长度为370 mm，纵向通过角为31.5°，驱动附着能力所支持的越台阶高度能力指标为450 mm。该车型纵向通过角所对应的汽车中部的离地高度设计值为410 mm。当汽车前轮越过450 mm的台阶后，距前轮中心小于1 160 mm的前轮后部车体就会发生触地失效。这也就是说，该车型存在越台阶高度与整车中部离地间隙不系统、不协调的问题。

而本篇所列举的高机动越野汽车平台产品，轴距为3 273 mm，轮胎接地印迹长度为370 mm，纵向通过角设计要求为34.22°，整车中部离地间隙为447 mm。

对此，先让我们分析上述所举车型的中部离地间隙是否满足其纵向通过角34.22°的要求：

图12-2　美国军车悍马H1车型纵向通过角与越台阶高度示意图

可见，本篇所举车型整车中部离地间隙447 mm与高机动越野汽车纵向通过角设计要求34.22°，相互印证。

并且，本篇所举车型将34.22°纵向通过角所对应的整车中部离地间隙447 mm定义为该车型通过台阶能力的设计指标要求，即上台阶和下台阶时都能保证不发生触地失效。

采用上述确定汽车越台阶能力要求的理论方法所确定的举例车型的轴距为3 273 mm，并通过台阶能力指标要求为447 mm；而美国军车悍马H1车型的轴距为3 300 mm，其整车驱动附着能力所支持的可越上的台阶高度为450 mm，然而，实际的与整车纵向通过角31.5°所对应的通过台阶高度指标仅为410 mm。这只能说明美军悍马H1车型的设计还没有应用或没掌握本章所阐述的汽车地形通过性参数系统分析方法。但是，通过美军悍马H1车型轴距与越台阶能力这两项参数的设计取值来看美国人设计汽车的经验可说是十分难能可贵的。

值得加以强调的是，上述确定汽车越台阶能力要求的理论方法，不仅适用于确定高机动越野汽车的越台阶能力指标要求，对确定其他各类汽车越台阶能力指标也都是适用的。只要给出汽车的轴距、轮胎接地印迹长度和纵向通过角的设计要求即可确定出汽车越台阶能力指标要求。例如，整车轴距和轮胎接地印迹长度参数均相同，只是纵向通过角参数降至21.8°，即纵向通过角指标与一般机动性越野汽车相同，那么，越台阶能力指标要求则为

（五）汽车在最大许可总质量时坡道行驶能力与越台阶能力的设计分析

1.汽车在最大许可总质量时坡道行驶能力的设计分析

正如此前所讨论过的，不仅额定许可总质量参数对整车设计有重大影响，最大许可总质量也同样对汽车整车设计有着重大影响。

例如，本篇所举的某高机动越野汽车平台设计，额定许可总质量为5 000 kg，设计适用道路或地面的最大坡度指标为68％，相对应的汽车通过台阶能力指标为447 mm；而该车型的最大许可总质量为5 820 kg。关于该车型最大许可总质量条件下的驻坡能力指标，是会随着总质量的增加成比例降低的，即额定总质量／最大许可总质量＝5 000／5 820＝0.86，因此，驻车能力指标也会降低至0.86×0.68＝58％。

对于最大许可总质量工况下的坡道起步能力，我们亦可做如下的类似分析。

首先，汽车只是总质量由额定许可总质量增大至最大许可总质量，而发动机的使用外特性并没有任何变化。我们依据文献关于汽车坡道起步能力的分析，可知：汽车坡道起步能力取决于汽车在起步过程中离合器所产生出来的滑摩功的多少和离合器的热容量的高低，而汽车起步过程中，无论是离合器接合过程的第一阶段还是第二阶段所产生出来的离合器滑摩功，都与汽车整车总质量换算到离合器从动轴上的转动惯量成正比，并且，汽车起步过程中离合器所产生出的离合器滑摩功可被划分成两部分。

离合器接合过程第一阶段的滑摩功L1与第二阶段的滑摩功L2之和，为汽车起步过程中离合器所产生的总的滑摩功，即L＝L1＋L2。

两个阶段的滑摩功对于汽车起步能力的影响，第二阶段的滑摩功是处于主导地位的，即第二阶段的滑摩功是关键的，是主要矛盾。并且，第二阶段所产生的滑摩功的高低、多少，取决于整车坡道行驶阻力换算到施加于离合器从动轴上的当量阻力矩Mψ，可表示为

式中，f为滚动阻力系数；θ为道路坡度角；ηt为传动系的传动效率。

第二阶段所产生的滑摩功为

将时间t1至t2分成n个时间间隔，若n足够多、时间间隔Δt足够短，根据动量矩定理，有

进而可得

式中，Mc为汽车在起步时离合器所传递的扭矩。

综上所述，关于汽车起步过程离合器所产生的滑摩功，首先是与汽车整车总质量换算到离合器从动轴上的转动惯量成正比，而影响汽车起步过程离合器所产生的滑摩功的第二个因素即是Mc／（Mc－Mψ）的比值，并且，当汽车总质量增加16.4％，同时汽车起步坡道的坡度与之相反地降低16.4％时，则Mψ的数值变化不大或基本不变。因此，笔者认为当本篇所举的高机动越野汽车平台产品实际总质量增加到最大许可总质量，即总质量由5 000 kg增加到5 820 kg时，则该平台产品在坡度为58％的坡道上完成起步时产生的离合器滑摩功的增量会与汽车总质量的增量的比例大约相等。

值得强调的应有两点：一是汽车起步时所产生的离合器滑摩功的增量是否会被离合器的热容量所允许，目前，人们还不能通过计算来做出判断，还需要通过试验的方法来测试，才能得出本篇所举的高机动越野汽车平台产品的总质量由5 000 kg增加到5 820 kg时，该平台产品在坡度为58％的坡道上是否能够满足顺利起步的要求。二是即使所列举的平台产品一时还不能满足总质量由5 000 kg增加到5 820 kg之后在坡度为58％的坡道上顺利起步的要求，通过改进离合器从动盘（或从动轴）摩擦材料和增加离合器的通风散热也是不难达到的。

综上所述，本篇所举的平台产品汽车的总质量由额定许可总质量增大到最大许可总质量，其驻车能力和坡道起步能力，即坡道行驶能力指标，在其额定许可总质量条件下的坡道行驶能力指标为68％，而当总质量增至其最大许可总质量后，则其驻坡能力满足58％的要求应该是没有问题的，但是，其坡道起步能力能否满足在58％的坡道上顺利起步的要求，还需要通过试验验证。一旦经试验验证其坡道起步能力不能满足要求，也需要开展工作给予解决。

2.汽车在最大许可总质量时越台阶能力的设计分析

下面让我们考查一下高机动越野汽车在最大总质量工况下越台阶的能力。

正如前面分析所指出的，高机动越野汽车的最大总质量工况所设计使用范围内道路（或地面）的最大（纵向）坡度定义为58％，即此时的纵向通过角的指标要求为30.1°，那么，此时的越台阶能力指标要求应为

对于额定总质量5 000 kg越台阶的指标为447 mm，最大许可总质量5 820 kg越台阶指标要求的390 mm能不能达到？让我们对此做如下分析。

可先比较在额定许可总质量和最大许可总质量两种工况分别完成了越台阶高度指标要求后，整车势能的变化：

也就是说，两种工况分别完成了各自的越台阶指标后，整车势能的变化相差仅为1.65％。另外，在越台阶的过程中发动机的能量输出可认为是近乎相同的。可是，对于整车总质量为最大许可总质量、完成越391 mm台阶任务有两个有利的方面：一是可利用的整车动量会由于最大许可总质量增大至5 820 kg而比额定总质量5 000 kg时增加了16.4％，相应的可利用整车动量也增加了16.4％。二是由于台阶高度指标降低了12.5％，越台阶时的阻力系数势必会大为降低。因此，我们有理由认为采用上述方法所确定的最大许可总质量工况可克服的台阶高度是完全能够达到的。

本篇所列举平台产品的最大许可总质量为5 820 kg，其设计使用范围内道路或地面的最大（纵向）坡度定义为58％，即与爬坡能力较强的一般机动性越野汽车所能够爬上的最大爬坡度相同，由此可见，本篇所列举的高机动越野汽车平台产品的坡道行驶能力之强。