林业复杂地形动力底盘性能主要影响因素分析

曲振兴， 向文博，2， 胡景阳， 王凡雨，2， 周建波*

(1.国家林业和草原局哈尔滨林业机械研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；2.中国林业科学研究院研究生部，北京 100000)

动力底盘在我国林业机械化发展进程中有至关重要的影响地位，尤其是目前存在着由于动力底盘缺失导致的林业机械设备上山难、行走难的现状[1]。林地环境复杂，地面平整度以及抚育管理程度与田地相比有极大差距，林地自身坡度条件、地面沟壑障碍都对动力底盘的稳定性以及通过性提出了很高的要求。在进行动力底盘设计时，要充分考虑到林地自身条件对其结构、性能的影响，在满足安全的前提下，提高动力底盘的性能。本文主要从林地坡度、动力底盘的稳定性、通过性及爬坡度四个角度进行分析，探究各因素对动力底盘性能产生的影响。

1 林地坡度与地面环境

用两点间的高程差与其水平距离的百分比表示坡度，是最常用的表示方法。目前我国对坡度大小的分级一般分为六级：平坡：0～5°；缓坡：6°～15°；斜坡：16°～25°；陡坡：26°～35°；急坡：36°～45°；险坡：大于46°[2]。25°坡度以上的土地为《水土保持法》规定的开荒限制坡度，即不准开荒种植农作物。因此在设计林机动力底盘时，可将25°坡度以下的林地设为研究对象，讨论各因素对林业动力底盘的影响。

林地复杂地面环境对于动力底盘的各项性能提出较高的要求。在对人工开发出的经济林地进行需求设计时，要充分考虑种植密度(行距、株距)对动力底盘及整体尺寸的要求，同时转向方式简洁，转弯半径要尽可能小，在林地间工作时要灵活轻便[3]。此外在进行轮胎选择时要考虑土壤特性，如林地多雨，土壤较为潮湿，整体硬度较低，对于轮胎选择有一定要求[4]。若所选轮胎花纹太浅，在发生抓地力与附着力不足的情况时，易发生打滑或越障失败，若轮胎花纹太深，则需要考虑轮胎转动时是否能甩掉花纹间携带的泥土。

2 稳定性

2.1 纵向稳定性

当运动底盘以低速匀速上坡时，忽略空气阻力，视轮胎为刚性体，进行力学分析，低速匀速上坡受力图如图 1，建立力学平衡方程：

图1 低速匀速上坡受力图

式中：F1为土壤对前轮切向作用力；F2为土壤对后轮切向作用力；G为底盘重力；ɑ为上坡极限翻倾角；N1为土壤对前轮的法向作用力；N2为土壤对后轮的法向作用力；h为重心到地面的垂直高度；L为前后轮轴心水平距离；L1为重心到后轮轴心水平距离。

当前轮刚好不受土壤反作用力时，达到上坡倾翻极限状态，此时F1=0，可得上坡极限倾翻角：

当底盘的后轮刚好不受土壤的反作用力时，即为下坡极限倾翻临界状态，则后轮的切向作用力F2=0。

可得下坡极限倾翻角为：

因此，结合上下坡的使用需求，在设计时将重心布置在底盘中段尽可能低的位置，能增大底盘的倾翻极限角，增强稳定性。

2.2 横向稳定性

底盘在倾斜路面上静止或行驶过程中，在横向力的作用下，可能产生沿横向力方向的侧向滑移，横向受力图如图2所示。不产生横向滑移的最大坡度角称为横向滑移角φ。满足稳定条件是横向力小于等于轮胎与路面之间的横向附着力[5]。

图2 横向受力图

Gsinφ=Gcosφ·Φ

φ=tg-1Φ

式中：Φ为横向附着系数，是指支撑面提供的最大切向力与支撑面法向反作用力之比。

由此可知，横向滑移角φ仅取决于横向附着系数Φ。附着系数受到道路状况、轮胎花纹样式等得影响较大，在选择轮胎时注意选择花纹样式较深，并且注意路况，避免发生横向滑移。

3 通过性

影响车辆通过性的因素主要有：最小离地间隙、接近角、离去角以及纵向通过角等。

车辆在通过起伏不平的路面时，地面的凸起障碍会发生拖住底盘底部的情况，发生“顶起失效”，使底盘无法通过[6]，这种情况是由于在底盘设计时，没有充分考虑到最小离地间隙和纵向通过角导致的。

当动力底盘在崎岖路面通过时，首先要考虑到地面的垂直高度差与底盘底部到地面的间隙之间的关系，如图 3。若设置的最小离地间隙过小，可能导致地面顶起底盘无法前进的问题。最小离地间隙与底盘自身结构布局以及轮胎的选取有关。最小离地间隙的测量点应选取底盘最低点，因此底盘结构应布置的尽量平整，避免出现尖锐凸起，影响最小离地间隙。另一个影响最小离地间隙的因素是轮胎的选取。增大轮胎的直径可以提高底盘的离地间隙，降低轮胎的接地比压，增加与地面接触面积以减少土壤阻力和滑转，但会升高底盘整体重心位置，同时要采用大传动比的传动系传输动力，因此在选取轮胎时，要充分考虑到最小离地间隙与重心位置间的影响关系。

图3 最小离地间隙示意图

纵向通过角是车辆在满载、静止时，分别通过前、后轮胎外缘作垂直于车辆纵向对称平面的切平面，当两平面交于车体下部最低部位时所夹的最小锐角β[7]，如图 4。纵向通过角与最小离地间隙以及前后轮轴心水平距离有关。最小离地间隙越大，纵向通过角越大，此时底盘重心升高，极限倾翻角减小，稳定性降低。前后轮轴心水平距离变大，纵向通过角减小，此时底盘极限倾翻角变大，稳定性提升。

图4 纵向通过角示意图

接近角与离去角是车辆前后边缘与车辆前后轮所引切线与地面的夹角，如图 5。在行驶过程中，若车辆前后端伸出过长，会导致γ1或γ2减小，车辆前后缘触及地面，发生“触头失效”或“拖尾失效”，也易发生不能通过的问题[8]。

图5 接近角与离去角示意图

4 爬坡度

动力底盘在进行林间作业和运输过程中，通常属于满载、低速的运动状态，车速变化不大，几乎不产生加速超车情况，因此用爬坡度评估动力底盘在坡地工作的爬坡能力，设驱动底盘在坡度角为α的坡道上用变速箱最低档位保持等速行驶，此时的运动平衡方程式为：

Fq=Fw+Ff+Gsinα

由发动机输出的有效扭矩和传动系数参数，可计算驱动底盘在最低档位时动力底盘所产生的最大驱动力为：

式中：Me为发动机扭矩；ig为变速器各档位比；I0为主减速器速比；ηT为传动系统总效率；r为车轮滚动半径。

对于林用动力底盘设计来说，对行驶速度的要求并不高，在根据林地环境确定整体车型后，即可确定Fw空气阻力；根据地面情况确定滚动阻力系数后，可确定Ff滚动阻力，由此得出所需的底盘驱动力。底盘驱动力与发动机扭矩成正比，与车轮滚动半径成反比。为了增大底盘驱动力选取大扭矩发动机会提高制造成本，减小车轮滚动半径则会影响运动底盘的通过性能。

5 综合分析

本文介绍了几种影响林地动力底盘性能的因素：林地坡度与地面环境、动力底盘稳定性、通过性与爬坡度。林地坡度与地面环境作为背景因素，是进行动力底盘设计制造的前提条件。在设计之前，要着重考察动力底盘的工作环境、土壤物理性质、林地种植密度(行距、株距)等因素，对动力底盘及整机外形尺寸结构有一定的指导意义，确立尺寸要素。

动力底盘的稳定性、通过性与爬坡度作为动力底盘工作性能的代表，通过分析得知三性能互相影响。三个主要影响因素：动力底盘重心位置的布置、前后轮轴心位置的布置与轮胎的选取(包括半径及花纹等)，在设计过程中要充分考虑关联关系，在满足林地背景因素条件的基础上降低重心提升稳定性、提升运动底盘的通过性能。