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[交流] 地面车辆力学概述

地面车辆力学是研究各种越野车辆与地面、地形之间的关系，以改进车辆设计，提高其通过性的一门边缘学科。
过去人们认为，只要加大轮胎或履带的接地面积以减轻对地面的单位压力，并加大发动机功率以提高驱动力，车辆就能有良好的通过松软地面的能力。根据这一概念曾设计出三轴十轮的军用越野货车。在第二次世界大战中使用结果表明，在同样的轴荷下，双轮胎的行驶阻力加大，效果不佳。这就引起人们开始系统地研究轮胎、履带等在各种地面上的驱动力、阻力、下陷和滑转及滑移等的变化规律和相互关系，以解决越野车辆设计问题。
1940年，德国伯恩斯坦用公式，表示了下陷量与单位接地面积压力的关系。1944年，英国的迈克尔思韦特提出，车辆的最大驱动力可以从库仑土壤剪切应力公式推导而得。在加拿大国防部工作的贝克在此基础上进一步研究了土壤承载能力的稳定性，以及土壤塑性变形所引起的行驶阻力等问题，提出了更精确而普遍的公式。
贝克、里斯等的研究和试验，使地面车辆力学由经验和直接试验阶段，进入了试验与理论结合较密切的半经验阶段。现代有的研究者尝试从土壤力学的基本理论出发，来分析机器土壤力学关系。如里斯等认为英国剑桥大学土壤力学小组提出的土壤临界状态理论，已使土壤应力和孔隙变化相联系，对研究滑转变形很适用，很有发展前途。另外，还有借用流变学理论建立的土壤流变学模型等。
贝克首先提出地面车辆力学理论，并建立了试验方法，1956年他出版了有关地面车辆力学的第一本专著《陆用车辆行驶原理》，被公认为这一学科的创立者。
中国从20世纪60年代开始这一学科的研究，主要注意水田拖拉机和耕作机械设计，研制水、旱田土壤参数测量仪器，研究水田土壤的流变性质和土壤在行走机构的金属上粘附现象。1982年成立了地面机械系统研究会。
用土壤车辆力学的基本公式可以计算出车辆在不同的载荷和滑转系数下的驱动力、下陷量和运动阻力，并推导出一些重要的新概念。例如，在沙地上车辆的最大驱动力只与其重量有关，而与接地面积无关；在泥浆上最大驱动力只与接地面积有关，而与重量无关等等。
又如对于接地面积，如宽度大而长度小，则容易出现滑转，行驶效率不高。贝克还从动物的运动方式和相应的能量消耗对比推论，认为列车式是越野车辆的合理的车辆形态。
根据这一理论研制出一些新车型，如在雪地行驶的囊式轮胎列车，在沼泽地行驶的无腹式履带车和间隔式履带板，螺旋推进式汽车，在月球上行驶的月球车等。在中国，利用这一理论研制出了机耕船、水田拖拉机等。
地面车辆力学从一开始就是一门理论与试验并重的学科。美国陆军水道试验站于1942年，用标准圆锥仪压入土壤，其单位底面积上的平均压力即为圆锥指数。这个试验站还对细粒土壤规定了重塑试验。将重塑后的圆锥指数与重塑前的圆锥指数相比，称为重塑指数。
土壤的可行驶性是以额定圆锥指数来表示的，额定圆锥指数是圆锥指数与重塑指数的乘积。它受车重、行走机构类型、发动机功率、传动型式及地隙等因素的影响。只要土壤的额定圆锥指数等于或大于车辆圆锥指数，车辆就能在这种土壤上行驶。
圆锥穿入度仪结构简单，应用很普遍，可用飞机投掷，其尾部结构可以按穿入深度而使不同颜色的冀片张开，能快速查明大面积地面的土壤可行驶性。
地面车辆力学的研究工作开展得较为广泛，主要课题有：土壤参数测定方法和测绘可行驶性地图；研究土壤的基本力学性质；用各种新技术如有限元法计算土壤的变形和应力；研究轮胎、履带与土壤的相互作用力；车辆驶过不平路面时的振动特性，越野经济性及其评价指标等。
这些研究课题涉及车辆的动力学、静力学、土壤力学、统计理论、农业科学、军事科学和系统工程等。

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