轮式军用车辆转向半径对车辙形成的影响(车辆工程专业英语翻译)

车辆工程专业英语翻译 (胡凯俊M060113103)轮式军用车辆转向半径对车辙形成的影响Kun Liu a, Paul Ayers a, Heidi Howard b, Alan Anderson ba美国田纳西州大学土壤科学与生物工程系2506 E.J. Chapman Drive, Knoxville, TN 37996, USAb美国军事工程研究与发展中心.结构工程实验室2902 Newmark Drive,Champaign, IL 61822, USA摘要：车辙是由于轮胎在地面上行走而形成的洼地或凹槽，车辙会对地面和植被产生严重的影响，并且降低车辆的机动性能，在本文中，车辙深度和宽度是衡量车辙的重要指标，有一种新的指标，车辙指数，它是结合了车辙深度和宽度而提出的。

一种轻型装甲车和一种高机动多用途汽车将被用于测试车辆转弯半径对车辙深度、宽度和车辙指数的影响，这两种车辆将以不同速度螺旋前进，车辆在盘旋过程中每秒采集到不同的GPS数据，沿着车辆盘旋轨迹每4-7米手工记录下车辙的尺寸。

地面测试结果显示，车辙深度、宽度和车辙指数随着转弯半径的减小而增大，特别是在转弯半径小于20米的时候，车速会影响轻型装甲车辆车辙的形成，但高机动多用途车辆的车辙并未受到影响。

1 引言越野车辆会形成车辙，它是由轮胎在地面行走而成的洼地或凹槽，是由土壤的压缩或分离形成，其土壤的压缩是由于受到地面的垂直力，土壤的分离是由于垂直力使得地面承受能力达到极限，地面的横向力和纵向力使得土壤分离并形成车辙，纵向力产生轮胎打滑进而分离土壤，车辆转弯过程中会增加地面的横向力，使得土壤脱离轮胎轨迹并沿转弯方向相反的地方移动。

车辙会对地面和植被产生重要的影响[1，2]，车辙会影响原生植物的根系从而减缓植被的生长[3，4]，车辙会通过集中径流和增加腐蚀产生环境危害[5]，车辙会降低车辆的机动性能[6]。

车辙对车辆的影响可以用车辙宽度来衡量，它是地面行车轨迹所测得的一个宽度，车辙深度是行车轨迹地面到邻边平整地面的一个垂直距离，Durham[7]测试驱动轮在松软地面上的转向工况，他发现车辆转角是决定下沉系数的次要因素，在给定机动参数的沙地上（包括经验参数、地面强度、车重、轮胎尺寸、和轮胎变形量），下沉系数会随车轮转角的增大而增大。

Braunack和Williams[8]发现车辙深度会随着路径和转角的增加而增加，他们是在不同的地面强度和湿度条件下M113装甲运兵车和豹式坦克进行转向机动测试得出的。

Ayers[4]用M113装甲运兵车进行了三种转向半径的试验，分别是直行、平稳转向和紧急转向，结果显示转向半径的减小（紧急转向）会增加地面的干扰和车辙的痕迹，且行车轨迹和土壤的堆积宽度及深度随紧急转向而增加（图1）。

Halvorson et al[9]研究M1A2坦克行车轨迹对地面压缩及其越冬后的变化，他们发现冬天过后转向车辙比直行车辙的内在干扰更加强烈，平稳转向车辙对比直行车辙也是如此。

Aflleck et al[10]指出，车辆在转向比直行过程中对地面的干扰更具重要而不同的意义，用一辆斯特莱科汽车测试其影响，包括盘旋和多样通过测试，Ahleck [11]参与了轮式和履带式车辆车辙深度的测量，调查研究车辙深度和土壤强度以及车辆机动性之间的关系，她发现车辆转弯时比直行过程中地面土壤移除的量要高很多，Althfoll 和Thien[3]应用随机化完全区组设计研究了M1A1坦克对地面质量、生物及植被特性的影响，其方法包括选择的四种路径（十字路、内路、直路和弯路）以及两种地面条件（干地和湿地）。

他们发现外侧车轮形成的车辙比内侧车轮所形成的的要更加强烈。

Shoop et al[1]应用北大西洋公约组织的可动型模型预测了车辆在训练场地的影响，在这个模型中，车辙的形成是与车辆在可变形地面上的牵引力和行驶阻力以及可操纵性相联系的，车辆在转向过程中牵引力和行驶阻力与直行时是不同的，Jones et al [12]通过美国军事工程师和发展中心介绍了车辆地形接口的发展，这是一种用于测试车辆在地面的反映情况，车辆转角是地面接口交互作用的一个重要影响因素。

（图1.三种状态模式下的地面干扰比较）目前的研究报告提到了车辆转向过程中车辙的形成对地面植被破坏的一般影响因素，但没有完全注重机动转向这一重要因素。

本文将详细讨论转向因素对车辙的影响（包括转向半径和车速）。

2 研究对象本文将以美国华盛顿路易斯堡的一辆轻型装甲车（如图2）和亚利桑那州的一辆高机动多用途汽车（如图3）来研究车辙深度、车辙宽度、车辙指数和车辆机动性能之间的关系。

3 车辆与地面说明2002年6月11日在美国路易斯堡军事中心进行了轻型装甲车的测试，2003年3月11日在美国尤马试验场对高机动多用途汽车进行了测试。

（图2.轻型装甲车）轻型装甲车是重为13930kg的8轮式车辆，长6.98米，胎面宽度2.3米，采用直径111.8cm宽度27.9cm的X型米其林轮胎，车辆以四轮驱动的方式，地面具有沙质土壤特性的机构，其包含67%的沙地，29%的淤泥河4%的泥土，其平均湿度为37.1%，下锥测试器用于对土壤强度进行分类，当土壤强度高达1000kpa时，用透光计进行测量，其平均下锥量为5cm。

（图3.高机动多用途汽车）高机动多用途汽车重为2608kg，其长度为 4.57m胎面宽度 1.79m,轮胎采用固特异MT型，其宽度31.8cm,直径92.7cm，前轮测得压力为123kpa，后轮测得为146kpa。

地面结构为超过95%的土壤，平均湿度8.9%，地面平均下锥量10.8cm，且为无植被覆盖的裸地。

4 地面测试方法轻型装甲车以两种速度盘旋行进（连续向右转向时不断减少转向半径），并将美国天宝公司12频道的Ag GPS132型差分全球定位系统接收器安装在带有卫星差分校正器的轻型装甲车上，不同的GPS数据被实时接收，测量装置对每4.7米长的螺旋轨迹测量车辙深度和宽度，车辙深度是测量车辙底面距离邻边平整地面的垂直距离（如图4），车辙宽度是测量地面被压过的全程宽度，GPS的安装点是在每个GPS接收器的测量点，从而将车辆速度和转向半径与车辙的相关测量联起来。

高机动多用途汽车是在四种盘旋行进方式下进行，包括两种高速和两种低速，GPS 接收器同样为美国天宝公司的，与轻型装甲车同样的方法将车辙和定位数据联系起来（如图5）。

车辆转向半径以三点转向计算方法测得[13]，为控制数据范围，所有车辆半径超过150米的均以150米计算，行驶距离由两个GPS 定位点、时间间隔以及车速所决定。

（图4.轻型装甲车辆测试）（图5.高机动多用途汽车测试）5 成果5.1车辙深度和转向半径轻型装甲车最高的安全操纵速度是以4m/s的低速和8m/s的高速行进（驾驶员可根据地面具体情况而定），图6结果显示车辙深度和转弯半径有明显的联系，车辙深度随转向半径的减小而增加，车辙深度在转向半径小于30m时而极具增加，但内侧转向轮的车辙深度和转向半径无明显关系，内侧转向轮的车辙深度在不同转向半径下几乎都低于4cm，原因是转向过程中外侧转向轮所受侧重增加，内侧重量向外侧转移使内侧转向轮对地面的质量减小，使得较高的载荷条件下产生更深的车辙。

轻型装甲车所有的车辙深度数据均来自高速运动轨迹，低速无法产生车辙，原因是低速条件下无法产生足够的横向力，当横向力大于地面强度时，车辙和积土产生，当然地面的穿透阻力足以支撑车辆的重量。

（图6.行车迹点对轻型装甲车转向半径与车辙深度间的影响关系）高机动多用途汽车低速接近3m/s，高速达8m/s，图7显示了转弯半径与车辙深度之间的关系，对于这种较轻车辆来说其关联性不大，与较重的装甲车相比，高机动多用途车辆较小的横向力可能是产生较浅车辙的重要原因。

当然，随着高机动多用途车辆的转向，两侧轮胎并不都沿着同样的路径行走，车辙的变化也从双道变为单道，尽管它们之间的联系很是微弱，但仍能观察到随着转向半径的减小，车辙深度游轻微的加重，图8和图9显示了车速对车辙的影响，车速越高，车辙会越深。

5.2车辙宽度和转向半径车辙宽度是常用的研究对象，图10显示了轻型装甲车的转向半径越小，车辙宽度越（图7.轮胎位置对高机动多用途汽车转向半径与车辙深度间的影响关系）（图8.车速对高机动多用途汽车内侧车辙深度与转向半径间的影响关系）（图9.车速对高机动多用途汽车外侧车辙深度与转向半径间的影响关系）（图10.迹点对轻型装甲车车辙宽度与转向半径间的影响关系）大，当转向半径小于20米时，车辙宽度增加的越是显著，随着转向半径的增加，转向对地面的干扰影响将减弱。

当转向半径超过150米时，此时车辆大致按直线行走，车辙宽度和轮胎宽度几乎相同，外转向轮和内转向轮所形成的车辙无太大差异。

图11显示了高机动多用途车辆的转向半径和车辙宽度的联系。

图12和图13表明了车速对车辙宽度无较大影响。

5.3车辙指数和转向半径车辙指数是车辙的一个重要指标，是车辙深度和宽度的综合系数，不是单一的量，指定一特定单元会错误的认为这是一个具有代表性的指数，实际上车辙的截面形状不是（图11.轮胎位置对高机动多用途车辆车辙宽度与转向半径的影响关系）（图12.车速对高机动多用途车辆内侧车辙宽度与转向半径间的影响关系）（图13.车速对高机动多用途车辆外侧车辙宽度与转向半径间的影响关系）（图14.迹点对轻型装甲车车辙指数与转向半径间的影响关系）（图15.迹点对高机动多用途车辆车辙指数与转向半径间的影响关系）（图16.车速对高机动多用途车辆内侧车辙指数与转向半径间的影响关系）一个矩形，其面积不能用车辙深度乘上宽度。

图14显示了车辙指数随着转向半径的较少而增加，当内外侧车轮的车辙宽度相同时，外侧转向轮车辙指数比内侧的要高，这主要是因为内外侧车辙深度不同所引起的。

图15显示了高机动多用途汽车与其有着相似的性质，转向半径越小，车辙指数越大，但其内外侧车辙指数无显著差异，图16和图17显示了车速对车辙的微小影响。

6 结论本文用了两种车辆研究汽车动态特性（转向半径和车速）和车辙深度、宽度和车辙指数之间的关系，即13930kg的轻型装甲车和2608kg的高机动多用途汽车。

得到如下结论。

较重的轻型装甲车比较轻的高机动多用途汽车产生的车辙要深，机动转向会产生更深的车辙，车辙深度随转向半径的减小而增大，车辙宽度随两车转向半径的减小都在增加，车辙指数也随转向半径的减小而增加。

车辆转向时外侧转向轮产生的车辙比内侧的要深，然而，外侧转向轮和内侧转向轮所产生的车辙宽度几乎相等，轻型装甲车的外侧车辙指数比内侧偏高，但高机动多用途汽车内外侧车辙指数无较大差异。

当地面强度较高时轻型装甲车的车速会影响车辙的形成，速度越高，车辙越深。