吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室组译，李杰教授领衔翻译，郭孔辉院士为手册作序。
本文摘编自《车辆系统动力学手册 第2卷，整车动力学》 ，机械工业出版社出版
18.3 越野车辆的操纵性
越野车辆的操纵性，是指在未准备地面上对转向命令的响应。带车辆的操纵性与轮式车辆有很大不同，因此需要分开讨论。
18.3.1 履带越野车辆的转向
履带车辆的方向控制具有两种基本方法:一种称为滑移转向，另一种称为铰接转向。在滑移转向中，一侧履带(外侧履带)的推力增加，而另一侧带(内侧履带)推力减小，甚至制动，从而产生转向力矩克服转向阻力力矩。其中，转向阻力力矩由履带在地面上滑移和车辆横摆转动惯量产生，如图18.12所示。由于履带转向阻力矩通常较大，常需要内侧履带制动，这导致产生的前进推力降低。在松软地面上，这通常造成车辆无法行驶。对于具有两个或多个单元(或底盘)的履带车辆，转向可以通过使用转向节使车辆沿着规定的弯曲路径使一个单元对另一个单元旋转来完成，即铰接转向，如图18.13所示。在铰接转向中，转向通过激活两个单元之间的转向点而启动，无需调整内侧和外侧的带推力。因此，转向过程可以保持产生的车辆前进推力。在松软地面上，与滑移转向相比，铰接转向可以提供履带车辆更好的机动性。
18.3.3 滑移转向广义理论
前面所述的滑移转向力学分析，是建立在一系列简化假设的基础之上的。因此，这种方法只能对履带车辆转向性能提供初步预测。为了提高履带车辆操纵性的预测，Steeds(斯蒂德)对滑移转向力学进行了更详细的研究[14]。在其分析中，假设履带-地面上形成的剪切应力符合Coulomb(库伦)摩擦定律，可以认为摩擦是各向同性的或各向异性的。在后一种情况下，不同的擦系数值分配给履带的纵向和侧向。应当注意的是，Coulomb摩擦定律意味着，只要履带单元和地面之间发生小的相对运动，最大剪切应力将立即在带单元上形成。第17章的试验数据表明，只有在一定的剪切位移发生后，剪切强度将达到其最大值，如图18.14所示。场地试验数据表明，利用Steeds方法预测的带车辆的转向行为与实际测试结果存在相当大的差异。因此，Wong(黄)和Chiang(蒋)针对硬地面提出了滑移转向力学改善的广义理论[1,15]18.3.3.1 广义理论发展的基本方法
履带车辆滑移转向广义理论的改进基于如下假设:
1)地面为硬地面，因此可以忽略转向过程的履带沉陷和相关的带侧向推土作用。
2)转向时，履带-地面接触的给定点形成的剪切应力取决于该点的剪切位移，从初始与地面接触开始度量;对于具有橡胶履带或橡胶垫的钢制履带，剪切应力在橡胶与地面之间形成。
3)履带-地面接触点的剪切应力方向与该点履带和地面之间的滑移速度方向相反。
4)沿履带纵向方向的剪切应力分量构成牵引或制动力，而侧向分量构成带的侧向阻力，对履带转向中心的侧向阻力的力矩构成转向阻力矩。
应用广义理论预测履带车辆转向特性的步骤如下所述，细节可以见文献[1，15]。
①对于给定前进车速和转向半径的特定转向，基于运动学分析，首先计算履带-地面接触点的剪切位移。
②)利用已知的剪切应力-剪切位移的关系，确定履带-地面接触的剪切应力分布。
③基于接触点相对于地面的滑移速度方向，分析每个接触点的剪切应力方向。
④每个接触点剪切应力分解为关于履带的纵向和侧向分量。
⑤对整个履带接触区域的剪切应力纵向分量积分，求得带纵向力合力，相应的链轮力矩等于纵向力与链轮节圆半径乘积。
⑥对整个履带接触区域的剪切应力侧向分量积分，求得带侧向力合力由侧向力合力对履带转向中心的力矩确定履带转向阻力矩。
⑦通过前面的分析，稳态转向条件下履带车辆动力平衡方程为
履带下各种法向压力分布可以包含在广义理论中，包括集中在负重轮下的履带法向载荷、在负重轮下只由履带连接支撑的瞬态法向载荷、履带接触长度的连续法向载荷分布。
18.3.3.2 试验验证
为了验证前述的滑移转向广义理论的基本特性，对军用履带车辆的转向特性进行了预测，将结果与文献[16]的试验数据进行了对比。图18.16给出了具
有理论转向半径的外侧和内侧履带链轮力矩的预测值变化，理论转向半径由外侧和内侧履带链轮角速度ω。和”;推导，忽略了履带滑移;在各种车速下，具有不同类型的法向载荷分布。图中也绘制出了文献「16]的试验结果。为进行对比，将Steeds 方法的预测结果也绘制在图中。
由图可以看出，利用广义理论获得的预测结果与试验结果十分相似。两者都表明链轮力矩随着理论转向半径的增大而逐渐降低。相反，利用Steeds方法得到的预测结果与试验结果相差很大，链轮力矩的预测值在转向半径的大范围内接近于常数，尤其在低速下。Steeds方法预测较差的原因主要是由于只要带和地面发生了相对小的运动，履带-地面接触的剪切应力就立即达到最大值的假设。图18.17a和图18.17b为各种转向半径下沿着外侧和内侧履带纵向中心线的侧向剪切应力分布。值得注意的是，即使在履带单元前部点与地面刚接触时，侧向力就达到其最大值。相反，基于广义理论，外侧和内侧履带前接触点的侧向应力是零，如图18.18a和图18.18b所示。也应当指出，在Steeds方法中，当转弯半径大于特定值时，外侧和内侧履带侧向剪切应力分布基本保持一样，如图18.17中50m所示。基于 Steeds 方法，由于侧向剪切力对于转向中心的力矩构成转向阻力矩，这使得转向半径发生大范围变化时，外侧和内侧履带的转向阻力矩保持不变。
在稳态转向过程中，外侧和内侧履带的链轮力矩用于产生驱动或制动要求的力，形成履带车辆的转向力矩以克服地面上履带侧向滑移产生的转向阻力合成力矩。因此，如图18.16所示，基于 Steeds 方法，当转向半径大于某个值时外侧和内侧履带的链轮力矩保持基本不变。相反，基于广义理论，侧向剪切应力的大小随着转向半径的增大而减小，如图18.18所示。因此，外侧和内侧带的链轮力矩大小随着转向半径的增大而减小，如图18.16所示。这表明，与Steeds理论相比，广义理论对履带车辆转向行为提供了更实际和更准确的预测。同样有趣的是，由图18.16可以看出，在硬地面上法向载荷分布对带车辆转向行为影响不大。
18.3.3.3 侧向阻力系数
在18.3.2小节给出的滑移转向力学简化分析中，在转向过程中预测作用在履带上的侧向力和转向阻力矩时，引人了侧向阻力系数…，也称为侧向摩擦系数。如果法向压力是沿着履带均匀分布，则转向滑移引起的转向阻力矩M由式(18.15)给出。
式(18.15)表明，转向阻力矩M,独立于转向半径。然而，试验证据表明
18.3.4 轮式越野车辆转向
大多数轮式越野车辆的转向是通过转向系统改变前轮的方向，类似于道路车辆。对于多轴越野轮式车辆，如装甲车辆，除了前轮外，在一些情况下中间轮也可以进行转向。轮式车辆转向系统设计首要考虑的问题是转弯时最小轮胎摩擦这要求转向过程中所有轮胎应当处于纯滚动状态，侧向滑移最小。为了满足这个要求，车轮应当根据弯曲路径对共同转向中心具有不同的转向半径。前轮和中间轮可以转向的6x6车辆，如图18.20所示，这在同一车轴内外车轮转角之间确定了合适的关系。
满足式(18.24)的转向几何关系，通常称为Ackermann(阿克曼)转向几何。
在许多方面上，轮式越野车辆的操纵性与道路车辆的操纵性类似。由于道路车辆的转向特性在本书的其他章中已经进行了详细的说明，这里就不再重复说明。然而，两者之间也有不同。例如，许多情况下轮式越野车辆在未准备地面上行驶的车速远低于道路车辆在路面上行驶的速度。因此，在这些情况下，分析轮式越野车辆操纵性时，可以忽略离心力的作用。而且，在未准备地面上，轮胎的侧向力-侧偏角的关系通常也与路面上具有很大不同。图18.21给出了拖拉机前轮(7.5-18AS)的侧向力系数(即侧向力与法向载荷之比)与侧偏角在路面和未准备地面上的关系。由图可以看出，轮胎行驶在未准备地面和路面上，轮胎的转向行为有显著的区别。应当提到的是，在分析和试验方面，在未准备地面上轮胎的转向行为还未研究过，而在路面上轮胎的转向行为已经广泛研究。这是个需要进行深入研究的领域，以便更准确预测轮式越野车辆在未准备地面上的操纵性。
除了前述的Ackermann转角，铰接转向也在越野轮式车辆中得到应用，尤其是重型轮式越野车辆。文献[19]给出了轮式越野车辆铰接转向的详细分析。总之，尽管滑移转向简化分析提供了对履带车辆操纵行为的基本理解，但是其不能准确预测履带车辆的转向特性。Wong和Chiang提出的滑移转向广义理论提供了预测履带车辆转向行为的改进方法，其基本特点通过场地试验进行了验证。对于轮式越野车辆，为提高其操纵行为的预测，需要对轮胎在未准备地面上的转向行为进行深入研究。