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文檔簡介

汽車?yán)碚撚嘀旧谖逭碌谝豁?,?0頁。授課章節(jié)::

4.1概述4.2輪胎的側(cè)偏特性目的要求:

掌握操縱穩(wěn)定性包含的內(nèi)容;掌握車輛坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的時(shí)域響應(yīng);了解人-汽車閉環(huán)系統(tǒng);熟練掌握輪胎側(cè)偏特性及其有關(guān)概念。重點(diǎn)難點(diǎn):

車輛坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的時(shí)域響應(yīng)、輪胎側(cè)偏特性及有關(guān)概念

第二頁,共80頁。第五章汽車的操縱穩(wěn)定性

第一節(jié)概述

一、汽車的操縱穩(wěn)定性不僅影響汽車駕駛的方便性,而且決定高速汽車安全行駛的一個(gè)主要性能汽車的操縱穩(wěn)定性包括操縱性和穩(wěn)定性。

操縱性

指汽車能夠確切地響應(yīng)駕駛員的轉(zhuǎn)向指令的能力。

穩(wěn)定性指汽車在行駛過程中,具有抵抗改變其行駛方向的各種干擾,并保持穩(wěn)定行駛而不致失去控制甚至翻車或側(cè)滑的能力。

汽車的操縱穩(wěn)定性指在駕駛者不感到過分緊張、疲勞的條件下,汽車能遵循駕駛者通過轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向行駛,且當(dāng)遭遇外界干擾時(shí),汽車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力。

第三頁,共80頁。二、汽車操縱穩(wěn)定性包含的內(nèi)容1.汽車操縱穩(wěn)定性的研究方法

在汽車操縱穩(wěn)定性的研究中,把汽車作為一控制系統(tǒng),求出汽車曲線行駛的時(shí)域響應(yīng)與頻域響應(yīng),并以它們來表征汽車的操縱穩(wěn)定性能。汽車是一多元件組成的系統(tǒng),是一多自由度動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)但在大多數(shù)行駛狀況下,如果側(cè)向加速度不超過0.4g,忽略次要因素,可將其視為一個(gè)線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。(1)汽車系統(tǒng)

汽車系統(tǒng)是一個(gè)人——車系統(tǒng)。近代汽車操縱穩(wěn)定性研究中,常把汽車系統(tǒng)抽象為閉環(huán)系統(tǒng)或開環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行研究。1)“人——汽車”閉環(huán)系統(tǒng)

把駕駛員及汽車作為統(tǒng)一整體的閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。第四頁,共80頁。閉環(huán)系統(tǒng)中駕駛員既是“比較”、‘指令”元件,又是“感受”、“測量’元件。汽車是接受指令的調(diào)節(jié)對象,汽車狀態(tài)為調(diào)節(jié)參數(shù)??諝夂吐访鎸ζ嚻饠_動(dòng)的作用。因此,系統(tǒng)追隨駕駛員指令的靈敏程度,以及最終響應(yīng)指令偏離程度,是對汽車操縱性的描述;“指令’不變時(shí),系統(tǒng)在各種擾動(dòng)下穩(wěn)定運(yùn)行的能力是對穩(wěn)定性的描述。第五頁,共80頁。2)汽車開環(huán)系統(tǒng)

僅研究駕駛員給定“指令”后汽車在某種轉(zhuǎn)向輸入下的運(yùn)行狀態(tài),不允許駕駛員起任何反饋?zhàn)饔?。開環(huán)系統(tǒng)的控制特性取決于汽車的結(jié)構(gòu)與參數(shù),是汽車本身固有的特性。閉環(huán)系統(tǒng)較完整地描述了輸入、響應(yīng)和反饋的相互關(guān)系,但十分繁雜。由于駕駛員的反饋?zhàn)饔?,其客觀性和再現(xiàn)性不如開環(huán)汽車系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)好,而且只能通過實(shí)車試驗(yàn)進(jìn)行研究。因而,在產(chǎn)品開發(fā)階段,廣泛應(yīng)用的理論分析對象只能是汽車開環(huán)系統(tǒng)

第六頁,共80頁。

(2)汽車曲線行駛的時(shí)域響應(yīng)

指汽車在轉(zhuǎn)向盤輸入或外界側(cè)向干擾輸入下的側(cè)向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

1)轉(zhuǎn)向盤輸入

有兩種形式:給轉(zhuǎn)向盤作用一個(gè)角位移,稱為角位移輸入,簡稱角輸入;給轉(zhuǎn)向盤作用一個(gè)力矩,稱為力矩輸入,簡稱力輸入。

駕駛員在實(shí)際駕駛車輛時(shí),對轉(zhuǎn)向盤的這兩種輸入是同時(shí)加入的。

2)外界側(cè)向干擾輸入

主要是指側(cè)向風(fēng)與路面不平產(chǎn)生的側(cè)向力。第七頁,共80頁。

2.汽車操縱穩(wěn)定性的主要內(nèi)容1)轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下進(jìn)入的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)響應(yīng)

是轉(zhuǎn)向盤角位移輸入下的時(shí)域響應(yīng)。2)回正性

是一種轉(zhuǎn)向盤力輸入下的時(shí)域響應(yīng)。3)橫擺角速度頻率響應(yīng)特性

是轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角正弦輸入下,頻率由0→∞時(shí),汽車橫擺角速度與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的振幅比及相位差的變化規(guī)律。它是另一個(gè)重要的表征汽車操縱穩(wěn)定性的基礎(chǔ)特性。

4)轉(zhuǎn)向半徑

指最小轉(zhuǎn)向半徑。是評(píng)價(jià)汽車機(jī)動(dòng)靈活性的物理參量。第八頁,共80頁。第九頁,共80頁。三、汽車的運(yùn)動(dòng)與車輛坐標(biāo)系1.車輛坐標(biāo)系

固結(jié)于運(yùn)動(dòng)著的汽車上的動(dòng)坐標(biāo)系。1)坐標(biāo)系的原點(diǎn)O與質(zhì)心重合;2)xoz處于汽車左右對稱平面內(nèi)。當(dāng)車輛在水平路面上處于靜止?fàn)顟B(tài)下,x軸平行于地面指向前方;3)z軸鉛垂向上方;4)y軸指向駕駛員的左側(cè)。

第十頁,共80頁。第十一頁,共80頁。2.車身空間運(yùn)動(dòng)的六個(gè)自由度1)縱向運(yùn)動(dòng)——汽車質(zhì)心沿x軸的運(yùn)動(dòng);2)側(cè)向運(yùn)動(dòng)——汽車質(zhì)心沿y軸的運(yùn)動(dòng);3)垂向運(yùn)動(dòng)——汽車質(zhì)心沿z軸的運(yùn)動(dòng);4)側(cè)傾運(yùn)動(dòng)——汽車質(zhì)心繞x軸的轉(zhuǎn)動(dòng);5)仰俯運(yùn)動(dòng)——汽車質(zhì)心繞y軸的轉(zhuǎn)動(dòng);6)橫擺運(yùn)動(dòng)——汽車質(zhì)心繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。與操縱穩(wěn)定性有關(guān)的主要運(yùn)動(dòng)參量有:橫擺角速度、側(cè)向速度、側(cè)向加速度。第十二頁,共80頁。四、轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的時(shí)域響應(yīng)(研究汽車方向穩(wěn)定性的一種方法)

車輛響應(yīng):由于外部或車輛內(nèi)部的輸入所產(chǎn)生的車輛運(yùn)動(dòng)。

汽車的時(shí)域響應(yīng)可分為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)。1.轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入

在汽車等速直線行駛時(shí),急速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤至某一轉(zhuǎn)角后停止轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤并維持此轉(zhuǎn)角不變,稱這時(shí)轉(zhuǎn)向盤的角輸入為轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入。2.轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下進(jìn)入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)(汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性)在轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下,汽車經(jīng)短暫時(shí)間后進(jìn)入的等速圓周行駛。第十三頁,共80頁。第十四頁,共80頁。3.汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性的三種類型不足轉(zhuǎn)向、中性轉(zhuǎn)向和過多轉(zhuǎn)向。三種穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性汽車的行駛特點(diǎn):在轉(zhuǎn)向盤保持一固定轉(zhuǎn)角下,緩慢加速或以不同車速等速行駛時(shí),隨著車速的增加,不足轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向半徑增大;中性轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向半徑維持不變;而過多轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向半徑則越來越小。操縱穩(wěn)定性良好的汽車應(yīng)具有適度的不足轉(zhuǎn)向特性。一般汽車不應(yīng)具有過多轉(zhuǎn)向特性,也不應(yīng)具有中性轉(zhuǎn)向特性。4.轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)

轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下,在等速直線行駛與等速圓周行駛這兩個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)之間的過渡過程是一種瞬態(tài),相應(yīng)的瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)稱為轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)。第十五頁,共80頁。

第十六頁,共80頁。5.轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)

(1)轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)的特點(diǎn)汽車的瞬態(tài)響應(yīng),具有如下幾個(gè)特點(diǎn):

1)時(shí)間上存在滯后汽車的橫擺角速度不能立即達(dá)到穩(wěn)態(tài)橫擺角速度,而要經(jīng)過時(shí)間后才能第一次達(dá)到。2)執(zhí)行上存在誤差最大橫擺角速度常大于穩(wěn)態(tài)值。3)橫擺角速度存在波動(dòng)在瞬態(tài)響應(yīng)中,橫擺角速度以頻率在值上下波動(dòng)。波動(dòng)的頻率決定于汽車動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù),它也是表征汽車操縱穩(wěn)定性的一個(gè)重要參數(shù)。4)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)響應(yīng)需要經(jīng)歷一定時(shí)間。

第十七頁,共80頁。第十八頁,共80頁。(2)轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)的評(píng)價(jià)參數(shù)

1)反應(yīng)時(shí)間響應(yīng)量首次達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間,反映了系統(tǒng)追隨輸入指令的靈敏成度。反應(yīng)時(shí)間越短,轉(zhuǎn)向響應(yīng)越快。2)超調(diào)量反映瞬態(tài)響應(yīng)在振蕩過程中,瞬間偏離期望響應(yīng)的程度。

=/×100%

3)穩(wěn)定時(shí)間系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)響應(yīng)需要經(jīng)歷的時(shí)間,是系統(tǒng)執(zhí)行指令快速性的描述。

橫擺角速度達(dá)到穩(wěn)態(tài)值95%~105%之間的時(shí)間稱為穩(wěn)定時(shí)間,它表明進(jìn)入穩(wěn)態(tài)響應(yīng)所經(jīng)歷的時(shí)間。第十九頁,共80頁。4)衰減度

表征瞬態(tài)響應(yīng)的振蕩衰減速度,以瞬態(tài)響應(yīng)曲線的兩相鄰波峰之比表示。與系統(tǒng)的相對阻尼系數(shù)有關(guān)。結(jié)論:瞬態(tài)響應(yīng)包括兩方面的問題:一是行駛方向穩(wěn)定性,即給汽車以轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入后,汽車能否達(dá)到新的穩(wěn)定狀況的問題;二是響應(yīng)品質(zhì)問題,即達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)之前,其瞬態(tài)響應(yīng)的特性如何。第二十頁,共80頁。

第二節(jié)輪胎的側(cè)偏特性

輪胎的側(cè)偏特性是指側(cè)偏力、回正力矩與側(cè)偏角間的關(guān)系。一、輪胎坐標(biāo)系及輪胎六分力1.車輪平面垂直于車輪旋轉(zhuǎn)軸線的輪胎中分平面。2.輪胎坐標(biāo)系1)坐標(biāo)系的原點(diǎn)O

為車輪平面和地平面的交線與車輪旋轉(zhuǎn)軸線在地平面上投影線的交點(diǎn);2)x軸以車輪平面與地面的交線為x軸,方向向前;3)y軸以車輪自轉(zhuǎn)軸線在地平面上的垂直投影線為y軸,面向車輪前進(jìn)方向時(shí),方向向左;4)z軸以過原點(diǎn)的鉛垂線為z軸,方向向上。

第二十一頁,共80頁。第二十二頁,共80頁。3.輪胎印跡輪胎胎面與地平面的接觸區(qū)域稱為印跡。

4.側(cè)偏角是輪胎接地印跡中心(即坐標(biāo)系原點(diǎn))位移方向與x軸的夾角。5.外傾角外傾角是垂直平面(xOz平面)與車輪平面的夾角。第二十三頁,共80頁。6.輪胎六分力將地平面通過印跡作用在胎面上的各種力向原點(diǎn)O簡化,可得到沿輪胎坐標(biāo)系各軸的三個(gè)力,及三個(gè)力矩,即六分力,它們均按輪胎坐標(biāo)系規(guī)定的方向確定正、負(fù)方向。

第二十四頁,共80頁。(1)切向反作用力FX

地面對輪胎作用力沿輪胎坐標(biāo)系x軸方向的分量;(2)側(cè)向反作用力FY

地面對輪胎作用力沿輪胎坐標(biāo)系y軸方向的分量;(3)法向反作用力FZ

地面對輪胎作用力沿輪胎坐標(biāo)系z軸方向的分量;

第二十五頁,共80頁。(4)翻轉(zhuǎn)力矩TX

地面對輪胎作用力矩沿輪胎坐標(biāo)系x軸方向的分量;(5)滾動(dòng)阻力矩TY

地面對輪胎作用力矩沿輪胎坐標(biāo)系Y軸方向的分量;(6)回正力矩TZ

地面對輪胎作用力矩沿輪胎坐標(biāo)系Z軸方向的分量。第二十六頁,共80頁。授課章節(jié)::

4.2輪胎的側(cè)偏特性4.3線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應(yīng)

目的要求:

熟練掌握輪胎側(cè)偏特性及其有關(guān)的概念;了解輪胎的結(jié)構(gòu)、工作條件對側(cè)偏特性的影響;了解有外傾角時(shí)輪胎的滾動(dòng);熟練掌握線性二自由度汽車模型的含義;掌握線性二自由度汽車模型的運(yùn)動(dòng)微分方程的含義。重點(diǎn)難點(diǎn):

輪胎的側(cè)偏特性及其有關(guān)的概念、線性二自由度汽車模型的含義

第二十七頁,共80頁。二、輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象與側(cè)偏力側(cè)偏角曲線1.側(cè)偏力FY外傾角為零時(shí),車輪中心沿Y軸方向如果作擁有側(cè)向力,相應(yīng)地在地面上產(chǎn)生的、對輪胎的側(cè)向反作用力。2.輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象有側(cè)向彈性的車輪,在側(cè)偏力的作用下滾動(dòng)時(shí),即使側(cè)偏力沒有達(dá)到附著極限,車輪的行駛方向也偏離車輪平面,這就是彈性輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象。第二十八頁,共80頁。3.輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象的產(chǎn)生當(dāng)有地面?zhèn)认蚍醋饔昧r(shí)車輪的運(yùn)動(dòng)分析。(1)對于剛性車輪:

1)當(dāng)?shù)孛鎮(zhèn)认蚍醋饔昧Y未超過車輪與地面間的附著極限時(shí),車輪與地面間沒有滑動(dòng),車輪仍在車輪平面內(nèi)運(yùn)動(dòng);

2)當(dāng)?shù)孛鎮(zhèn)认蚍醋饔昧Y達(dá)到車輪與地面間的附著極限,車輪發(fā)生側(cè)向滑動(dòng),車輪的行駛方向偏離車輪平面;

第二十九頁,共80頁。(2)對于有側(cè)向彈性的車輪

1)車輪靜止不動(dòng)。輪胎發(fā)生側(cè)向變形,輪胎接地印跡的中心線,與車輪平面不重合,錯(cuò)開一定距離,但二者仍平行。

2)車輪滾動(dòng)。輪胎接地印跡的中心線不僅與車輪平面錯(cuò)開一定距離,而且二者不再平行,而是形成一個(gè)夾角,此夾角即為側(cè)偏角。有側(cè)向彈性的車輪,在側(cè)偏力的作用下滾動(dòng)時(shí),即使側(cè)偏力沒有達(dá)到附著極限,車輪的行駛方向也偏離車輪平面,這就是彈性輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象。第三十頁,共80頁。4.側(cè)偏剛度側(cè)偏力側(cè)偏角(FY—)曲線在=0°處的斜率稱為側(cè)偏剛度k,單位為N/rad或N/(°)。負(fù)的側(cè)偏力產(chǎn)生正的側(cè)偏角,因此側(cè)偏剛度為負(fù)值。FY與的關(guān)系式可寫作

側(cè)偏剛度是決定操縱穩(wěn)定性的重要輪胎參數(shù)。輪胎應(yīng)有高的側(cè)偏剛度(絕對值),以保證汽車良好的操縱穩(wěn)定性。第三十一頁,共80頁。5.輪胎的結(jié)構(gòu)、工作條件對側(cè)偏特性的影響1)輪胎的尺寸、形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)對側(cè)偏剛度有顯著影響。

尺寸較大的輪胎有較高的側(cè)偏剛度。子午線輪胎接地面寬,一般側(cè)偏剛度較高。鋼絲子午線輪胎比尼龍子午線的側(cè)偏剛度還要高些。

高寬比以百分?jǐn)?shù)表示的輪胎斷面高H與輪胎斷面寬B之比。采用高寬比小的寬輪胎是提高側(cè)偏剛度的主要措施。第三十二頁,共80頁。第三十三頁,共80頁。2)垂直載荷的變化對輪胎側(cè)偏特性有顯著影響垂直載荷增大后,側(cè)偏剛度隨垂直載荷的增加而加大;但垂直載荷過大時(shí),輪胎與地面接觸區(qū)的壓力變得極不均勻,使輪胎側(cè)偏剛度反而有所減小。第三十四頁,共80頁。3)輪胎的充氣壓力對側(cè)偏剛度也有顯著影響。隨著氣壓的增加,側(cè)偏剛度增大;但氣壓過高后剛度不再變化。

第三十五頁,共80頁。4)切向反作用力對側(cè)偏剛度也有顯著影響。試驗(yàn)表明,一定側(cè)偏角下,驅(qū)動(dòng)力增加時(shí),側(cè)偏力逐漸有所減小,這是由于輪胎側(cè)向彈性有所改變的關(guān)系。當(dāng)驅(qū)動(dòng)力相當(dāng)大時(shí),側(cè)偏力顯著下降,此時(shí)接近附著極限,切向力已耗盡大部分附著力,而側(cè)向能利用的附著力很少。作用有制動(dòng)力時(shí),側(cè)偏力有相似的變化。附著橢圓(附著圓)附著橢圓確定了在一定附著條件下切向力與側(cè)偏力合力的極限值。

第三十六頁,共80頁。5)路面及其粗糙程度、干濕狀況對側(cè)偏特性,尤其是最大側(cè)偏力有很大影響。第三十七頁,共80頁。6)路面有薄水層,由于滑水現(xiàn)象,會(huì)出現(xiàn)側(cè)偏力完全喪失情況。第三十八頁,共80頁。四、回正力矩——繞Oz軸的力矩在輪胎發(fā)生側(cè)偏時(shí),還會(huì)產(chǎn)生回正力矩。1.輪胎拖距e

輪胎發(fā)生側(cè)偏時(shí),接地面內(nèi)分布的微元側(cè)向反力的合力FY的大小與側(cè)向力FY相等,其作用點(diǎn)偏移接地印跡幾何中心的距離稱為輪胎拖距,F(xiàn)Ye就是回正力矩。

該回正力矩是圓周行駛時(shí),使轉(zhuǎn)向車輪恢復(fù)到直線行駛位置的主要恢復(fù)力矩之一第三十九頁,共80頁?;卣厥軅?cè)偏角和垂直載荷的影響第四十頁,共80頁。輪胎的形式及結(jié)構(gòu)參數(shù)對回正力矩-側(cè)偏角特性有影響。同樣側(cè)偏角下,尺寸大的輪胎一般回正力矩較大。輪胎的氣壓低,接地印跡長,輪胎拖距大,回正力矩也大。

地面切向反作用力對回正力矩有影響。第四十一頁,共80頁。四、有外傾角時(shí)輪胎的滾動(dòng)1.外傾側(cè)向力當(dāng)汽車兩前輪有外傾角時(shí),車輪滾動(dòng)時(shí),其中心作用有一側(cè)向力FY,輪胎接地面中因此產(chǎn)生一個(gè)與FY方向相反的側(cè)向反作用力,稱該力為外傾側(cè)向力。2.外傾剛度外傾側(cè)向力與外傾角成線性關(guān)系,其關(guān)系式為式中,為外傾剛度,為負(fù)值,單位為N/rad或N(°)。3.有外傾角時(shí)的地面?zhèn)认蚍醋饔昧?/p>

有外傾角時(shí)的地面?zhèn)认蚍醋饔昧εc外傾角、側(cè)偏角的關(guān)系式為式中,為只有側(cè)偏角而外傾角為零時(shí)的側(cè)偏力;為只有外傾角而側(cè)偏角為零時(shí)的外傾側(cè)向力;為側(cè)偏角;為外傾角。第四十二頁,共80頁。隨著外傾角的增大,胎面與路面的接觸情況越來越差,會(huì)影響最大地面?zhèn)认蚍醋饔昧Χ鴵p害汽車的性能。所以,高速轎車特別是采用超寬斷面輪胎的競賽車,轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)承受大部分前側(cè)向力的前外輪應(yīng)盡量垂直于地面,即外傾角等于零。摩托車轉(zhuǎn)彎時(shí),車輪外傾角很大,為了保證最大地面?zhèn)认蚍醋饔昧Γν熊囕喬ゾ哂袌A形斷面。車輪有外傾角時(shí)會(huì)產(chǎn)生回正力矩。按輪胎坐標(biāo)系規(guī)定,正的側(cè)偏角對應(yīng)于負(fù)的側(cè)偏力與正的回正力矩;正的外傾角對應(yīng)于負(fù)的外傾側(cè)向力與負(fù)的外傾回正力矩。第四十三頁,共80頁。第三節(jié)線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應(yīng)一、線性二自由度汽車模型建立模型時(shí),要對實(shí)際汽車做以下簡化假設(shè):

①車輪轉(zhuǎn)向角不大,沒有空氣阻力的作用;②汽車側(cè)向加速度限定在0.4g以下,輪胎側(cè)偏特性處于線性范圍;③忽略懸架的作用,把整個(gè)汽車視為一個(gè)作平面運(yùn)動(dòng)的剛體,汽車車廂只作平行于地面的平面運(yùn)動(dòng),且沿x軸的前進(jìn)速度u視為不變,因此,汽車只有沿y軸的側(cè)向運(yùn)動(dòng)與繞z軸的橫擺運(yùn)動(dòng)這樣兩個(gè)自由度;④不考慮地面切向力對輪胎側(cè)偏特性的影響,忽略左右輪胎由于垂直載荷不同引起的側(cè)偏特性的差別,認(rèn)為左右輪側(cè)偏角相同。第四十四頁,共80頁。線性二自由度汽車模型是一個(gè)兩輪摩托車模型。由前后兩個(gè)有側(cè)向彈性的輪胎支承于地面、具有側(cè)向及橫擺運(yùn)動(dòng)二自由度。第四十五頁,共80頁。一、線性二自由度汽車模型的運(yùn)動(dòng)微分方程

分析以前輪轉(zhuǎn)角作為輸入,令車輛坐標(biāo)系的原點(diǎn)與汽車質(zhì)心重合。經(jīng)推導(dǎo)整理得線性二自由度汽車的運(yùn)動(dòng)微分方程為線性二自由度汽車的運(yùn)動(dòng)微分方程式包含了最重要的汽車質(zhì)量與輪胎側(cè)偏剛度兩方面的參數(shù),所以能夠反映汽車曲線運(yùn)動(dòng)最基本的特征。

第四十六頁,共80頁。授課章節(jié)::4.3線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應(yīng)4.4汽車操縱穩(wěn)定性與懸架的關(guān)系

目的要求:

熟練掌握前輪角階躍輸入下進(jìn)入的汽車穩(wěn)態(tài)響應(yīng);了解汽車操縱穩(wěn)定性與懸架的關(guān)系;掌握有關(guān)概念。重點(diǎn)難點(diǎn):

前輪角階躍輸入下進(jìn)入的汽車穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、汽車操縱穩(wěn)定性與懸架的關(guān)系參考書目:余志生.汽車?yán)碚?P147-152、P161-168第四十七頁,共80頁。二、前輪角階躍輸入下進(jìn)入的汽車穩(wěn)態(tài)響應(yīng)——等速圓周行駛

在前輪角階躍輸入下進(jìn)入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)就是等速圓周行駛,常用輸出與輸入的比值,來評(píng)價(jià)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。1.轉(zhuǎn)向靈敏度(穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益)穩(wěn)態(tài)的橫擺角速度與前輪轉(zhuǎn)角之比,是分析穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性的基礎(chǔ)。

由二自由度汽車模型的運(yùn)動(dòng)微分方程有式中:K——穩(wěn)定性因數(shù),單位為s2/m2,是表征汽車穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一個(gè)重要參數(shù)。第四十八頁,共80頁。2.穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的三種類型

據(jù)K值,穩(wěn)態(tài)響應(yīng)分為三種類型。1)中性轉(zhuǎn)向

K=0時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。此時(shí)第四十九頁,共80頁。2)不足轉(zhuǎn)向K>0時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。橫擺角速度增益比中性轉(zhuǎn)向時(shí)要小。K值越大,不足轉(zhuǎn)向的程度越大。

特征車速不足轉(zhuǎn)向的汽車穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益達(dá)到最大值時(shí)的車速。特征車速是表征不足轉(zhuǎn)向量的參數(shù),不足轉(zhuǎn)向量增加時(shí),K值增大,特征車速降低。

第五十頁,共80頁。3)過多轉(zhuǎn)向

K<0時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。

橫擺角速度增益比中性轉(zhuǎn)向時(shí)要大。K值越小,過多轉(zhuǎn)向的程度越大。

臨界車速過多轉(zhuǎn)向汽車橫擺角速度增益趨于無窮大時(shí)的車速。臨界車速是表征過多轉(zhuǎn)向量的參數(shù),臨界車速越低,過多轉(zhuǎn)向量越大。第五十一頁,共80頁。(三)幾個(gè)表征穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的參數(shù)1.前、后輪側(cè)偏角絕對值之差()由將其右端上下均乘以側(cè)向加速度得因?yàn)閭?cè)向加速度與兩側(cè)偏力同向,與前、后輪側(cè)偏角符號(hào)相反。所以,當(dāng)、、取絕對值時(shí)有結(jié)論:

>0,K>0,汽車為不足轉(zhuǎn)向;

=0,K=0,汽車為中性轉(zhuǎn)向;

<0,K<0,汽車為過多轉(zhuǎn)向。第五十二頁,共80頁。2.轉(zhuǎn)向半徑的比R/R0

輪胎有側(cè)偏時(shí)的轉(zhuǎn)向半徑R與無側(cè)偏時(shí)的轉(zhuǎn)向半徑R0之比。因?yàn)榻Y(jié)論:

K>0,R/R0>1,不足轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向半徑總大于R0,且隨車速增加而增大;

K=0,R/R0=1,中性轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向半徑不隨車速發(fā)生變化,始終為R0;

K<0,R/R0

<1,過多轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向半徑總小于R0,且隨車速的增加而減小。第五十三頁,共80頁。3.用靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù)S.M.(StaticMargin)來表征汽車穩(wěn)態(tài)響應(yīng)1)中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)

處于汽車縱軸上的使汽車前、后輪產(chǎn)生同一側(cè)偏角的側(cè)向力作用點(diǎn)cn稱為中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)。第五十四頁,共80頁。當(dāng)側(cè)向力作用于中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)的位置時(shí),前、后輪產(chǎn)生同一側(cè)偏角,前、后軸的側(cè)偏力為由力矩平衡可得cn距前軸的距離a′為2)靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù)S.M.

是中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)至前軸距離a′和汽車質(zhì)心至前軸距離a之差(a′-a)與軸距L之比值,即第五十五頁,共80頁。結(jié)論:

S.M.=0時(shí),中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)與質(zhì)心重合,在質(zhì)心位置上作用的側(cè)向力引起前、后輪的側(cè)偏角相等,汽車具有中性轉(zhuǎn)向特性;S.M.>0時(shí),a'>a,中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)在質(zhì)心之后,在質(zhì)心位置上作用的側(cè)向力引起前輪的側(cè)偏角的絕對值大于后輪側(cè)偏角的絕對值,汽車具有不足轉(zhuǎn)向特性;

S.M.<0時(shí),a'<a,中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)在質(zhì)心之前,在質(zhì)心位置上作用的側(cè)向力引起前輪的側(cè)偏角的絕對值小于后輪側(cè)偏角的絕對值,汽車具有過多轉(zhuǎn)向特性。

第五十六頁,共80頁。第四節(jié)汽車操縱穩(wěn)定性與懸架的關(guān)系

1.汽車沿曲線行駛時(shí)的側(cè)偏角

(1)曲線行駛時(shí)輪胎彈性側(cè)偏角受到影響

由于側(cè)向力的作用,前、后軸左、右兩側(cè)車輪的垂直載荷要發(fā)生變化;車輪常有外傾角,且由于懸架導(dǎo)向桿系的運(yùn)動(dòng)及變形,外傾角將隨之發(fā)生變化;此外,車輪上還作用有切向反作用力。這些因素改變了輪胎的側(cè)偏剛度和外傾側(cè)向力,從而影響到輪胎彈性側(cè)偏角的大小。

(2)曲線行駛時(shí)車輪輪輞平面發(fā)生側(cè)傾轉(zhuǎn)向(RollSteer)與變形轉(zhuǎn)向

車廂在曲線行駛時(shí)將發(fā)生側(cè)傾,即使轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角固定不動(dòng),由于車廂側(cè)傾時(shí)前懸架導(dǎo)向桿系和轉(zhuǎn)向桿系的運(yùn)動(dòng)及變形,前車輪輪輞平面也可能發(fā)生繞主銷的小角度轉(zhuǎn)動(dòng)。車廂側(cè)傾時(shí)后懸架導(dǎo)向桿系的運(yùn)動(dòng)及變形,也會(huì)令后輪輪輞發(fā)生繞垂直于地面軸線的小角度轉(zhuǎn)動(dòng)。這種車輪輪輞平面的轉(zhuǎn)動(dòng)稱為側(cè)傾轉(zhuǎn)向與變形轉(zhuǎn)向,它們與輪胎的彈性側(cè)偏角疊加在一起,決定了汽車的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。第五十七頁,共80頁。2.側(cè)傾轉(zhuǎn)向(軸轉(zhuǎn)向、運(yùn)動(dòng)學(xué)側(cè)偏)由車廂側(cè)傾所引起的前轉(zhuǎn)向輪繞主銷的轉(zhuǎn)動(dòng)、后輪繞垂直于地面軸線的轉(zhuǎn)動(dòng),即車輪轉(zhuǎn)向角的變動(dòng),稱為側(cè)傾轉(zhuǎn)向。3.變形轉(zhuǎn)向懸架導(dǎo)向桿系各元件在各種力、力矩作用下發(fā)生的變形,引起車輪繞主銷或垂直于地面軸線的轉(zhuǎn)動(dòng),稱為變形轉(zhuǎn)向。4.變形轉(zhuǎn)向角變形轉(zhuǎn)向產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角。第五十八頁,共80頁。結(jié)論:

汽車沿曲線行駛時(shí),汽車前、后輪(總)側(cè)偏角應(yīng)當(dāng)包括:1)考慮到垂直載荷與外傾角變動(dòng)等因素的彈性側(cè)偏角;2)側(cè)傾轉(zhuǎn)向角(RollSteerAngle);3)變形轉(zhuǎn)向角(ComplianceSteer

Angle)。

這三個(gè)角度數(shù)值的大小,不只取決于汽車質(zhì)心位置和輪胎特性,而且在很大程度上決定于懸架、轉(zhuǎn)向和傳動(dòng)系的結(jié)構(gòu)形式及其結(jié)構(gòu)參數(shù)。第五十九頁,共80頁。一、車廂的側(cè)傾1.車廂側(cè)傾軸線車廂相對地面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)軸線稱為車廂側(cè)傾軸線。該軸線通過車廂在前、后軸處橫斷面上的瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心,這兩個(gè)瞬時(shí)中心稱為側(cè)傾中心。側(cè)傾中心的位置與懸架結(jié)構(gòu)、剛度等因素有關(guān),且一般前后軸處的側(cè)傾中心的離地高度不等。因此,從車身整體看,車身是圍繞傾斜的側(cè)傾軸線擺動(dòng)。側(cè)傾中心的位置決定于懸架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu),可用圖解法或試驗(yàn)法求得。第六十頁,共80頁。2.車廂側(cè)傾角車廂在側(cè)向力的作用下繞側(cè)傾軸線的轉(zhuǎn)角。車廂側(cè)傾角是和汽車操縱穩(wěn)定性及平順性有關(guān)的一個(gè)重要參數(shù)。過大的側(cè)傾角使駕駛員感到不穩(wěn)定、不安全。對平順性而言,側(cè)傾過大的汽車,乘客感到不舒適。側(cè)傾角過小,懸架的側(cè)傾角剛度大,汽車一側(cè)車輪遇到凸起或凹坑時(shí),車廂內(nèi)會(huì)感受到?jīng)_擊,平順性較差。第六十一頁,共80頁。汽車作穩(wěn)態(tài)圓周行駛時(shí),車廂側(cè)傾角決定于側(cè)傾力矩與懸架總的側(cè)傾角剛度,即懸架總的側(cè)傾角剛度等于前、后懸架及橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度之和。

側(cè)傾力矩由三部分組成:懸掛質(zhì)量離心力引起的側(cè)傾力矩、側(cè)傾后,懸掛質(zhì)量重力引起的側(cè)傾力矩、獨(dú)立懸架中,非懸掛質(zhì)量離心力引起的側(cè)傾力矩。第六十二頁,共80頁。3.懸架的側(cè)傾角剛度懸架的側(cè)傾角剛度是指側(cè)傾時(shí)(車輪保持在地面上),單位車廂轉(zhuǎn)角下,懸架系統(tǒng)給車廂總的彈性恢復(fù)力偶矩。式中:T——懸架系統(tǒng)作用于車廂的總彈性恢復(fù)力偶矩,——車廂側(cè)傾角。第六十三頁,共80頁。授課章節(jié)::4.4汽車操縱穩(wěn)定性與懸架的關(guān)系

4.5汽車操縱穩(wěn)定性與轉(zhuǎn)向系的關(guān)系4.6汽車操縱穩(wěn)定性與傳動(dòng)系的關(guān)系4.7提高操縱穩(wěn)定性的電子控制系統(tǒng)4.8汽車的側(cè)翻

目的要求:

了解汽車操縱穩(wěn)定性與懸架的關(guān)系,掌握有關(guān)概念;了解轉(zhuǎn)向系的功能,掌握轉(zhuǎn)向盤力特性;掌握側(cè)翻的類型。。重點(diǎn)難點(diǎn):

汽車操縱穩(wěn)定性與懸架的關(guān)系及有關(guān)概念、轉(zhuǎn)向盤力特性參考書目:余志生.汽車?yán)碚?P168-194第六十四頁,共80頁。二、側(cè)傾時(shí)垂直載荷在左、右側(cè)車輪上的重新分配對穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的影響

1.就一根車軸而言,有地面?zhèn)认蚍醋饔昧Y作用于兩輪胎時(shí),設(shè)左、右車輪垂直載荷沒有發(fā)生變化,則相應(yīng)的側(cè)偏角為第六十五頁,共80頁。2.在側(cè)向力作用下,左、右車輪垂直載荷均發(fā)生變化。由于左、右車輪的側(cè)偏角相等,故有令則式中:k0′——平均側(cè)偏剛度。可見,k0′<k0

,左、右車輪垂直載荷差別越大,平均側(cè)偏剛度越小。第六十六頁,共80頁。結(jié)論:在側(cè)向力作用下,若汽車前軸左、右車輪垂直載荷變動(dòng)量較大,汽車趨于增加不足轉(zhuǎn)向量;若后軸左、右車輪垂直載荷變動(dòng)量較大,汽車趨于減少不足轉(zhuǎn)向量。

汽車前軸及后軸左、右車輪載荷變動(dòng)量決定于:前、后懸架的側(cè)傾角剛度、懸掛質(zhì)量、非懸掛質(zhì)量、質(zhì)心位置以及前、后懸架側(cè)傾中心位置等一系列參數(shù)的數(shù)值。第六十七頁,共80頁。三、側(cè)傾外傾——側(cè)傾時(shí)車輪外傾角的變化車廂側(cè)傾時(shí),車輪外傾角的變化有三種情況:

保持不變、沿地面?zhèn)认蚍醋饔昧ψ饔梅较騼A斜、沿地面?zhèn)认蚍醋饔昧ψ饔梅较虻南喾捶较騼A斜。車輪外傾角的變化將影響汽車的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應(yīng)以及汽車極限側(cè)向加速度。側(cè)傾外傾影響汽車在不平路面上的直線形式穩(wěn)定性。

車輪外傾傾斜方向與地面?zhèn)认蚍醋饔昧σ恢聲r(shí),側(cè)偏角絕對值減小,反之則增大。第六十八頁,共80頁。車廂側(cè)傾引起的車輪外傾角的變化可由下式計(jì)算

常在側(cè)傾外傾系數(shù)數(shù)值后帶一括號(hào),在括號(hào)內(nèi)寫入“不足”或“過多”兩字,以表明車輪外傾角的變化對汽車穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的作用,若外傾的變化使汽車不足轉(zhuǎn)向量增加,則在數(shù)值后寫作(不足);若外傾的變化使汽車不足轉(zhuǎn)向量減少或過多轉(zhuǎn)向量增加,則寫作(過多)。第六十九頁,共80頁。四、側(cè)傾轉(zhuǎn)向1.側(cè)傾轉(zhuǎn)向(軸轉(zhuǎn)向、運(yùn)動(dòng)學(xué)側(cè)偏)由車廂側(cè)傾所引起的前轉(zhuǎn)向輪繞主銷的轉(zhuǎn)動(dòng)、后輪繞垂直于地面軸線的轉(zhuǎn)動(dòng),即車輪轉(zhuǎn)向角的變動(dòng),稱為側(cè)傾轉(zhuǎn)向。

隨著前、后側(cè)傾轉(zhuǎn)向的方向與數(shù)值的不同,汽車的不足轉(zhuǎn)向量可能增加或減少。

第七十頁,共80頁。五、變形轉(zhuǎn)向——懸架導(dǎo)向裝置變形引起的車輪轉(zhuǎn)向角1.變形轉(zhuǎn)向懸架導(dǎo)向桿系各元件在各種力、力矩作用下發(fā)生的變形,引起車輪繞主銷或垂直于地面軸線的轉(zhuǎn)動(dòng),稱為變形轉(zhuǎn)向。2.變形轉(zhuǎn)向角變形轉(zhuǎn)向產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角。

變形轉(zhuǎn)向角若有增加不足轉(zhuǎn)向趨勢,叫做不足變形轉(zhuǎn)向角;若有增加過多轉(zhuǎn)向趨勢,叫做過多變形轉(zhuǎn)向角。

六、變形外傾——懸架導(dǎo)向裝置變形引起的外傾角的變化

受到側(cè)向力的獨(dú)立懸架桿系的變形會(huì)引起車輪外傾角的變化,從而影響到汽車的穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)響應(yīng)。

第七十一頁,共80頁。第五節(jié)汽車操縱穩(wěn)定性與轉(zhuǎn)向系的關(guān)系

轉(zhuǎn)向系的功能與轉(zhuǎn)向盤力特性

1.轉(zhuǎn)向系的功能轉(zhuǎn)向系的功能大體可分為兩部分:

(1)駕駛者通過轉(zhuǎn)向盤控制前輪繞主銷的轉(zhuǎn)角來操縱汽車運(yùn)動(dòng)的方向。

駕駛者操縱轉(zhuǎn)向盤時(shí)對轉(zhuǎn)向盤的輸入有兩種方式,即角輸入與力輸入。實(shí)際駕駛中既有角輸入又有力輸入,有時(shí)則以一種為主。

(2)向駕駛者反饋路感。

路感轉(zhuǎn)向盤輸入給人手的力。第七十二頁,共80頁。

2.轉(zhuǎn)向盤力

駕駛者輸入轉(zhuǎn)向盤用以操縱汽車的力和轉(zhuǎn)向盤反作用力,即路感,二者大小相等、方向相反,統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)向盤力。

3.轉(zhuǎn)向盤力特性

轉(zhuǎn)向盤力隨汽車運(yùn)動(dòng)狀況而變化的規(guī)律稱為轉(zhuǎn)向盤力特性。

汽車轉(zhuǎn)向系應(yīng)具有良好的轉(zhuǎn)向盤力特性,才能很好地起到控制汽車與反饋信息的作用。它與汽車的結(jié)構(gòu)參數(shù)和整車的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性有關(guān)。

第七十三頁,共80頁。第六節(jié)汽車操縱穩(wěn)定性與傳動(dòng)系的關(guān)系1.驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)向特性在分析驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)向特性時(shí),通常在如下兩個(gè)前提條件下進(jìn)行:

①汽車質(zhì)心高于輪胎接地面;②輪胎與地面間的切向力可在零與附著極限之間整個(gè)范圍內(nèi)變化,輪荷和地面切向反作用力的變化將引起輪胎側(cè)偏特性的變化。

在加速或減速運(yùn)動(dòng)場合,由于條件①,輪荷將在前后輪間移動(dòng),在存在側(cè)向加速度時(shí),左右輪荷也不同;由于條件②,當(dāng)切向力(驅(qū)動(dòng)力或制動(dòng)力)及輪荷變化較大時(shí),側(cè)向力及回正力矩與側(cè)偏角的關(guān)系將受到很大影響。第七十四頁,共80頁。(1)驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)向特性1)已知條件:①輪胎的側(cè)偏特性是決定汽車的不足-過度轉(zhuǎn)向特性的主要因素。②在濕路面

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