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第五章 汽车操纵稳定性 manuevereability handlingperformance 本章主要内容 5 1汽车操纵稳定性的概念5 2轮胎侧偏特性5 3汽车的转向特性5 4汽车操纵稳定性与悬架的关系5 5提高汽车操纵稳定性的电控系统 第一节概述 1 什么是操纵稳定性 汽车的操纵稳定性是指在驾驶员不感到过分紧张 疲劳的情况下 汽车能遵循驾驶者通过转向系统及转向轮给定的方向行驶 且当遭遇外界干扰时 汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力 第一节概述 二 车辆坐标系 轮胎坐标系 第二节轮胎的侧偏特性 二 轮胎的侧偏现象 1 侧偏力地面对轮胎作用的侧向反力称为侧偏力 侧偏力因转向 路面倾斜 风力等引起 转向引起的侧偏力总是指向汽车转弯的内侧 在侧偏角 5 时 侧偏力和侧偏角成线性关系 这时 式中 k称为侧偏刚度 N rad 为曲线在 0处的斜率 按轮胎坐标系 侧偏力和侧偏角总是反号 故侧偏刚度总是负值 3 轮胎的侧偏特性 第二节轮胎的侧偏特性 三 轮胎结构 工作条件对侧偏特性的影响 1 轮胎垂直载荷对侧偏特性的影响 垂直载荷增大 k 增大 但垂直载荷太大k 反而减小 三 轮胎结构 工作条件对侧偏特性的影响 2 轮胎形式和结构参数对侧偏特性的影响 a 子午线胎比斜交胎侧偏刚度高 b 扁平比 轮胎高度H 宽度B 小的轮胎侧偏刚度大 c 胎压大 则侧偏刚度大 但胎压太大侧偏刚度基本不变 第二节轮胎的侧偏特性 四 回正力矩 轮胎不对称受力产生的回正力矩 图 第二节轮胎的侧偏特性 2 外倾侧向力与外倾角的关系 外倾侧向力式中 为外倾侧向力 它是侧偏角为零 外倾角为时的地面侧向反力 为轮胎外倾角 它为正时为负 为外倾刚度 外倾侧向力是轮胎有外倾角但仍沿x方向前进时地面对轮胎产生的侧向反力 稳态横摆角速度增益 也叫转向灵敏度 K 稳定性因数 s2 m2 r 横摆角速度 u 车速 前轮转角 m 汽车质量 L 轴距 a b 汽车质心到前后轴的距离 k1 k2 前后轮侧偏刚度 2 稳态横摆角速度增益和稳定性因数 5 11 5 12 式中 K 0时 5 11 式变为 即转向半径 因此 汽车K 0时只要前轮转角不变 不同速度下对应的转向半径就不变 它总是等于汽车在极低速行驶时 无侧偏角 的转向半径 因此K 0时汽车稳态响应为中性转向 3 汽车中性转向 第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 K 0称为不足转向 不足转向汽车加速时 和中性转向时比 根据稳态横摆角速度增益减小 即 r减小 但因R 故不足转向汽车转向半径随车速增大而增大 4 汽车不足转向 第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 特征车速 Uch是不足转向汽车稳态横摆角速度增益最大时的车速 称为特征车速 K 0称为过多转向 过多转向汽车加速时 和中性转向相比 稳态横摆角速度增益较大 但R 故转向半径随车速增大而减小 显然 当时 这时较小的前轮转角都会导致急转而翻车 为了保持良好的操纵稳定性 汽车都应当具有适度的不足转向 5 汽车过多转向 第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 三 几个表征稳态响应的参数 1 前后侧偏角绝对值之差 如果不知道轮胎侧偏刚度和汽车其他参数 只能通过实验判断汽车稳态特性 测出前后侧偏角绝对值之差 即可求出稳定性因数K来 并注意到 第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 因ay为正时 Fy1 Fy2为正 1 2为负 ay为负时 Fy1 Fy2为负 1 2为正 故 故 0时 K 0不足转向 0时 K 0过多转向 0时 K 0中性转向 第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 2 转向半径比 此即车速为u时的转向半径R与初始半径 车速极低时的转向半径 R0之比 根据前式有 第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 显然有 若R R0时 K 0不足转向若R R0时 K 0中性转向若R R0时 K 0过多转向 第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 3 静态贮备系数 从前式可知 如前后轮侧偏角相等 则K 0 汽车为中性转向特性 设想汽车质心逐渐移动 转向时前后轮产生的侧向力分配将逐渐变化 侧偏角也相应变化 如果前后轮产生同一侧偏角 则其对应侧向力的合力作用点称为中性转向点 1 中性转向点及其位置的确定 第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 定义静态贮备系数S M为 当a a时 汽车质心和cn重合 S M 0 K 0当a a时 汽车质心在cn前 S M 0 K 0当a a 时 汽车质心在cn后 S M 0 K 0 3 静态贮备系数 七 小节 表征稳态响应的参数 1 稳定性因数2 前后轮侧偏角绝对值之差3 转向半径比4 静态贮备系数S M 表征瞬态响应的参数 1 横摆角速度2 波动的固有频率 03 阻尼比 4 反应时间 5 峰值响应时间 6 稳定时间 1 汽车的侧倾 1 车厢侧倾轴 车厢相对地面转动的瞬时轴线称为车厢侧倾轴 它与前后轴处的垂直断面的交点称为前 后侧倾中心 它由悬架导向机构决定 可由图解或实验求得 用等效弹簧求悬架侧倾角刚度 设悬架单侧线刚度为 车厢的弹性恢复力矩为 侧倾角刚度为 第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系 3 车厢侧倾角 车厢侧倾角指车厢绕侧倾轴的转角 它是影响汽车操纵稳定性的一个重要参数 它也影响乘员感觉 车厢侧倾角过大 乘员会很不舒适 过小则说明侧倾角刚度过大 凸凹不平路面对汽车单边冲击很大 平顺性不好 同时会影响驾驶员路感 式中 M r是侧倾力矩 K r是悬架总的侧倾角刚度 侧倾力矩由下列三部分组成 第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系 悬挂质量离心力引起的侧倾力矩 式中 ay是侧向加速度 g Gs是悬挂重量 N 从图中看到 Fsy引起的侧倾力矩为 汽车作稳态行驶时 悬挂质量ms的离心力为 式中 h是悬挂质心到侧倾轴的距离 第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系 侧倾后悬挂质量重力引起的侧倾力矩 式中 e是侧倾后悬挂质心偏移距离 从图中有 第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系 独立悬架非悬挂质量离心力引起的侧倾力矩 式中 Fr是铰链处的反作用力 对图中G点取力矩 有 即 第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系 悬架角刚度对稳态特性的影响 增加前悬架角刚度或减少后悬架角刚度 会使前轮垂直载荷变化量增大 从而增加汽车不足转向 K增大 不足转向量增大 反之 如左右后轮垂直载荷变动较大时 则 k2 减少 K减少 不足转向量减少 因此 左右前轮垂直载荷变动较大 例如前侧顷角刚度较大 时 则 k1 减少 根据 第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系 车厢侧倾引起的车轮外倾 1 有车轮外倾时的侧偏角 FY 是侧偏力 FY 是外倾侧向力 这是有车轮外倾时的侧偏角 当汽车转弯时 如车轮外倾方向与转弯方向 即侧向反力方向 一致时 绝对值减少 如车轮外倾方向与转弯方向相反时 绝对值增加 要保持高的极限性能 急速转弯时承受大部分垂直载荷的外侧车轮应尽可能垂直地面 第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系 侧倾转向 车厢侧倾引起的车轮转向称为侧倾转向 或称轴转向 侧倾转向会增加或减少不足转向量 图说明了后轴转向和不足转向量增减的关系 雪铁龙具有的 后轴随动转向 技术即是为了转向时增加不足转向量 第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系 变形转向 悬架导向装置变形引起的车轮转向称为变形转向 变形转向是一种使汽车产生适度不足转向的有效手段 一般希望转弯时车轮适当增加不足转向变形转向角 即希望转弯时前轮适当朝外偏转 后轮适当朝内偏转 解释概念 1 稳态横摆角速度增益2 汽车前或后轮 总 侧偏角3 回正力矩4 侧倾转向6 横摆角速度频率响应特性7 轮胎坐标系 二 填空题 1 汽车重心向前移动 会使汽车的过多转向量 3 汽车的稳态转向特性分成三种类型 和 4 轮胎的气压越高 则轮胎的侧偏刚度 5 由轮胎坐标系有关符号规定可知 负的侧偏力产生 侧偏角 6 当汽车质心在中性转向点之前时 汽车具有 转向特性 7 一般而言 最大侧偏力越大 汽车的极限性能 圆周行驶的极限侧向加速度 8 汽车横摆角速度的频率特性包括特性和特性 9 在侧向力作用下 若汽车前轴左 右车轮垂直载荷变动量较大 汽车趋于不足转向量 若后轴左 右车轮垂直载荷变动量较大 汽车趋于不足转向量 三 问答题 2 有几种方式可以判断或者表征汽车角阶跃输入稳态转向特性 请简单叙述 3 车厢的侧倾力矩由哪几部分组