汽车的转向特性.ppt

4汽车操纵稳定性 4 1汽车的转向特性 姜泽林 4汽车操纵稳定性 任务引入汽车在其行驶过程中 会碰到各种复杂的情况 有时汽车会沿直线行驶 有时汽车会沿曲线行驶 如弯路 在出现意外情况时 驾驶员还要作出紧急的转向操作 以求避免事故 此外 汽车还要经受来自地面不平 坡道 大风等各种外部因素的干扰 对不对 这些都要求汽车有操纵上的稳定 因此今天我们通过分析影响汽车操纵稳定性各方面的因素 掌握他们的检测方法 为我们今后的工作打下扎实的基础 4汽车操纵稳定性 所以一辆操纵性能良好的汽车必须要具备以下的能力 1 根据道路 地形和交通情况的限制 汽车能够正确地遵循驾驶员通过操纵机构所给定的方向行驶的能力 汽车的操纵性 2 汽车在行驶过程中具有抵抗力图改变其行驶方向的各种干扰 并保持稳定行驶的能力 汽车的稳定性 操纵性和稳定性有紧密的关系 操纵性差 导致汽车侧滑 倾覆 汽车的稳定性就破坏了 如稳定性差 则会失去操纵性 因此 通常将两者统称为汽车的操纵稳定性 4汽车操纵稳定性 说明汽车的操纵稳定性 是汽车的主要使用性能之一 随着汽车平均速度的提高 操纵稳定性显得越来越重要 它不仅影响着汽车的行驶安全 而且与运输生产率与驾驶员的疲劳强度有关 4汽车操纵稳定性 提问 有哪些因素会影响汽车的操纵稳定性呢 4 1汽车的转向特性 如 轮胎 转向装置 悬架等 本堂课我们我们就对这些因素一一进行分析 希望通过学习 大家能掌握车辆坐标系的有关术语 了解影响侧偏特性的因素 掌握轮胎回正力矩与侧偏特性的关系 熟练掌握汽车的稳态转向特性及其影响因素 了解汽车转向轮的振动 这也是我们本堂课学习的目标 4汽车操纵稳定性 重点车辆坐标系的有关术语 影响侧偏特性的因素 轮胎回正力矩与侧偏特性的关系 汽车的稳态转向特性及其影响因素难点影响侧偏特性的因素 轮胎回正力矩与侧偏特性的关系 汽车的稳态转向特性及其影响因素 4汽车操纵稳定性 4 1汽车的转向特性一 轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性是研究汽车操纵稳定性理论的出发点 1 轮胎的坐标系与术语 4汽车操纵稳定性 图4 1车轮坐标系 图4 1示出车轮的坐标系 其中车轮前进方向为轴的正方向 向下为轴的正方向 在轴的正方向的右侧为轴的正方向 1 车轮平面垂直于车轮旋转轴线的轮胎中分平面 2 车轮中心车轮旋转轴线与车轮平面的交点 3 轮胎接地中心车轮旋转轴线在地平面 平面 上的投影 轴 与车轮平面的交点 也就是坐标原点 4 翻转力矩地面作用于轮胎上的力 绕轴的力矩 图示方向为正 5 滚动阻力矩地面作用于轮胎上的力 绕轴的力矩 图示方向为正 6 回正力矩地面作用于轮胎上的力 绕轴的力矩 图示方向为正 7 侧偏角轮胎接地中心位移方向 车轮行驶方向 与轴的夹角 图示方向为正 8 外倾角平面与车轮平面的夹角 图示方向为正 2 轮胎的侧偏现象如果车轮是刚性的 在车轮中心垂直于车轮平面的方向上作用有侧向力 当侧向力不超过车轮与地面的附着极限时 车轮与地面没有滑动 车轮仍沿着其本身行驶的方向行驶 当侧向力达到车轮与地面间附着极限时 车轮与地面产生横向滑动 若滑动速度为 u 车轮便沿某一合成速度u 方向行驶 偏离了原行驶方向 如图4 2所示 图4 2有侧向力作用时刚性车轮的滚动 当车轮有侧向弹性时 即使没有达到附着极限 车轮行驶方向也将偏离车轮平面的方向 这就是轮胎的侧偏现象 下面讨论具有侧向弹性车轮 在垂直载荷为的条件下 受到侧向力作用后的两种情况 1 车轮静止不动时由于车轮有侧向弹性 轮胎发生侧向变形 轮胎与地面接触印迹长轴线与车轮平面不重合 错开 h 但仍平行于 如图4 2a所示 2 车轮滚动时接触印迹的长轴线 不只是和车轮平面错开一定距离 而且不再与车轮平面平行 图5 5b示出车轮的滚动过程中 车轮平面上点Al A2 A3 依次落在地面上 形成点 点 的连线与的夹角 即为侧偏角 车轮就是沿着方向滚动的 显然 侧偏角的数值是与侧向力有关的 图4 3轮胎的侧偏现象a 静止b 滚动 3 轮胎的侧偏特性 图4 4轮胎的侧偏特性 图4 4所示为一轮胎的侧偏力 侧偏角关系曲线 曲线表明 侧偏角不超过3 4 时 可认为与成线性关系 随着的增大 增大较快 轮胎产生滑移 汽车正常行驶时 侧向加速度一般不超过 0 3 0 4 g 侧偏角不超过4 5 故可认为侧偏力与侧偏角成线性关系 可用下式表示 4 1 式中k 侧偏刚度 N 其值应为负值 汽车用低压轮胎k值在300 1000N 试验表明 潮湿地面上最大侧偏力减小 但直线段的侧偏刚度无多大变化 垂直载荷对侧偏特性有很大影响 图4 5表明 垂直载荷增大后 最大侧偏力增加 侧偏刚度随垂直载荷的增加而加大 这是因为 轮胎的垂直载荷越大 附着力就越大 轮胎侧滑的倾向就越小 最大侧偏力增大 但垂直载荷过大时 轮胎产生剧烈的径向变形 侧偏刚度反而有所下降 图4 5垂直载荷对侧偏特性的影响a 图b 图 轮胎的型式和结构参数对轮胎侧偏特性有显著影响 尺寸较大的轮胎 侧偏刚度一般较大 尺寸相同的子午线轮胎和斜交轮胎相比 子午线轮胎具有较大的侧偏刚度 同一型号 同一尺寸的轮胎 帘布层越多 帘线与车轮平面的夹角越小 气压越高 侧偏刚度越大 另外 轮辋的型式对侧偏刚度亦有影响 装有宽轮辋的轮胎 侧偏刚度较大 4 回正力矩 绕轴的力矩 图4 6回正力矩的产生 在轮胎发生侧偏时 还会产生图4 3所示作用于轮胎绕轴的力矩 圆周行驶时 是使转向车轮恢复到直线行驶位置的主要恢复力矩之一 称为回正力矩 回正力矩是由接地面内分布的微元侧向反力产生的 由图5 5可知 车轮在静止时受到侧向力后 印迹长轴线与车轮平面平行 错开 h 即印迹长轴线上各点的横向变形 相对于平面 均为 h 故可以认为地面侧向反作用力沿线是均匀分布的 车轮滚动时 印迹长轴线不仅与车轮平面错开一定距离 而且转动了角 因而印迹前端离车轮平面近 侧向变形小 印迹后端离车轮平面远 侧向变形大 可以认为 地面微元侧向反作用力的分布与变形成正比 故地面微元侧向反作用力的分布情况如图5 8b所示 其合力的大小与侧向力相等 但其作用点必然在接地印迹几何中心的后方 偏移某一距离e e称为轮胎拖距 就是回正力矩 在增加时 接地印迹内地面微元侧向反作用力的分布情况如图5 8c所示 增大至一定程度时 接地印迹后部的某些部分便达到附着极限 反作用力将沿345线分布 随着的进一步加大 将有更多部分达到附着极限 直到整个接地印迹发生侧滑 因而轮胎拖距会随着侧向力的增加而逐渐变小 课堂小结一 操纵稳定性二 轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性是研究汽车操纵稳定性理论的出发点 1 轮胎的坐标系与术语 1 车轮平面 2 车轮中心 3 轮胎接地中心 4 翻转力矩 5 滚动阻力矩 6 回正力矩 7 侧偏角 8 外倾角 二 轮胎的侧偏现象轮胎的侧偏特性三 回正力矩 绕轴的力矩 作业布置1 什么是汽车的操纵性和稳定性 2 什么是弹性轮胎的侧偏特性 侧偏刚度的物理意义是什么 复习提问 1 什么是汽车的操纵性 2 什么是汽车的稳定性 3 规定轮胎的术语有哪些 导入语 汽车的操纵稳定性 是汽车的主要使用性能之一 随着汽车平均速度的提高 操纵稳定性显得越来越重要 它不仅影响着汽车的行驶安全 而且与运输生产率与驾驶员的疲劳强度有关 提问 有哪些因素会影响到汽车的操纵稳定性呢 27 可编辑 重点1 了解和掌握汽车的转向特性2 了解和掌握汽车转向轮的振动难点汽车的转向特性 4 1汽车的转向特性 四 汽车的转向特性驾驶员操纵转向盘使汽车转向时 要通过眼睛 手和身体等感知汽车的转向效果 并经过头脑比较和判断 修正转向盘的操纵 这是通过驾驶员把系统的输出 反馈到输入而构成一个人工闭路系统 如不计入驾驶员的反馈作用 便称为开路系统 它的特点是系统的输出参数对输入控制没有影响 由于驾驶员的反馈作用十分复杂 作为闭路系统研究仍很不成熟 这里只把汽车作为一个开路系统 研究转向盘输入时汽车的运动 图4 7作为开路系统的汽车简图 把汽车作为开路系统进行分析时见图4 7 改变汽车运动状态的输入量 或称 干扰 主要来自三个方面 1 驾驶员通过力 力矩 操纵或位置 转角 操纵转向盘 使前轮转向 2 空气动力作用 如横向风 3 路面不平等对汽车的作用 汽车大多数行驶状况下 其侧向加速度不超过0 3 0 4g 可以把它看作一个线性动力学系统来分析 线性系统一个重要标志是可以运用叠加原理 可以把一个复杂的输出量 分解为简单的输入量 或者有多个输入量时 可按单个输入量求解 然后加以叠加 由输入引起的汽车运动状况 可分为不随时间而变化的稳态与随时间变化的瞬态两种 相应的车辆响应称为稳态响应与瞬态响应 例如给等速直线行驶的汽车以前轮角阶跃输入 即急速转动前轮 然后维持前轮转角不变 一般汽车经过短暂时间后 将进入等速圆周行驶 一定车轮转角下的等速圆周行驶状态便是一种稳态 而等速直线行驶与等速圆周行驶间的过渡过程便是瞬态 汽车的 等速圆周行驶 稳态响应 是评价汽车操纵稳定性的重要特性之一 称为汽车的 稳态转向特性 汽车的稳态转向特性分成三种类型 不足转向 中性转向和过多转向 在圆周行驶时 驾驶员使转向盘保持一个固定的转角 令汽车以不同固定车速行驶 若行驶车速高时 汽车的转向半径R增大 这种汽车具有不足转向的特性 若汽车的转向半径R不变 这种汽车具有中性转向的特性 若转向半径愈来愈小 则具有过多转向的特性 只有具有适度不足转向的汽车 才有良好的操纵稳定性 汽车不能具有过多转向特性 具有中性转向特性的汽车也不好 因为汽车本身或外界使用条件的某些变化 中性转向特性的汽车通常会转变为过多转向特性而失去稳定 人们已经习惯于驾驶具有不足转向特性的汽车 知道如何通过转向机构使汽车遵循期望的路径行驶 1 汽车的稳态转向特性对汽车曲线运动进行初步分析时 把汽车看作平行于路面的平面运动 即汽车没有垂直运动 沿z轴的位移为零 绕y轴的俯仰角 绕x轴的侧倾角均为零 另外假设汽车前进速度不变 即沿x轴的汽车 绝对 速度u不变 因此汽车只有沿y轴的侧向运动与绕z轴的横摆运动这样两个自由度 图4 9二自由度汽车模型 图4 10汽车的稳态横摆增益曲线 图4 9是一个由前后两个具有侧向弹性的弹簧 轮胎 支承于地面 具有侧向及横摆的二自由度汽车模型 下面分析中令固结于汽车上的动坐标系原点与汽车重心重合 当K 0时 即稳态横摆角速度增益与车速u成线性关系如图4 10所示 具有这种特性的汽车 称为中性转向汽车 这个关系就是汽车轮胎无侧偏角时的转向关系 当K 0时 横摆角速度增益比中性转向时小 即前轮转过相同的角度 汽车横摆角速度 要小些 是一条低于中性转向汽车稳态响应线 后来又向下弯曲的曲线 具有这样特性的汽车 称为不足转向汽车 K值越大 不足转向量越大 当K 0时 横摆角速度增益比中性转向时大 即前轮转过相同的角度 汽车横摆角速度要大 具有这样特性的汽车 称为过多转向汽车 随车速增加 曲线向上弯曲 K值越小 过多转向量越大 除了稳定性因数K外 为了试验分析计算的方便 常引用别的参数来表征汽车的稳态转向特性 总之 汽车稳态转向特性 取决于稳定性系数K的数值 把汽车简化为二个自由度模型进行分析时 K值取决于重心位置 轴距及前后轮侧偏刚度的匹配 当重心向前移动或减小前后轴轮胎侧偏刚度比时 会增加汽车的不足转向量 2 汽车的瞬态响应给等速直线行驶的汽车以前轮角阶跃输入 经过短暂时间后 将进入等速圆周行驶 等速直线行驶与等速圆周行驶的过渡过程便是瞬态 相应的响应称为前轮角阶跃输入引起的汽车瞬态响应 在一般汽车行驶时 实际上驾驶员不断接触到的是汽车的瞬态响应 图4 11转向盘阶跃输入时的汽车瞬态响应 图4 11转向盘阶跃输入时的汽车瞬态响应 图4 11所示为一辆直线行驶汽车 驾驶员在处突然猛打转向盘 转过某一角度后 保持转向盘不动 即给汽车一个转向盘角阶跃输入后的瞬态响应曲线 当车速不变时 汽车横摆角速度本应立即达到相应的 但实际上汽车横摆角速度的变化为 作为这一过程的评价指标如下 1 响应时间以转向盘转角达到终值的50 的时刻 作为时间坐标原点 到所测横摆角速度第一次过渡到新稳态值的50 所用的时间 称为响应时间 这段时间应尽量短些 响应时间太长 驾驶员将感到汽车转向反应迟钝 2 峰值响应时间从时间坐标原点开始 到所测横摆角速度响应达到第一个峰值止 这段时间称为峰值响应时间 由于打转向盘的起始时间难以准确确定 而且开始转动及停止转动转向盘前 转向盘转角变化速率较大 所以响应时间与峰值响应时间只是一个相互比较的参考性数据 3 横摆角速度超调量在时 横摆角速度达到最大值 往往大于 的百分数称为超调量 超调量表明瞬态响应中执行指令误差的大小 超凋量越小越好 减小超调量可使横摆角速度波动较快衰减 4 横摆角速度的波动量在瞬态响应中 横摆角速度值在值上 下波动 车速一定时 值的波动表现在转向半径R的时大时小 这就增加了驾驶的困难 汽车横摆角速度的波动周期T或频率 也是评价瞬态响应的重要参数 5 稳定时间横摆角速度达到稳定值的95 105 之间的时间 称为稳定时间 这段时间应尽量短些 凡是能使横摆角速度加快衰减的因素 也是使稳定时间缩短的因素 少数汽车可能出现横摆角速度不收敛情况 即越来越大 若车速不变即转向半径R越来越小 就会急剧增加离心力 汽车将发生侧滑或侧翻等危险情况 五 汽车转向轮的振动汽车在行驶过程中 有时出现转向轮的左右摆动和上下跳动 转向轮的振动使轮胎磨损急剧增加 并增加了转向机构的动载荷 降低零件使用寿命 同时也严重影响行驶安全 汽车的转向轮通过悬架及转向机构与车架相连 这些互相联系的机件 组成了弹性振动系统 一是前轴绕纵轴的角振动 另一是前轮绕主销的角振动 直线行驶的汽车 当车轮越过单个凸起或凹坑时 前轮产生绕汽车纵轴的角振动 前轮将绕主销偏转 如果左轮升高 车轮将向右偏转 如果左轮下降 车轮将向左偏转 即激发了前轮绕主销的角振动 同时 由于陀螺效应 车轮绕主销的角振动 会反过来加剧前轴绕汽车纵轴的角振动 严重地破坏了汽车直线行驶的稳定性 为了避免这种现象 要求减小悬架下前轴系统的转动惯量 提高角振动的固有频率 改善公路状况 提高路面平整度 适当降低轮胎气压 增加轮胎吸振能力 图4 12车轮不平衡对转向轮振动的影响 车轮的不平衡可以引起周期性的激励 造成转向轮的振动 如图5 13所示 车轮转动时 其不平衡质量所引起的离心力的水平分力 与力臂形成力矩 此力矩直接使车轮偏转 其数值按正弦关系作周期性变化 变化的频率决定于汽车的行驶速度 此外 离心力的垂直分力 则引起车轮的上下跳动 其特性与上述相同 当左右车轮都不平衡 且不平衡质量处于对称位置时 则振动更为严重 为了避免因车轮不平衡引起的振动 要求无论是新轮胎或经翻修过的轮胎 在装用之前 都要进行动平衡试验 并消除不平衡因素 对于高速行驶的车 对车轮的不平衡度要求也高 归纳总结 汽车的稳态转向特性 分成三种类型 不足转向 中性转向和过多转向 只有具有适度不足转向的汽车 才有良好的操纵稳定性 汽车的稳态转向特性分析 式中G1 G2 前后轴的垂直载荷 K 稳定性因数 当K 0时 即稳态横摆角速度增益与车速u成线性关系 具有这种特性的汽车 称为中性转向汽车 这个关系就是汽车轮胎无侧偏角时的转向关系 当K 0时 横摆角速度增益比中性转向时小 即前轮转过相同的角度 汽车横摆角速度 要小些 具有这样特性的汽车 称为不足转向汽车 K值越