汽车操操纵稳定性

汽车的操纵稳定性 5 1汽车操纵稳定性研究的主要内容5 2汽车极限行驶稳定性5 3轮胎的侧偏特性5 4汽车的转向特性5 5汽车转向轮的振动5 6转向轮的稳定效应 目录 5 1汽车操纵稳定性研究的主要内容 操纵性 汽车能够确切地响应驾驶员转向指令的能力 稳定性 汽车行驶中具有抵抗改变行驶方向的各种干扰并保持稳定行驶的能力 1 极限行驶稳定性横向倾翻的最大坡度 横向倾翻的最大车速 纵向行驶稳定性 2 直线行驶性能抗侧风和路面不平度的稳定性 3 转向轻便性原地转向轻便性 静态 行驶转向轻便性 动态 4 转向灵敏性时域响应 稳态响应 瞬态响应 频域响应 振幅比 增益 相位比 5 2汽车极限行驶稳定性 1 横向倾翻的最大坡度2 横向倾翻的最大车速3 纵向行驶稳定性 汽车在坡道尤其是横坡上丧失稳定性的表现为汽车的翻倾和滑移 静态受力分析如右图示 当 角增大到重力G通过A点时的 角称为横向倾翻的极限坡度 此时得 实际上 大多数汽车在未达到 max时就开始滑动 主要是由于驱动轮与地面的附着力F 不够造成的 1 横向倾翻的最大坡度 下面进一步分析汽车侧滑在翻倾之前的条件 设在坡道上转向 则产生一离心力Fc 在离心力的作用下可能向左翻倾 则向左的力矩必须大于向右的力矩 发生翻倾条件 b 发生侧滑条件 c 侧滑在翻倾之前的条件 为了保证安全 应使侧滑在翻倾之前 则必须v max v max 即先产生侧滑的条件 故考虑不产生侧滑的最大坡度为 tg max 如 附着系数为 0 3的滑溜路面 不产生侧滑的最大坡度为 max 16 7 2 横向倾翻的最大车速 hg Fzl Fzr B G A B 2 Fxl Fxt Fc 图5 1汽车在横坡上转向时的受力简图 A 在离心力Fc的作用下 汽车可能以A 为支点向外侧翻 当Fzr 0时 汽车将失去横向稳定性而开始侧翻 汽车绕A 侧翻的条件为 Fc hg G B 2 当 B 2hg 说明产生不了侧滑 只得发生倾翻 小轿车的重心低 一般能满足 B 2hg 在弯通高速行驶容易侧翻 若弯道的外侧比内侧高 由于重力的横向分力与转弯中离心力的横向分力相反 可以避免侧翻 可以略提高行驶速度 所以公路在弯道处 路面都是外侧高于内侧 3 纵向行驶稳定性 汽车的纵向行驶稳定性决定于重心高度和重心至前轴 或后轴 的距离 tg max a hgtg max b hg分析从略 与横向分析方法相同 汽车坐标系及汽车的主要运动形式 前进速度v 质心速度沿X轴的分量 侧倾角速度 p rollvelocity 质心绕X轴旋转角速度 侧向速度v 质心速度沿Y轴的分量 俯仰角速度 q pitchvelocity 质心绕Y轴旋转角速度 垂直速度v 质心速度沿Z轴的分量 横摆角速度 r yawvelocity 质心绕Z轴旋转角速度 z y x 侧倾角速度 p 前进速度u 俯仰角速度 q 横摆角速度 r 垂直速度w 侧向加速度ay 侧向速度v 图5 2车辆坐标系与汽车的主要运动形式 5 3轮胎的侧偏特性 侧偏特性主要是指侧偏力 回正力矩与侧偏角之间的关系 1 轮胎坐标系 tyreaxissystem 当车轮中心沿Y轴方作用有侧向力FY 地面将产生地面侧向反作用力FY 由于轮胎具有弹性 即使FY没有达到附着极限 车轮行驶方向亦将偏离X轴线方向 这时轮胎出现侧偏特性 由于轮胎侧向变形 轮上的b点将不与支承面上的b1接触 而与b1 接触 c点与c1 接触 如此类推 轮胎在支承面上的运动轨迹af 相对于车轮平面偏离某一角度 a b1 b c d e f d1 c1 e1 f1 b c d e f a b1 c1 d1 e1 f1 b1 c1 d1 e1 f1 FY FY W 轮胎侧偏角 side slip angle 轮胎接地中心的引进方向与车轮中心平面方向间的夹角 侧向力与产生的侧偏角 的关系曲线 称为车轮的侧偏特性 当 不超过4 5 时 Fy与 成线性关系Fy 即 Fy k Fy 曲线在 0 处的斜率称为侧偏刚度k corneringstiffness 其单位为N rad 或N 其值为负值 因负的侧偏力产生正的侧偏角 因此 侧偏刚度为负值 即Fy FY Fk k 2 轮胎的侧偏现象 侧偏特性曲线 图5 3轮胎的坐标系与地面作用于轮胎的力和力矩 x z y 正外倾角 正回正力矩Tz 车轮行驶方向 车轮平面 车轮旋转轴线 正地面侧向反作用力FY 正地面法向反作用力FZ 正地面切向反作用力FX 正翻转力矩TX 正TY 正侧偏角 O 垂直载荷对k的影响 G F 侧滑倾向 k 轮胎结构对k的影响 轮胎宽度 k 轮胎气压 k 子午胎 k 必须注意 轮胎的侧偏现象的产生是由于轮胎的侧向弹性变形 与轮胎在道路上的侧滑有本质的区别 轮胎的侧偏现象不仅影响车轮的运动轨迹 而且加剧轮胎的磨损 轮胎的侧向变形使滚动阻力增加 3 回正力矩 aligningtorque 由路面作用在轮胎上的力矩矢量 使轮胎绕Z轴旋转的分量 称为回正力矩 c c c c c c c c a a a a a a a a v v v e FY 3 4 5 附着极限 接地印记内地面侧向反作用力的分布与回正力矩的产生 图5 4 5 4汽车的转向特性 steeringcharacteristics 设汽车以中速或高速转向时 在汽车质心上产生一个离心力 为了平衡离心力 路面对轮胎产生相应的侧向反作用力 即侧偏力 corneringforce 轮胎在侧偏力的作用下将产生侧偏 形成相应的侧偏角 假设 忽略地面切向反力对侧偏特性影响 忽略空气阻力的影响 忽略左右轮受载荷变化的影响 于是汽车简化为由前 后两个轮胎支承 具有侧向和横摆两个自由度汽车模型 O B A C R L v2 v1 2 1 0 0 1 2 r 图5 5汽车稳态转向运动简图 E Fyc Fy1 Fy2 vc 参数说明 设前轮转角 转弯半径r FY1 FY2 前 后轮的侧偏力 v1 vc v2 A B C三点的速度 Fc 质心的离心力FcY Fc在Y方向上的分力 两式相加 且AE BE L 则tg 1 tg 2 L R 因 2 1较小 则 1 2 L R 故 L R 1 2 1 计算转向角 由几何关系 设汽车在水平道路上作等速圆周运动 则作用在汽车上的侧向力为离心力的侧向分力 2 计算 1 2 汽车看成一个系统 前轮转角 视为输入 汽车稳态横摆角速度 r视为输出 r v R汽车稳态横摆角速度 r与前轮转角 之比称为汽车的稳态横摆角速度增益 teadystateyawvelocitygain 3 计算转向灵敏度 4 稳态转向特性 1 稳定性因数K 轴距L 3m 中性转向K 0 过多转向K 0 0019s2 m2 不足转向K 0 0006s2 m2 0 50 100 150 10 20 vch vcr va km h 1 中性转向K 0 过多转向K 0 0019s2 m2 不足转向K 0 0006s2 m2 0 50 100 150 10 20 vch vcr va km h 1 轴距L 3m 中性转向K 0 过多转向K 0 0019s2 m2 不足转向K 0 0006s2 m2 0 50 100 150 10 20 vch vcr va km h 1 轴距L 3m K 0不足转向K 0中性转向K 0过多转向 2 前后轮侧偏角绝对值之差 1 2 a 1 2 与K的关系 1 2 0 则K 0为不足转向 1 2 0 则K 0为中性转向 1 2 0 则K 0为过多转向 不足转向 过多转向 中性转向 K 0 K 0 K 0 0 1 2 ay 图5 6表示汽车稳态响应的 1 2 ay曲线 I O点 钢性轮 前 后轮的交点 保证前后轮纯滚动 则R0 L b 1 2 与R的关系 由以上分析可知 1 2也可作为表征汽车稳定响应的评价指标 III 若 1 2 1 2 0 则R Ro 转向半径减小 说明转向效果加强 成为过多转向 II 若是弹性轮胎 转向时 由于离心力的作用 使车轮产生侧偏角 若 1 2 1 2 0 则R Ro 转向半径变大 说明转向效果受到抑制 成为不足转向 K 0R Ro 1 K 0R Ro 1说明不足转向汽车的转向半径总是大于Ro K 0R Ro 1说明过多转向汽车的转向半径总是小于Ro 3 转向半径的比值R R0 ratioofturningradil 4 静态储备系数S M staticmargin 中性转向点 neutralsteerpoint 使汽车前 后轮产生同一侧偏角的侧向力作用点 称为中性转向点 用力矩平衡可求出中性转向点的位置 中性转向点距前轴的距离为 图5 7中性转向点位置的确定 L FY2 FY1 c cn a a a b b a b 静态储备系数S M 中性转向点至汽车质心的水平距离与轴距之比 即 若a a 中性转向点在质心位置 此时 S M 0 说明在质心位置作用的侧向力使 1 2 为中性转向 若a a 中性转向点在质心的后面 此时 S M 0 说明在质心位置作用的侧向力使 1 2 为不足转向 若a a 中性转向点在质心的前面 此时 S M 0 说明在质心位置作用的侧向力使 1 2 为过多转向 R R 中性转向K 0 过多转向K 0 不足转向K 0 角不变 图5 8汽车的三种稳态响应 5 瞬态响应 transientstateresponse 汽车转向特性的好坏 在很大程度上取决于过渡状态的运动状况 瞬态响应性能好的汽车 从过渡状态到稳运动状态的过程中应该是波动最小而响应最快 瞬态响应为一强迫振动微分方程 误差带 r0 r1 t 横摆角速度 r1 讨论边界条件 前轮角阶跃输入 当t 0 则微分方程为 t0 0 误差带 r0 r1 t 横摆角速度 r1 图5 9前轮角阶跃输入下的瞬态响应 d 峰值时间 达到第一个峰值 r1的时间 6 横摆角速度频响特性 对二自由度汽车运动微分方程 A fr 幅频特性 反映汽车执行驾驶员指令失真的程度 在低频区接近一水平线 在某一频率fr时 幅值比达最大值 处于共振状态 希望 幅频特性平一些 以保证不同工况下失真度较小 相频特性 反映汽车横摆角速度 r滞后方向盘转角的失真程度 希望 相频特性小一些 以保证汽车有快速灵活的反应 5 5汽车转向轮的振动 汽车在行驶过程 有时会出现转向轮的左右摆振和上下跳动现象 下面分别分析转向轮振动的原因 1 转向轮的振动与共振2 车轮不平衡的影响3 悬架与转向传动机构的运动关系不协调的影响 1 转向轮的振动与共振 由转向桥的振动频率可知 若弹性系统的刚度减小 转动惯量越大 则振动频率越低 一方面 由于平顺性的要求 采用弹性较大的悬挂和轮胎 即kp kt值减小 为了安全转向轮装有制动器 使转动惯量J1 J2增大 另一方面 随着汽车行驶速度的提高 道路条件的改善 路面谱容易在低频区 从而增加了共振的可能性 2 车轮不平衡的影响 设车轮的不平衡质量为m 其位置在半径为r的圆周上 车速为va 则离心力为 Fc m 2r水平分力 Fx m 2rcos t垂直分力 Fy m 2rsin t 水平分力Fx在使车轮绕主销摆振 垂直分力Fy强使车轮沿垂直轴线振动 随着车速的提高 Fx和Fy会随着增加 为了避免因车辆不平衡而引起振动 对车轮应进行静平衡和动平衡检查 Fx Fy Fc r Fx Fx 3 悬架与转向传动机构的运动关系不协调的影响 当车轮受到冲击时 弹簧变形 c点绕o1点作aa运动 当车轮上下跳动时c又绕o2点作bb运动 运动发生干涉 因此 转向节在水平面内转动 使转向轮绕主销向左 向右摆动 若将前铰接点靠近转向机 使c点的运动方向一致 不致使转向节转动 而不发生摆动 5 6转向轮的稳定效应 转向轮的稳定效应是指转向轮具有保持中间位置 直线行驶位置 及当转向轮偏移后能自动返回至中间位置 自动回正 的能力 转向轮的稳定效应主要取决于主销内倾 主销后倾及轮胎外倾 1 主销内倾的稳定作用2 主销后倾的稳定作用3 转向车轮外倾的稳定作用4 前束的作用 1 主销内倾的稳定作用 当轮胎旋转180 如图示轮胎的最低点在路面以下 实际上不可能 轮胎仍应在路面 于是汽车前轮上升 由于汽车的重力作用有迫传车轮自动回正回复直线行驶倾向 这就是由于主销内倾而使转向轮具有稳定效应 主销内倾角 一般为5 8 是由设计决定的 不调整 主销内倾减小车轮转动时的转臂a 一方面转向时轻便 另一方面减小地面的冲击给驾驶员的反冲力 h A A 图5 11前轮主销内倾角的作用 2 主销后倾的稳定作用 Fc 汽车转向时的离心力Fyl1 Fyr1 Fyl2 Fyr2前 后轮的向心力 与离心力的方向相反 前轮的向力心作用在轮胎与地面的接触点b与主销延长线与地面的交点a有一定距离L Fyl1和Fyr1产生绕主销的力矩 Fyl1 Fyr1 L有使车轮回转直线行驶的倾向 力矩 Fyl1 Fyr1 L起着转向轮稳定的作用 也叫作稳定力矩 稳定力矩能很快将车轮回到直线行驶位置 主销后倾角r一般在0 7 之间 b Fy1 图5 12前轮主销后倾角的作用 3 转向车轮外倾的稳定作用 由于侧偏力Fy1使轮胎接地印迹相对于车轮平面发生扭曲 印迹前面离车轮平面近侧向变形小 印迹后部离车轮平面远 侧向变形大 其合力的作用点在接地印迹几何中心的后方 偏离某一距离ba