汽车理论---第五章 汽车操纵稳定性(5.4-5.5).4-5.5%29.ppt

1,第五章汽车的操纵稳定性,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,本节将学习弹性侧偏角、侧倾转向角和变形转向角等基本概念，分析不同悬架及参数对汽车操纵稳定性的影响，了解改善汽车操纵稳定性的方法。,返回目录,2,1）前、后轴左、右两侧车轮的垂直载荷要发生变化；2）车轮有外倾角，由于悬架导向杆系的运动及变形，外倾角将随之变化；3）车轮上有切向反作用力；4）车身侧倾时悬架变形，悬架导向杆系和转向杆系将产生相应运动及变形。,综上，汽车侧偏角还应该包括以下三个部分：1）弹性侧偏角（FZ变化和的变化引起的侧偏角的变化）；2）侧倾转向角（车厢侧倾而导致前后轮转角的变化）；3）变形转向角（悬架导向杆系变形引起的车轮转角的变化）。,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,线性二自由度汽车模型对汽车进行了较多简化，汽车行驶过程中，还应考虑以下因素对轮胎侧偏角的影响。,3,侧倾轴线是侧倾中心的连线。,1）侧倾轴线：车厢相对于地面转动时的瞬时轴线；2）侧倾中心：侧倾轴线通过前、后轴处横断面上的瞬时转动中心；其位置由悬架导向机构决定，常用图解法确定。,一、车厢侧倾,1.车厢侧倾轴线,想一想：先确定侧倾轴线再确定侧倾中心，还是先确定侧倾中心再确定侧倾轴线？,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,4,1,2,3,4,O24,O13,假定车厢不动，地面和车轮相对车厢转动；假定车轮与地面间无相对滑动；对四连杆机构会用到三心定理。,确定侧倾中心时,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,四连杆机构中相对两杆的相对运动瞬心是相邻两杆延长线的交点。,5,Om,1）单横臂独立悬架车厢的侧倾中心,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,6,D,G,Ol,Or,Om,2）双横臂独立悬架的侧倾中心,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,7,双横臂独立悬架的等效单横臂悬架,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,8,定义：车厢侧倾时，单位车厢转角下，悬架系统给车厢总的弹性恢复力偶矩：,1）悬架的线刚度,定义：车轮保持在地面上而车厢作垂直运动时，单位车厢位移下，悬架系统给车厢的总弹性恢复力：,2.悬架的侧倾角刚度,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,9,（1）非独立悬架,（2）独立悬架,恢复力,弹性元件,导向杆系约束反力,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,10,m,n,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,11,用虚位移原理确定悬架侧倾角刚度,m,n,ss,st,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,12,用虚位移原理确定悬架侧倾角刚度,m,n,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,13,第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系,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：,14,2）悬架的侧倾角刚度,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,15,汽车总的悬架侧倾角刚度,汽车总的侧倾角刚度=前后侧倾角刚度+横向稳定杆角刚度。实际轿车的前侧倾角刚度为300-1200Nm/()。后侧倾角刚度为180-700Nm/()。,16,r大，水平晃动大，乘客不稳定，无安全感。,r小，地面不平时有冲击感。,4.车厢侧倾角及侧倾力矩,操纵稳定性,平顺性,侧倾角改变了外倾角；侧倾角改变了内外车轮的垂直载荷FZ，从而改变侧偏角。,在确定悬架总侧倾角刚度时，要综合考虑对操纵稳定性和平顺性的影响。,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,r,17,式中，Mr是侧倾力矩，Kr是悬架总的侧倾角刚度。侧倾力矩由下列三部分组成：,18,1）悬挂质量的离心力引起的侧倾力矩Mr,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,19,2）侧倾后悬挂质量重力引起的侧倾力矩Mr,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,20,3）独立悬架中非悬挂质量的离心力引起的侧倾力矩Mr,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,21,悬架总侧倾刚度等于前、后悬架及横向稳定杆的侧倾角刚度之和。,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,22,二、侧倾时垂直载荷在左右轮上的重新分配及其对稳态响应的影响,1.侧倾时垂直载荷在左右轮上的重新分配,工字形车架代表车厢，悬挂质量为Ms。工字形车架分别通过前、后悬架的侧倾中心m01和m02与前后轴相铰接，同时又通过前后悬架的弹性元件分别与前、后轴相连接。,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,23,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,24,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,25,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,26,车身不侧倾时,车身侧倾后,2.左右轮垂直载荷再分配时轮胎的侧偏刚度,当车身侧倾严重时，是增大还是减小？,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,27,汽车趋于增加不足转向,汽车趋于减少不足转向,用以上结论分析，如何通过改变前后轴左、右侧车轮垂直载荷的变化量来提高汽车的不足转向量？横向稳定杆用在前后悬架对汽车稳态响应特性所起到的作用是否相同？为什么？,思考,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,28,FY,不变,沿FY侧倾,FY,-,-,+,-,减小,增大,三、侧倾外倾侧倾时车轮外倾角的变化,侧倾时的变化有三种可能,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,沿FY相反方向侧倾,29,地面转过r确定车轮相对于车厢外倾角。,地面回到水平位置确定车厢相对于地面产生侧倾角r时，轮胎外倾角。,车轮外倾角的确定,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,30,车厢侧倾时不同形式悬架所引起的车轮外倾角的变化,非独立悬架车身侧倾时，前轮外倾角不变。,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,31,车厢侧倾时不同形式悬架所引起的车轮外倾角的变化,双横臂悬架前轮外倾角与地面侧向力方向相反，有增大侧偏角（绝对值）的作用。,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,32,车厢侧倾时不同形式悬架所引起的车轮外倾角的变化,单纵臂悬架前轮外倾角与地面侧向力方向相反。,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,33,车厢侧倾时不同形式悬架所引起的车轮外倾角的变化,单横臂悬架前轮外倾角与地面侧向力方向相同（或相反）。,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,34,侧倾外倾系数。,车厢侧倾所引起的车轮外倾角的变化可由下式计算,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,35,四、侧倾转向,车厢侧倾所引起的前转向轮绕主销的转动、后轮绕垂直于地面轴线的转动，即车轮转角的变动，称为侧倾转向。,侧倾转向系数。,车轮的侧倾转向角与车厢侧倾角的关系可以用下式表示,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,36,后悬架的侧倾转向对稳态转向特性的影响,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,37,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,38,五、变形转向悬架导向装置变形引起的车轮转向角,悬架导向杆系各元件在各种力、力矩作用下发生的变形，引起车轮绕主销或垂直于地面轴线的转动，称为变形转向，其转角叫做变形转向角。变形转向可以使汽车具有恰当的不足转向。,变形转向角；,侧向力变形转向系数。,估算侧向力变形转向角,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,39,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,40,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,41,回正力矩变形转向角a,在回正力矩作用下，悬架和车轮有扭转变形，前、后轴车轮均发生回正力矩变形转向角a。,回正力矩变形转向系数；,回正力矩系数。,回正力矩变形转向角a,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,42,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,回正力矩引起的变形转向角,前轴趋于增加不足转向；后轴趋于减少不足转向。,43,六、变形外倾悬架导向装置变形引起的外倾角的变化,受到侧向力作用的独立悬架杆系的变形会引起车轮外倾角的变化。,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,汽车的纵翻和纵滑：汽车在弯道行驶时的侧翻和整车侧滑：汽车在横坡直线行驶时的侧翻和侧滑：,5.5汽车行驶时的翻倾和整车侧滑,1、纵翻当汽车等速上坡行驶时，其受力情况如图所示。当前轮的法向反作用力FZ1=0时，汽车便开始绕A点向后翻倾，通常称为纵翻。,一、汽车的纵翻和纵滑：,纵翻发生的条件：,纵滑发生的条件：,纵滑在纵翻之前发生，即：统计资料表明，正常装载的汽车，其max值远超过汽车的爬坡能力，因此不至于发生纵翻但是，如果装载不合理，使汽车的质心过高，又过分靠后、则有可能发生纵翻。,纵滑发生在纵翻之前安全判定条件：,1汽车在离心力作用下的侧翻汽车在具有横坡的弯道上，作等速转向运动时的受力简图如图所示。,二、汽车在弯道行驶时的侧翻和整车侧滑：,当内侧的法向反作用Fzr=0时，汽车开始绕A点向外侧翻倾，通常称之为侧翻。下面来求出当横向坡度角为，弯道曲率半径为Rr时，汽车不发生侧翻的极限车速vmax：,发生侧翻时，Fzr=0，有：将G、Fc带入上式，整理得：因此，汽车不发生侧翻的极限车速vamax：,若汽车在水平路面上作等速转向运动时，不发生侧翻的极限车速则为：比较上面两个公式，可以看出，公路弯道处筑有适当的横坡，可提高不发生侧翻的极限车速，有利于行车安全。,2、汽车在离心力作用下的侧滑：由左图，经受力分析可得，汽车在横向坡道上转弯行驶时，不发生向外侧滑的极限条件：,将上式整理后可得，汽车不发生向外侧侧滑的极限车速为：当汽车在水平路面上转弯行驶时则不发生侧滑的最大车速为：综上可知，弯道处增加适当的横坡，可提高允许车速，减少测滑的发生。同时应看到，当路面湿滑时，l减小，允许车速降低，驾驶者应充分注意，以免发生侧滑的危险。,3侧滑发生在侧翻之前的条件：通常认为在多数情况下，侧翻造成的危害比侧滑更大。为了安全起见，希望侧滑发生在侧翻之前，即：水平路面上：,1、侧翻：汽车在横向坡道直线行驶或静止时如果横向坡度角超过某一值时，汽车将发生侧翻。国标“机动车运行安全技术条件”(GB72581997)中规定：机动车空载、静态状况下，向左侧及右侧倾斜最大侧倾稳定角，双层客车不小于28；总质量为车辆整备质量1.2倍以下的车辆不小于30；其他车辆不小于35。,三、汽车在横坡直线行驶或静止时的侧翻和侧滑：,由图可知：令Fzl=0，即可求得不发生侧翻的最大横坡角为：可见，降低质心高度hg，适当增大轮距B，均有助于提高汽车的抗侧翻能力。,2、侧滑：3、侧滑发生在侧翻之前的条件：,汽车的翻倾,6月12日17时30分，河北省张家口市一辆载有60余吨煤焦油的油罐车从陕西省府谷县返回，在行至108国道繁峙县神堂堡乡大寨口村附近时，因车辆侧翻导致煤焦油泄漏，约40吨煤焦油倾泻在公路及国道东侧的河道内；污染大沙河，威胁保定的饮水温家宝做重要批示,汽车的翻倾,一辆满载40多头活猪的货车侧翻后，10头猪当场死亡，另外30多头猪开始摇头晃脑地在高速路上撒欢儿,汽车的翻倾,定义：汽车侧翻是指汽车在行驶过程中绕其纵轴线转动90或更大的角度，以至车身与地面相接触的种极其危险的侧向运动,汽车的翻倾,刚性汽车的准静态翻倾,刚性汽车：指忽略汽车悬架及轮胎的弹性变形准静态：指汽车的稳态转向,对外轮接地点取矩,刚性汽车的准静态翻倾,当很小时,变为：,刚性汽车的准静态翻倾,侧倾阈值：当内侧车轮地面反力FZi=0时，出现侧翻,B/2hg为侧翻阈值,带悬架汽车的准静态翻倾,汽车受到侧向力，发生侧倾，质心偏向外侧，侧倾阈值减小忽略车桥的质量，在水平路面上，有：,侧倾引起的作用,带悬架汽车的准静态翻倾,汽车的瞬态翻倾,汽车的侧倾角在初次达到稳态值之后有一个超调量，说明汽车在比准静态下更小,汽车的瞬态翻倾,侧倾阈值/g,汽车操纵稳定性试验简介,我国有一些关于操纵稳定性的试验标准，各个国家和企业有差别：GB/T6323.11994汽车操纵稳定性试验方法蛇行试验GB/T6323.21994汽车操纵稳定性试验方法转向瞬态响应试验（方向盘转角阶跃输入）GB/T6323.31994汽车操纵稳定性试验方法转向瞬态响应试验（方向盘转角脉冲输入）GB/T6323.41994汽车操纵稳定性试验方法转向回正性能试验GB/T6323.51994汽车操纵稳定性试验方法转向轻便性试验GB/T6323.61994汽车操纵稳定性试验方法稳态回转试验QC/T4801999汽车操纵稳定性指标限值与评价方法,最新的：GB/T6323xxxx汽车操纵稳定性试验方法,汽车操纵稳定性试验简介,转向轻便性,顶点处的最小曲率半径,双扭线最小曲率半径Rmin取试验汽车前外轮的最小转弯半径的1.1倍取,汽车操纵稳定性试验简介,稳态转向特性试验（稳态回转试验steadystatecorneringtest）,R0=15m或20m直到ay=6.5m/s2,汽车操纵稳定性试验简介,（转向瞬态响应试验，转向盘转角阶跃输入automobilesSteeringtransientresponsetestSteeringwheelanglestepinput）,GB/T6323.21994汽车操纵稳定性试验方法转向瞬态响应试验（方向盘转角阶跃输入）,瞬态横摆响应试验,汽车操纵稳定性试验简介,GB/T6323.31994汽车操纵稳定性试验方法转向瞬态响应试验（方向盘转角脉冲输入）,瞬态横摆响应试验,通过求得输入、输出的富氏变换，便可确定汽车横摆角速度频率特性。,汽车操纵稳定性试验简介,汽车回正能力试验：GB/T6323.41994汽车操纵稳定性试验方法转向回正性能试验,低速：汽车沿半径为(151)m的圆周行驶，调整车速，使侧向加速度达到(40.2)m/s2,固定转向盘转角，稳定车速并开始记录，待3s后，驾驶员突然松开转向盘并做一标记(建议用一微动开关和一个讯号通道同时记录)，至少记录松手后4s的汽车运动过程。记录时间内油门开度保持不变。高速：试验汽车沿试验路段以试验车速直线行驶，记录各测量变量的零线。随后驾驶员转动转向盘使侧向加速度达到(20.2)m/s2，待稳定并开始记录后，驾驶员突然松开转向盘并做一标记，至少记录松手后4s内的汽车运动过程。记录时间内油门开度保持不变。,汽车操纵稳定性试验简介,转