第5章 汽车的操纵稳定性习题解答-

第5章汽车的操纵稳定性习题解答5-1简述汽车操纵稳定性的概念。解：汽车的操纵稳定性是指对于人驾驶的汽车来说，在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，对于智能驾驶汽车来说，汽车能遵循控制器通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，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。5-2简述汽车坐标系并绘制汽车坐标系。解：汽车坐标系Oxyz又称车辆坐标系，如图5-1所示，是固定在车身上的直角坐标系，也是一个随车运动的动坐标系，坐标原点在汽车的质心，汽车的质心在汽车的对称平面上，略去汽车质量在横向分布不均的影响；x轴为车身纵向水平轴，方向由车尾指向车头；z轴垂直于地面向上；y轴水平向左，可按右手螺旋定则确定。5-3简述智能汽车的闭路系统。解：智能汽车用控制系统替代驾驶人，形成智能汽车的闭路系统，如图5-3所示，控制系统包括控制器、传感器和执行电机。人给智能汽车一个行驶区间的指令，汽车起动。汽车起动后，控制器根据交通状况、路面状况和气候，通过车轮转向、制器制动等不同的执行电机，使汽车以一定的速度行驶、加速、转弯等；汽车行驶中，受侧向风、路面不平等影响；汽车转弯时，车身横摆、侧倾，汽车起步、制动时，车身俯仰；汽车的行驶速度、加速、转弯、车身横摆、侧倾、俯仰等信息，通过陀螺仪、激光雷达、毫米波雷达、视觉、卫星导航等传感器传递给控制器，控制器通过执行电机，使汽车完成行驶区间的稳定行驶。5-4简述轮胎坐标系。解：轮胎坐标系如图5-4所示，坐标系的原点O为车轮平面和地平面的交线与轮旋转轴线在地平面上投影线的交点。车轮平面为垂直于车轮旋转轴线的轮胎中分平面。车轮平面与地平面的交线取为X轴，规定向前为正。Z轴与地平面垂直，规定指向上方为正。Y轴按右手螺旋定则确定。5-5简述在侧向力作用下轮胎侧偏角α产生的原因。解：如图5-5b所示。在轮胎胎面中心线上标出A0、A1、A2、A3…各点，随着车轮向前滚动，上述各点将依次落于地面上相应的A´0、Aˊ1、Aˊ2、Aˊ3、…各点上。从图5-5b可以看出，靠近地面的胎面上，A´0、Aˊ1、Aˊ2、Aˊ3、…各点连线是一条斜线，因此，它们落在地面相应各点A´0、Aˊ1、Aˊ2、Aˊ3、…的连线并不垂直于车轮旋转轴线，即与车轮平面cc的延长线有夹角α。当轮胎与路面没有侧向滑动时，A´0、Aˊ1、Aˊ2、Aˊ3、…的连线就是接地印迹的中心线，也是车轮滚动时在地面上留下的痕迹，即车轮并没有按照车轮平面cc的方向向前滚动，而是沿着侧偏角α的方向滚动，产生下轮胎侧偏角α。5-6写出前轮角阶跃输入下汽车的横摆角速度方程。解：前轮角阶跃输入下汽车的横摆角速度方程式（5-18）。5-7写出时的前轮角阶跃输入下汽车的横摆角速度，并绘制前轮角阶跃输入下汽车的横摆角速度瞬态响应曲线。解：时的前轮角阶跃输入下汽车的横摆角速度见式（5-27）和式（5-28），绘得前轮角阶跃输入下汽车的横摆角速度瞬态响应曲线，如图5-11所示。5-8简述不同稳定性因数K下汽车的稳定性。解：当稳定性因数K=0时，汽车中性转向是稳定转向，不产生侧翻。当稳定性因数K>0时，汽车不足转向更稳定。当稳定性因数K<0时，汽车过多转向不稳定。5-9简述一定的前轮转角下的转向半径的特性，绘制汽车在定转向半径R0的圆内外转动轨迹曲线。解：当稳定性因数K=0时，，汽车呈现中性转向的特性，汽车的转向半径不随车速变化，汽车绕转向半径R0的圆行驶，汽车转向是稳定的。当K>0时，，汽车呈现出不足转向的特性，汽车的转向半径将随着车速的增大而增大，且转向半径大于中性转向时的半径R0，汽车趋向直线行驶，汽车转向是稳定的。当K<0时，，汽车呈现为过多转向的特性，汽车的转向半径将随着车速的增大而减小，且转向半径小于中性转向时的半径R0，汽车趋向圆心行驶，会出现汽车急转后侧翻，汽车转向是不稳定的。在极坐标下汽车在定转向半径R0的圆内外转动轨迹曲线如图5-17所示。5-10简述汽车的稳定性因数与前、后轮侧偏角绝对值之差的关系。解：当稳定性因数K=0时，汽车中性转向，；当稳定性因数K>0时，汽车不足转向，；当稳定性因数K>0时，汽车过多转向，。5-11简述静态储备系数SM与汽车稳定性的关系。解：当SM=0时，中性转向点与汽车的质心相重合，因此在质心位置上作用的侧向力将使汽车前、后车轮上的侧偏角相等，即前、后轮侧偏角之差为0，故使汽车具有中性转向的特性。当SM>0时，汽车的质心处于汽车的中性转向点之前，在质心位置上作用的侧向力将引起汽车前轴上的侧偏角α1的绝对值大于后轴上的侧偏角α2的绝对值，将使汽车具有不足转向的特性。当SM<0时，汽车的质心处于汽车的中性转向点之后，在质心位置上作用的侧向力将引起汽车前轴上的侧偏角α1的绝对值小于后轴上的侧偏角α2的绝对值，将使汽车具有过多转向的特性。5-12简述汽车质心位置对汽车稳态响应特性的影响。解：质心后移，汽车质心所受离心力后移，使前轮所受到的侧偏力FY1减小，相应的前轮胎的侧偏角α1的绝对值减小；后轮所受到的侧偏力FY2增大，相应的后轮胎的侧偏角α2的绝对值增大，稳定性因数K减小，不足转向减小，汽车的操纵稳定性减小；反之，质心前移，稳定性因数K增大，不足转向增大，汽车的操纵稳定性增大。汽车重新布置后，会使质心后移，轿车的后备箱重物超重、客车后面乘客过多、渣土车超载等均会使质心后移，稳定性因数K减小，不足转向减小，汽车的操纵稳定性减小；极限情况下将使得K<0，汽车稳态响应特性变为过多转向特性，使汽车的操纵稳定性变坏，这也是一些超载汽车经常发生车祸的直接原因之一。5-13用反转法绘出双横臂独立悬架上车厢的侧倾中心。解：双横臂独立悬架上车厢的侧倾中心如图5-24所示。分别作两个四连杆机构的过铰链中心的延长线，得Or和Ol点，则Or点为右侧四连杆机构的车轮与车厢的瞬心，Ol点为左侧四连杆机构的车轮与车厢的瞬心。根据车轮是刚性的且与地面无相对滑动的假定，地面与轮胎接触点D、G的分别是左、右车轮与地面的瞬心。又根据三心定理，分别作Or点与G点、Ol点与D点的连线，两连线相交于Om点，则Om点为车厢相对地面转动的瞬时中心。5-14绘图说明确定双横臂独立悬架的车轮外倾角的方法。简述用运动合成的方法确定上、下横臂长度相等且平行的双横臂独立悬架的车轮外倾角。解：用运动合成的方法确定双横臂独立悬架的车轮外倾角：上、下横臂长度相等且平行的双横臂独立悬架的车轮外倾角如图5-27所示。先假设车厢不动，使地面向相反方向转过一个车厢侧倾角，这样便可根据不同悬架导向杆系运动学的关系，找出车轮与车厢的相对转动角度，然后使地面与汽车一起回转一个侧倾角，此时，地面回到原来的状态，便可确定外倾角的数值。5-15简述减小空气流动产生的升力、俯仰力矩、侧向力、侧倾力矩和横摆力矩的措施。解：减小空气流动产生的升力和俯仰力矩的措施：减小车身上、下压力差，使大量的气流流经侧面，可以减小升力和俯仰力矩。压低发动机罩前端，减缓前风窗的倾角，发动机罩和前风窗成前低后高的楔形结构，下压前部；乘用车身前部发动机处薄，尾部行李箱处厚，使风压重心位于汽车重心之前且接近汽车重心；汽车底部的平面应与地面倾斜，后悬架比前悬架高一些，形成前端低后端高的空气楔；发动机前置，前端重，使前端低，可减少前端的升力和使前端上升的俯仰力矩，增大车轮的附着力；这些，可提高汽车的操纵性，及提高汽车高速行驶的直线性及侧向稳定性，防止汽车上下点头。汽车车身后端上翘的鸭尾式外形可使后轮的空气压力增大，助力后轮驱动，且可降低空气阻力系数CD值，但也使后轮悬架弹簧压缩，并使车身下部前端低后端高的空气楔减小，升力增大，不利于前轮附着。。减小空气流动产生的侧向力、侧倾力矩和横摆力矩的措施：空气流动产生的侧向力的合力作用在中性转向点之后时，产生的摆力矩使汽车前部向着风的相向方向；汽车车身的底部宽、车顶窄且车顶与车身侧面之间采用大曲面过度，降低车身高度，可减小侧向力、侧倾力矩、和横摆力矩；采用车身后部行李箱较大厚度的结构，都可使风压中心后移，减小横摆力矩；箱式车需要降低车箱的高度，减小侧倾力矩；这些，可提高汽车行驶的稳定性。5-16简述刚性汽车的准静态侧翻的侧翻阈值及侧翻阈值范围。解：刚性汽车的准静态侧翻的侧翻阈值见式（5-54），侧翻阈值范围见表5-3。5-17简述汽车防侧翻的控制的方法。解：在汽车设计中，应尽可能增加轮距B和降低质心的高度hg，在汽车使用中，应尽可能降低质心的高度hg，以提高汽车准静态侧翻的阈值。在汽车曲线行驶时，可减小车厢的侧倾角ф，使项接近零或略大于零，以提高汽车准静态侧翻的阈值。车厢的侧倾角ф与悬架弹簧的刚度有关，在智能控制的汽车上，可设计变弹簧刚度的悬架，可通陀螺仪检测汽车的车厢的侧倾角，再通过控制内外悬架弹簧的刚度，减小车厢的侧倾角ф。可通过控制系统，减小转向轮转角，增大转向半径，降低汽车行驶速度，减小汽车的侧向加速度，进而减小，使其小于汽车准静态侧翻的阈值，防止汽车侧翻。在智能控制的汽车上，可通过车速传感器检测汽车的车速，通过加速度传感器检测汽车的侧向加速度，再通过转向系统控制转向轮的转角，通过燃油汽车的供油系统、燃氢汽车的供氢系统或电动汽车的电机控制系统控制车速，防止汽车侧翻。在智能控制的汽车上，可设计变阻尼的减振器，通陀螺仪检测汽车的车厢的侧倾角，再通过减振器，控制悬架的阻尼，减小汽车侧倾角的超调量，防止汽车瞬态侧翻。5-18简述直接横摆力偶矩控制汽车操纵稳定性的基本原理。解：直接横摆力偶矩控制汽车操纵稳定性的基本原理：直接横摆力偶矩的控制（DYC）借助附加在汽车上的横摆力偶矩来改变汽车运动姿态，阻止横摆角速度增至极大，防止汽车偏离预定的轨迹行驶，使汽车稳定及按预定的轨迹行驶。直接横摆力偶矩可由制动力和驱动力产生。制动力产生直接横摆力偶矩控制汽车操纵稳定性用于汽车减速或制动时汽车操纵稳定性的控制，驱动力产生直接横摆力偶矩控制汽车操纵稳定性用于汽车加速或驱动时汽车操纵稳定性的控制。5-19简述电子稳定程序控制过多转向的措施。解：电子稳定程序控制过多转向的措施：过多转向时ESP系统的控制如图5-38所示。当ESP系统判定汽车出现过多转向时，控制驱动力系统减小驱动力或停止驱动，使纵向加速度减小或变为零，横摆角加速度的减小或变为零，式（5-63）趋向于变为式（5-62），汽车趋向于作圆周运动，汽车作圆周运动是稳定的，因此，汽车趋向于稳定行驶。若仅依靠减小驱动力或停止驱动还不能