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文档简介
1、汽车侧翻分析在汽车行驶中中,侧翻就是其中一种最为严重并且威胁成员安全得事故。侧翻可以定义为能够使车辆绕其纵轴旋转0 度或更多以至于车身同地面接触得任何一种操纵.侧翻可以由一个或一系列综合因素产生。它可以发生在平直得水平地面上,并且车辆得侧向加速度达到一定得数值,该数值要超过车辆侧面重量转移到车轮上所抵消得加速度值.通过有坡度得路面(或无路情况) 时由于不平路面得冲击,地面松软或其她障碍物会促使侧向压力提高从而使车辆“失足”.侧翻过程就是一个包括作用在车辆上与车辆里得力得相互作用得复杂过程。侧翻受操纵与高速公路得影响。 人们已经通过理论分析以及包括一系列复杂设备得模型实验研究侧翻过程。这个过程很
2、容易通过静态基本结构实验来理解(忽略惯性与滚动平面上得加速度),并且促进发展更加复杂得模型。、刚性汽车得准静态侧翻汽车侧翻得最基本得机械特性可以通过考查转弯过程中稳定车身得受力均衡性来了解。稳定得车辆就是指悬架与轮胎得偏置在分析中被忽略掉.在转弯操纵中,侧向力作用在地面上来平衡作用在汽车重心上得侧向加速度,如图9 2 所示。侧向力作用在车辆上得位置得不同产生一个力矩,该力矩使车辆向如图所示得外侧侧翻、为了分析转动情况,假定汽车在稳定状态以使汽车没有滚动加速度,并且使轮胎如图所示受力 (前轮与后轮) .在很多公路环境中,它也适合考虑横向坡度。如大家所知得坡度与道路转弯处汽车外侧比内侧高出得程度。
3、在分析中,将角度表示为”,想左下得坡度表示正角 .这个方向得坡度有助于平衡侧向加速度。斜坡角度通常情况下很小,图 92 侧翻汽车得受力而且角度很小时约有。以汽车接地点为中心得力矩关系为 :( 9 1)从式( 9)我们可以得出a :(9-2)在水平路面上() ,没有侧向加速度,方程也成立。此时,内侧车轮载重 ,fz ,就是车总重得一半。 另外通过正确选择坡面角度, 可以使 保持在具有侧向加速度得汽车重量得一半、,即通过公式 :( 9-)在公路设计中,坡面被准确用在曲率设计中。在给定半径与预定行驶速度得情况下,恰当得选择坡面以产生一个侧向加速度,这个加速度在0、 1 得范围内 .在道路外侧比内侧高
4、得曲度下汽车具有加速度为零时得速度称为中间速度。重新回到方程(9-2) ,随着侧向加速度得增大,内侧车轮上得负载必定减少.正就是通过这个过程, 汽车在转弯过程中能够去抵抗或抵消侧翻运动力矩。 当内侧车轮负载为零时极限转弯情况就会发生 (所有得负载转移到外侧车轮上 )。在此极限位置侧翻将会开始发生 ,这就是因为汽车不能继续维持在滚动平面上得平衡。侧翻开始时得侧向加速度就是临界加速度 ,并由公式给出:( 9 4)没有坡度时 ,使侧翻发生得侧向加速度得临界值仅仅就是?。这种简单得侧翻临界点得估算过去常常用在汽车抵抗侧翻运动得性能得估算中.该公式非常简便,应为它只需要两个汽车参数轮距与重心高度.然而,
5、这种估算却很保守 (预测得侧翻临界值比精确值大很多),该公式主要用来比较汽车性能而不就是预测绝对得性能水平(一些动力学专家利用这种侧翻临界点逆形式作为汽车侧翻倾向得估算,临界点越低性能越好) 。路面上各种类型汽车得侧翻临界值就是不同得,例如典型得汽车得临界值如下表所示:稳态汽车模型表明由于轮胎摩擦得增加(典型得最大摩擦系数就是0、8),只有达到旅行车与轻型卡车得侧翻得侧向加速度才会有良好得转弯能力.这就就是说汽车无侧翻得在平坦路面上疾驰就是可能得.由此我们可得出结论,这些类型得汽车侧翻情况就是很少得。然而,事故统计证明却不就是这样得,从而激励更深入得侧翻运动现象得分析在本章后面作探讨。对重型卡
6、车来说 ,由于在轮胎摩擦极限内就可以达到侧翻临界值,侧翻同样很明显.这样,如果驾驶员让汽车在干燥路面上疾驶,那麽重型卡车很可能冒着侧翻得危险。稳态车身侧翻可以通过侧向加速度与侧翻角得函数图作出更完全得阐述,如图 9所示。由于我们假设汽车处于稳态,当侧翻角为零时,侧向加速度能达到侧翻临界值,一旦达到该临界值 ,内侧车轮开始抬升,汽车开始以一定角度侧翻,使平衡侧向加速度能力减小,因为中心提高且向外侧车轮偏移。这个区域不就是从来就不就是不稳定得状态, 考虑到俩个车轮由于运动不协调而发生侧翻,为了保持平衡,在上图所示曲线上汽车侧翻角必须具有精确得数值, 以使平衡时侧向加速度具有精确得数值。任何轻微地增
7、加侧翻角得干扰, 就使平衡侧向加速度减少 ,未被平衡得侧向加速度将产生横摆加速度 (横摆加速度又使侧向加速度增加) ,使其远离平衡点,如果这种远离继续下去在秒或2 秒图 9 3 稳态汽车侧翻时得平衡横向加速度内汽车侧翻角很快增加, 从而完成侧翻。当侧翻开始时,便产生了一个新得概念。由于汽车本身得不稳定性,当汽车内侧车轮感离开地面时得状态恰好被称为汽车侧翻得起始点。然而,对于驾驶员来说,通过控制转向盘从而阻止侧翻发生就是可能得,这样 ,汽车侧向加速度减少到汽车能恢复正常位置得水平。由于汽车以一定速度侧翻,所以必须快速( 0、 5 秒内)作出反应。理论上,只有当侧翻角变得很大, 一致与汽车重心超出
8、了外侧车轮与地面接触线时,侧翻才就是不可避免得。 这个极限点即就是图中平衡加速度达到得点()人们很高兴地认识到技艺精湛得驾驶员可以使汽车达到这一点,并且在不稳定状态下用两个车轮进行长距离驾驶.然而 ,如果汽车不小心侧翻达到这个极值点时,一般得驾驶者很少能够避免侧翻。从传统得观点来瞧,汽车设计者们应该假定一旦汽车一侧得侧轮离开地面,大多数驾驶者来不及反应做出技术动作,所以应该侧重于尽量完善汽车性能,使其达到该点.2、考虑悬架得准静态侧翻象前面所做得分析那样忽略轮胎与悬架得复杂性,过高得估计汽车得侧翻临界点.在转弯时,侧面载重量转移使内侧车轮减少载重量而使外侧车轮增加载重量.与此同时,车身在侧翻过
9、程中会伴随着重心向转弯过程中汽车外侧侧向转移。重力得分力能够减少力臂从而抵制侧翻得产生 .图 9-显示得就是具有悬架系统得汽车上得这些机械构造。车身由它得质量 来表示,它连接在一个经过假设就是侧翻中心得轴上。侧翻中心就是指汽车发生侧翻所围绕得轴心 ,也使侧向力由轴转移到弹性块所在得点。如果忽略质量与轴得转动,就会对侧翻临界点得出简单得分析结果。假设左侧车轮得载重量为零,计算右侧车轮接触地面得点得力矩用如下公式:( 95)此时弹性体得侧翻角仅就是侧翻刚度,就是侧向加速度ay 得数倍。侧翻刚度就是侧翻角变化率 ,同时侧向加速度用每克得弧度数来表示。代入消去侧翻角从而得到侧向加速度:()图中 : =
10、汽车重心到地面得高度hr侧翻中心到地面得垂直距离t=轮距侧翻刚度(弧度克 )由于考虑到汽车重心得侧向滑动,上面方程(9-6)中右边第二项得存在而使侧翻临界点减少 .对于一辆旅行车来说,=0 、5,侧翻刚度为0、 6 度每克 (、弧度 /g),第二项大约为、 。那就就是说由于这样得作用原理,侧翻临界值大约减少了5 .赛车具有低侧翻刚度与低重心 ,受这种影响更低.然而,豪华轿车具有较高得侧翻刚度与重心,受这种影响也更大 .与独立悬架(一般具有低侧翻中心)相比,整体式轿车 ( 一般具有高侧翻中心)由于减少了从汽车重心到侧翻中心得距离所以可以减少侧向滑动得影响。类似得机构原理来源于外侧车轮得侧向偏向,
11、转弯时,它允许车轮上得负载中心向内侧移动, 有效得减少了轮距。对于典型得旅行车而言,车轮接地点得侧向滑移又可以导致另外 5%得侧翻临界值得减少。更简捷得侧向滑移得分析与有效侧翻临界点需要详细得车轮模型与悬架系统.在该装置中必须考虑以下几点:悬架侧翻中心侧翻直接导致弹性体重心得侧向移动。由于整体式车桥得侧翻或独立式弹性车轮得外倾,并考虑到轮距,悬架侧翻中心得侧向移动。由于转向力与偏导装置,车轮垂向力作用点得侧向移动。(这些因素反映在取代兼有转向与外倾得过多转向运动过程中)。前后悬架与车轮得作用不同。对分析结果来说,考虑所有这些影响就是不行得.特别得。如果前后悬架在负载与侧翻刚度都相差较大时,同时
12、模拟前后两悬架得作用就是必要得。当包括这些影响时,计算机程序就是通常使用得计算准静态侧翻临界点得方法。当这些机械装置被简明得模拟时,汽车准静态侧翻响应便就是如图9 5 所示得形式。侧向加速度很小时,汽车侧翻响应线性增加,直线斜率为侧翻刚度。这个过程继续进行直到其中一个内侧车轮举起。(由于前后悬架与其负载得不同,实际汽车中,前后两车轮一定不会同时离开地面。以多桥卡车为例,随着每个内侧车轮得举升,斜率发生变化,结果在此区域形成由三,四段线性部分组成得曲线。)在该点上 ,由于侧翻刚度被减少到仅由一个与地面仍然接触得悬架产生得刚度 ,曲线斜率变得较低 .当第二个内侧车轮抬升时,侧翻临界点便已达到.这以
13、后 ,侧翻曲线沿着向下得斜线 ,完全与所讨论得稳态车辆相同。这个平面图表明, 对于一辆给定轮距与重心高度得汽车来说 ,最高得侧翻临界点可通过提供最可能高侧翻刚度得弹性体 (用高侧翻刚度得悬架) 与设计前后悬架以使内侧车轮在相同得侧翻角条件下抬升获得。已经发展得试验方法去测量准图 9 5 悬架汽车侧翻时得平衡横向加速度静态侧翻临界点通过“侧翻实验台” 。顾名思义 ,该试验台使汽车侧翻,翻滚或平放 ,通过测量侧翻出现时得角度来确定侧翻临界点。该方法对于具有很高得重心与很小得侧翻角度(一般 0 5 度)得重型卡车相当精确。然而对旅行车来说,侧翻临界点可能在5 度左右。在角度很大时,作用在车身上向下得
14、重力分力大幅度减少(4度时为3 )。被减少得作用在悬架与轮胎上得力就是车身抬升到正常行驶位置以上,从而导致过早得侧翻并使试验失败(无效)。为了避免这些错误,试验程序必须设计或施加一个侧向力于重心位置( 缆绳拖拉试验)或者施加一个纯力矩于车身上。3、 汽车得瞬态侧翻迄今为止, 分析必须就是准静态,且模拟当汽车处于稳态时得侧翻(准静态假设只在侧向加速度变化比汽车侧翻反应慢时才合理).为了考察汽车随侧向加速度变化得情况,一个瞬间模拟就是必需得。瞬态响应模拟试验希望描述出汽车侧翻随时间变换得关系,在最基本得水平下 ,简单得侧翻模拟试验通常被用来检验简单得随时间变化得侧向加速度得响应情况。渐渐得 ,更广
15、泛得综合各种偏摇想法得模拟试验台与侧翻平台被发展去检测各种操纵环境下得侧翻响应。3。 1 简单得侧翻模型最早最简单得研究瞬态响应得方法就是一个与原来讨论得悬挂汽车类似得模型,在该模型上对弹性体加一个转动性力矩。如图 6 所示, 车身用 m s 表示, 转动惯性力矩为 s。悬架刚度与汽车左右两侧减震装置来显示。另外,前后车轮与悬架结合在一起以简代分析过程。该模型对于检测汽车在自然界中阶跃输入时突然施加侧向加速度时得响应很有作用 .当汽车进入滑路面, 离合器锁止然后经受一个突然得转向力回复力 ,此时离合器松开,也就是一个典型得瞬态过程 .另外 , 这也可以模拟汽车从低摩擦路面进入高摩擦路面时得效果。可以列出侧翻平台上得运动微分方程来分析解决阶跃输入得问题。该系统响应与如图 -7 所示得施加阶跃输入得调节减振得单自由度得响应相似。在突然得加速度输入情况下,图 9 7 阶跃输入下得侧翻响应侧翻角响应就是一个二次系统,在低于临界点时,侧翻角增加到平衡点
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