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1、第六章 汽车操纵稳定性,第1节 概 述第2节 轮胎侧偏特性第3节 汽车转向轮的振动,第1节 概述,侧翻和侧滑的临界条件,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一种危险的侧向运动。 侧翻分类:一类是曲线运动引起的侧翻，指汽车在道路(包括侧向坡道)上行驶时，由于汽车的侧向加速度超过一定限值，使得汽车内侧车轮的垂直反力为零而引起的侧翻；另一类是绊倒侧翻，指汽车行驶时产生侧向滑移，与路面上的障碍物侧向撞击而将其“绊倒”。,导致侧翻的根本原因是：横向稳定性丧失,侧翻和侧滑的临界条件,侧翻临界条件,随着行驶车速的提高，在离心力Fc的作用下，汽车可能以左侧车轮为支
2、点向外侧翻。当右侧车轮法向反力FzR=0时，开始侧翻。因此，汽车绕左侧车轮侧翻的条件为：汽车转弯半径为R，行驶速度为U，则,侧翻临界条件,横向坡道上不发生向外侧翻的极限车速：,当横向坡度值 即Umax= ,说明汽车在此坡度弯道行驶时，任意速度也不会使汽车绕外侧车轮侧翻。,思考题,为什么在修建公路时，常将弯道处筑有一定的坡度？,侧滑临界条件,在横向坡道上发生侧滑的临界条件是：,Fccos- Gsin=（Fsin Gcos）,第2节 轮胎侧偏特性,轮胎侧偏特性是轮胎的重要力学特性。侧偏特性主要是指侧偏力、回正力矩与侧偏角间的关系，它是研究汽车操纵稳定性的基础。,1.轮胎的坐标系和术语,建立坐标系垂
3、直于车轮旋转轴线的轮胎中分平面称为车轮平面。坐标系原点O为车轮平面和地平面的交线与车轮旋转轴线在地平面上投影线的交点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轴在地平面上，规定面向车轮前进方向时指向左方为正。,常用术语,翻转力距Tx 滚动阻力矩Ty 回正力矩Tz 侧偏角 轮胎接地中心位移方向（车轮行驶方向）与x轴的夹角。外倾角 xoz平面与车轮平面的夹角。,2.轮胎侧偏特性,汽车行驶过程中，因路面侧向倾斜、侧向风或曲线行驶时离心力等的作用，车轮中心沿轴方向将作用有侧向力，在地面上产生相应的地面侧向反作用力，也称为侧偏力 (图a),若车轮是刚性的，则可以
4、发生两种情况： 1)当地面侧向反作用力未超过车轮与地面间的附着极限时( )，车轮与地面间没有滑动，车轮仍沿其本身平面的方向行驶 2)当地面侧向反作用力达到车轮与地面间的附着极限时( )，车轮发生侧向滑动，若滑动速度为u，车轮便沿合成速度的方向行驶，偏离了车轮平面方向,2.轮胎侧偏特性,轮胎的侧偏现象，是指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。,2.轮胎侧偏特性,2.轮胎侧偏特性,为了说明轮胎侧偏现象，设具有侧向弹性的车轮在垂直载荷为G的条件下，车轮中心受到侧向力，地面相应的有侧偏力时的两种情况：,第一种,车轮静止不滚动。由于车轮有侧向弹性，轮胎发生侧向变
5、形，轮胎胎面接地印迹的中心线与车轮平面不重合，错开，但仍平行于车轮平面。,第二种,车轮滚动。车轮滚动时接触印迹的长轴线aa，不只是和车轮平面错开一定距离，而且不再与车轮平面cc平行。图示出车轮的滚动过程中，车轮平面上点A1、A2、A3、依次落在地面上，形成点Al、A2、A3、，点Al、A2、A3的连线aa与的夹角即为侧偏角。车轮就是沿着aa方向滚动的。显然，侧偏角的数值是与侧向力Fy有关的。,轮胎侧偏刚度,图为由试验测出的不同载荷和不同道路上某轮胎的侧偏力一侧偏角关系曲线。,曲线表明，侧偏角不超过5时，与成线性关系。汽车正常行驶时，侧向加速度不超过0.4g，侧偏角不超过45，可以认为侧偏角与侧
6、偏力成线性关系。曲线在0处的斜率，称为侧偏刚度k ，单位为N/rad或N/()。由轮胎坐标系有关符号规定可知，负的侧偏力产生正的侧偏角。因此，侧偏刚度为负值。,侧偏刚度,轿车轮胎值约在-28000-80000N/rad范围内,侧偏刚度,从表中可看出，轮胎尺寸越大，,值也越大。,侧偏刚度,侧偏力较大时，侧偏角以较大的速率增长，即曲线的斜率逐渐减小。这时，轮胎在接地面处已发生部分侧滑。最后，侧偏力达到附着极限时，整个轮胎侧滑 最大侧偏力决定于附着条件，即垂直载荷，轮胎胎面花纹、材料、结构、充气压力，路面的材料、结构、潮湿程度以及车轮外倾角等。 最大侧偏力越大，汽车极限性能越好，汽车圆周行驶的极限侧
7、向加速度就越高。,瞬态响应,2 车辆坐标系及时域响应,汽车时域响应分为稳态响应和瞬态响应。 转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应：等速直线行驶，急剧转动转向盘，然后维持转角不变，即对汽车施以转向盘角阶跃输入，汽车经短暂的过渡过程后进入等速圆周行驶工况。 转向盘角阶跃输入下的瞬态响应：等速直线行驶和等速圆周行驶两个稳态运动之间的过渡过程所对应的瞬间运动响应。 稳态转向特性：不足转向、中性转向、过度转向。转向盘保持一个固定转角不变，缓慢加速或以不同车速等速行驶时，不足转向的汽车转向半径逐渐增大，中性转向的汽车转向半径不变，而过度转向的汽车转向半径逐渐减小。,瞬态响应评价指标,（1）响应时间 以转向盘转
8、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。,瞬态响应评价指标,（3）横摆角速度超调量 在t=时，横摆角速度达到最大值1、2往往大于0，1/0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。超调量越小越
9、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0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，也是评价瞬态应的重要参数。（5）稳定时间横摆角速度达到稳定值的 95105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。,汽车时域响应是把汽车作为开环控制系统的控制特性。驾驶员汽车系统是一个闭环控制系统：在汽车行驶过程中，驾驶员根据需要，操纵转向盘使汽车做转向运动。路面的凹凸不平、侧风、偏载等影响汽车的行驶。驾驶员根据道路
10、、交通等情况，通过眼、手及身体感知的汽车运动状况（输出参数），经过头脑的分析、判断（反馈），修正其对转向盘的操纵。如此不断地反复循环，操纵汽车行驶前进。,第3节 汽车转向轮的振动,车轮不平衡，产生后果车行驶时稳定性变差,方向盘难以控制,严重跑偏,甚至高速时突然甩尾打横.,习题,什么是汽车的操纵稳定性？能解释轮胎的侧偏弹性什么是汽车的瞬态响应和稳态响应稳态转向特性有哪几种转向？侧翻的临界条件是什么？瞬态响应的评价指标是什么？,第1节 汽车通过性第2节 汽车行驶平顺性,第七章 汽车的通过性和行驶平顺性,课前思考,为什么要了解汽车通过性？有哪些参数可以评价汽车通过性？,常见现象,为什么陷进去出不来了
11、？,解决办法有哪些？,地面附着系数小,(1)人力推车(2)往地面垫砖块儿或者石头(3)差速器锁止,学习通过性的意义,【意义】：对我们正确使用车辆具有很好的指导意义。能够用更专业的知识帮助我们解释一些常见的现象，从而能够开发出提高汽车通过性的办法。,第1节 汽车通过性,通过性的概念轮廓通过性参数（评价指标）影响通过性的因素,一、通过性的概念,【定义】：汽车的通过性是指汽车在一定载重下，能以足够高的平均车速，通过各种坏路和无路地带（如松软的土壤、沙漠、雪地、沼泽及坎坷不平地段），以及克服各种障碍（陡坡、侧坡、台阶、壕沟等）的能力。,低附着系数路面和障碍,泥泞道路,45陡坡,通过性,通过性的分类,【
12、分类】：轮廓通过性和牵引支承通过性。轮廓通过性是表征车辆通过坎坷不平路段和障碍的能力；牵引支承通过性是指车辆顺利通过松软土壤、沙漠、雪地、冰面、沼泽等地面的能力。,第1节 汽车通过性,通过性的概念轮廓通过性参数（评价指标）影响通过性的因素,二、轮廓通过性参数,【间隙失效】在越野行驶时，由于汽车与不规则地面的间隙不足，可能出现汽车被托住而无法通过的现象，称为间隙失效。间隙失效主要有两种形式：顶起失效是车辆中间底部的零件碰到地面，而被顶住的间隙失效。触头失效（或托尾失效）是汽车前端（或车尾）触及地面的间隙失效。,二、轮廓通过性参数,几何参数：最小离地间隙接近角和离去角纵向通过角最小转弯直径和最大通
13、道宽度,最小离地间隙,【定义】：除车轮外的最低点与路面间的距离。,表征：汽车顺利通过树桩、石块等低矮障碍物的能力。,影响最小离地间隙的结构：前桥、飞轮壳、变速器壳等在设计越野汽车时，应保证有较大的最小离地间隙。轿车的最小离地间隙是：100200越野车的最小离地间隙是：200370,接近角和离去角,【定义】：指自车身前、后突出点，分别向前、后车轮外缘引切线，切线与路面之间的夹角。（如图所示）,表征：汽车接近或离开障碍物时，不发生碰撞的能力。接近角或离去角越大，通过性越好,纵向通过角,【定义】：指汽车空载、静止时，在汽车侧视图上通过车轮前后外缘做切线交于下部较低部位所形成的最小锐角，车辆可以超越的
14、最大角度 。,表征：汽车可无碰撞地通过小丘、拱桥等障碍物的轮廓尺寸。纵向通过角越大，汽车的通过性越好。,最小转弯直径,【定义】：车辆行驶过程中，方向盘向左或向右转到极限位置时，车辆外转向轮在其支撑面上的轨迹圆直径。,最小转弯直径,表征：车辆在最小面积内的回转能力和通过狭窄弯曲地带或绕过障碍物的能力 转弯时机动性能,最大通道宽度或者转弯通道圆,转向盘转到极限位置时，下述两圆为车辆转弯通道圆：a.车辆所有点在支承面上的投影均位于圆外的最大内圆；b.包含车辆所有点在支承面上的投影的最小外圆。,车辆有左和右转弯通道圆,最大通道宽度【定义】：汽车最远点最小转弯直径，与最近点最小转弯直径之差的一半 。越窄
15、，通过性越好。,几款SUV通过性比较,倾覆失效,越野汽车在通过较大的侧坡或纵坡，可能导致汽车的倾覆失效。 在侧坡上直线行驶时，当坡度大到重力通过一侧车轮中心，而另一侧车轮的地面法向反作用力等于零时，则车辆将发生侧翻。,式中汽车不发生倒翻的极限角。为了防止侧翻，汽车的质心应尽量降低，轮距应尽量宽。,第1节 汽车通过性,通过性的概念轮廓通过性参数（评价指标）影响通过性的因素,三、影响通过性的因素,主要有：行驶速度汽车车轮轮胎花纹增大轮胎直径和宽度选择合适的轮胎气压减少滚动阻力差速器正确使用驾驶方法,1.行驶速度,当汽车的行驶速度降低时，土壤的剪切和车轮滑转的倾向减少。因此，用低速行驶克服困难地段，
16、也可改善汽车的通过性。越野汽车传动系最大总传动比一般较大。越野汽车最低稳定车速可按表71选取，其值随汽车总质量而定。,2汽车车轮,轮胎花纹增大轮胎直径和宽度选择合适的轮胎气压减少滚动阻力,（1）轮胎花纹,正确选择轮胎花纹，可以提高在一定路面上的通过性越野汽车的轮胎具有宽而深的花纹 ：在湿路面上行驶时，由于只有花纹的凸起部分与地面接触，使轮胎对地面有较高的单位压力，足以挤出水层 ；在松软地面上行驶时，轮胎下陷，嵌入土壤的花纹凸起的数目增加，与地面接触面积及土壤剪切面积都迅速增加，因而，同样能保证有较好的附着性能。,磨损指示条在新轮胎底部的花纹中有12mm宽、1.6mm深的磨损指示条（如图）。轮胎
17、磨损到与磨损指示条表面平齐时，应立即调换轮胎。如磨损至还剩1mm(在条中任一点测量)，则已达到了规定的最小花纹深度。应该尽快的调换轮胎。,（1）轮胎花纹,（2）轮胎直径和宽度,增大轮胎直径和宽度，都能降低轮胎的接地比压。增大轮胎直径，可以改善其通过性和行驶平顺性。增加轮胎宽度，可以提高附着力，从而改善其通过性和制动性等；缺点是：滚动阻力大，导致油耗增加。,（3）轮胎的气压,在松软地面上行驶的汽车，应相应降低轮胎的气压，以增大轮胎与地面的接触面积，降低接地比压，提高土壤推力，增大附着力，改善其通过性,（4）前轮距和后轮距,当汽车在松软地面上行驶时，各车轮都需克服形成轮撤的阻力（滚动阻力）。如果汽
18、车前轮施与后轮距相等，并有相同的轮胎宽度，则前轮辙与后轮辙重合，后轮就可沿被前轮压实的轮辙行驶，使汽车总滚动阻力减少，提高汽车通过性。所以，多数越野汽车的前轮距与后轮距相等。一般：轿车前轮距稍微大于后轮距越野汽车的前轮距与后轮距相等,3差速器,为了保证各驱动车轮能以不同的角度旋转，在传动系统装有差速器。但普通的齿轮差速器，由于它有使驱动车轮之间转矩平均分配的特性，当某一驱动车轮陷入泥泞或冰雪路面上时，得到较小的附着力，则与之对应的另一驱动车轮，也只能以同样小的附着力限制其驱动力。为了避免这种情况的发生，某些越野汽车上装有差速锁，以便必要时能锁止差速器。,4驾驶方法,驾驶方法对提高汽车通过性有很
19、大影响。在通过沙地、泥泞、雪地等松软地面时，应该用低速档，以保证车辆有较大的驱动力和较低的行驶速度。在行驶中应避免换档和加速，并保持直线行驶，因为转弯时将引起前后轮辙不重合，增加滚动阻力。,小结,重点掌握汽车通过性的概念及其评价指标了解汽车通过性的影响因素,振动：路面不平等原因引起汽车振动，它影响舒适性和身体健康。 保持振动环境的舒适性，以保持驾驶员在复杂行驶和操纵条件下，具有良好的心理状态和准确灵敏的反应。 汽车的平顺性影响“ 人汽车”系统的操纵稳定性以及行驶安全性。,第2节 汽车行驶平顺性,G500的底盘调校着重强调的是韧性，在越野场地内的每一个地方，G500的底盘都能给人一种拿得起放得下
20、的稳重感。我们可以把它称之为G的方式：压住障碍，而不是被障碍顶起。,平顺性：保持汽车行驶过程中乘员所处的振动环境具有一定舒适度的性能，并保持货物的完好无损。评价方法：根据乘员舒适程度评价 汽车振动系统及其评价指标,输入振动系统输出评价指标,输入振动系统输出评价指标,输 入：路面不平度、 车速。振动系统：弹性元件、阻尼元件、质量。输 出：悬挂质量或人体加速度、车轮动载荷。评价指标：人体对振动的响应、轮胎的接地性。,汽车行驶平顺性,一、汽车行驶平顺性的评价指标（1）暴露极限当人体承受的振动强度在这个极限之内，将保持健康或安全。通常把此极限作为人体可以承受振动量的上限。（2）疲劳一降低工作效率界限这
21、个界限与保持工作效率有关。当驾驶员承受的振动在此界限内时，能保持正常地进行驾驶。（3）舒适降低界限此界限与保持舒适有关，它影响人在车上进行吃、读、写等动作。,二、影响汽车行驶平顺性的因素,汽车是由多质量组成的复杂振动系统。为了便于分析，需要进行简化。在研究振动时，常将汽车视为由彼此相联系的悬挂质量与非悬挂质量所组成。悬挂质量由车身、车架及其上的总成所构成。非悬挂质量由车轮、车轴构成，车轮再经过具有一定弹性和阻尼的轮胎支承路面上。悬架结构（减振器和悬架弹簧）连接了悬挂质量和非悬挂质量影响汽车平顺性的重要因素：悬架结构、轮胎、悬挂质量非悬挂质量,1悬架结构 悬架结构主要指弹性元件、导向装置与减振装
22、置，其中弹性元件与悬架系统中阻尼对平顺性影响较大。弹性元件：如果车轮振动幅度过大，有时会离开地面，当紧急制动时，就会出现“点头”现象。措施：非线性特性的变刚度悬架 阻尼元件：减振器的阻尼可以衰减车身自由振动和抑制车身、车轮的共振，以减小车身的垂直振动加速度和车轮的振幅,2轮胎 轮胎由于本身的弹性，在很大程度上吸收了因路面不平所产生的振动，因此它和悬挂共同保证了汽车的平倾性。3悬挂质量 悬挂质量分配是评价汽车平顺性极其重要的参数。它取决于悬挂质量的分布情况。悬挂质量的布置应使前、后悬挂质量的振动彼此互不影响。,三、非悬挂质量 减少非悬挂质量，可以减少传给车身上的冲击力。非是挂质量的振动，对悬挂质
23、量振动加速度有较显著的影响，会使其数据值加大。因此，为了提高汽车的平顺性，采用非悬挂质量较小的独立悬挂更为有利。,奥迪A0 QS概念车,这款车型不仅拥有未来太空车般的外观，车身也采用了大量轻量化高科技材料。其车型名称中的Q代表四轮驱动，而S则代表其悬架系统。,习题,通过性的参数有哪些？汽车不发生倾覆的极限角？差速锁的作用（通过性）？人对振动的三种不同的感觉界限是？在什么情况下采用变刚度悬架？为什么？,据说这是一个新手刚刚提回家的凯迪拉克DTS，也就是大名鼎鼎的总统专车原形！想来应该是火车看到总统座驾一时激动拥抱上去“索吻”，可惜“吻”错了地方。事故中凯迪拉克一侧受损，但人安然无恙，从天窗中脱险
24、。看到照片，你简直难以想象这辆车是如何被火车高高顶起的！看来火车“追星”的结果真的很可怕，很粗鲁，很“火星”！,瞬态响应，指系统在某一典型信号输入作用下，其系统输出量从初始状态到稳定状态的变化过程。瞬态响应也称动态响应或过渡过程或暂态响应。,最大侧偏力的影响因素,附着条件及垂直载荷FZ轮胎胎面花纹、材料、结构、充气压力路面材料、结构、潮湿程度车轮外倾角,3. 轮胎结构、工作条件与侧偏特性,尺寸的轮胎，k ；子午线轮胎接地面宽，k大；钢丝比尼龙轮胎k大；扁平率：轮胎断面高度与断面宽度之比H /B ， k ；在一定范围内，载荷 （FZ ） ，k 。但载荷太大时，k；轮胎充气压力 ，k ；行驶车速对
25、k影响较小；潮湿特别在积水时，k 很大。,附着椭圆,一定侧偏角下，驱动力或制动力增加时，侧偏力逐渐有所减小，这是由于轮胎侧线弹性有所改变的关系。当纵向力相当大时，侧偏力显著下降，接近附着极限时，切向力已耗去大部分附着力，而侧向力能利用的附着力很小。,6.3 汽车转向轮的振动,1.路面 由于 悬架+车轮的弹性上下跳动 转向机构的的弹性左右摆动 左右摆动与上下跳动的关系回转仪效应 回转仪效应：在旋转质量的轴心上加上一力矩（如车轮轴心），使车轮在垂直平面上摆动某一角度，与此同时在水平面内会出现另一力矩对轴作用，使车轮绕轴旋转同时还绕主销摆动。,车轮既绕自身轴线旋转又绕主销摆动，在物理学中称进动，其进动力矩Mr： 其中：Jk车轮的转动惯量； k车轮旋转角速度； 车轮进动角速度（车轮绕销摆动角速度）。 措施：正确设计悬架的导向装置。采用等长横杆导向装置，车轮上跳时，车轮旋转平面不倾斜，不产生回转仪效应。 采用上横杆短于下横杆，车轮上跳时，倾斜微小、轮距变化微小。2、车轮质量不平衡,
