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1、汽车行驶安全性能,第一节概述 一、汽车行驶安全性包含的内容 操纵稳定性：司机在不感到过分紧张、疲劳的情况下，汽车按司机给定的方向稳定行驶的能力，以及对企图改变行驶方向的外界干扰的抵抗能力。（如：地面不平、坡道、侧向风大等）,因为：（1）操纵方便性和安全行驶性是高速车辆的生命线。（2）现代车速的日益上升。所以：汽车的操纵稳定性得到高度重视。例：普通汽车的最高车速=100km/h 轿车的车速200km/h 跑车的车速 300km/h,第二节轮胎的侧偏特性一、轮胎的侧偏现象 侧向力Fy：1、路面横向倾斜 2、横向风（侧向风）3、曲线行驶时的惯性力 因为：弹性轮胎在侧向力Fy的作用下会产生侧向变形。所
2、以：车轮滚动时，轮心速度方向沿Fy的方向发生偏转，与车轮平面成一夹角=轮胎的侧偏角,侧向变形图,Fy,A3,A2,A1,A2,A3,道路附着极限,A1,侧偏特性图,Fy 侧向力,子午线胎,普通斜交线胎,z,4 8 12,侧偏特性：1、随侧向力Fy的加大，线性关系上升（4以内）。2、Fy增至一定程度时，轮胎印痕后部滑移，剧烈上升。当Fy=z时（附着极限），（1）=10时达到最大值。（2）车轮处于侧滑状态。,k=轮胎的侧偏刚度(N/(0)或(N/rad)当在不超过45时，Fy=k k值上升，可以减少Fy对轮心运动方向的干扰。良好路面上，常见的侧向力Fy是转弯时的离心力Fj。1、一般情况：4 5时，
3、（向心加速度 0.4 g）所以：Fy与是线性关系。Fy=k 2、高速急转弯时，=48（轮胎有吱吱响声）,二、侧偏特性的影响因素 1、尺寸、型式、结构参数的影响。因为：尺寸大，承载能力大，帘布层多，充气压力高。所以：侧偏刚度k大，较小。子午线轮胎接地面积大，k值高；钢丝子午线胎比尼龙子午线胎k大。,2、轮胎扁平率=轮胎断面高H/轮胎断面宽B 减少扁平率（接地面宽），可提高k，早期轮胎扁平率=100%，如扁平率为50%的k比扁平率80%的k提高70%。3、因为：子午线轮胎接地面比普通斜交胎宽。所以：k大。钢丝子午线胎k更大。,4、随垂直载荷的上升，k上升，（kmax时的垂直载荷=额定载荷的1.5倍
4、）。垂直载荷太大（轮胎与地面接触区的压力极不均匀），k反而下降。5、切向力消耗地面附着力，随轮胎切向力（制动力Fu，驱动力Ft）的上升，k下降，且能承受的Fy减少。6、充气压力上升，k上升，但气压过高后，k不再上升。7、路面粗糙程度、干湿状况对k有影响。,第三节刚性轮转向的几何关系 注：d=主销之间的距离。=前外轮转角 I=前内轮转角=前轮转向角,刚性车轮的转向简图：,L,d,B,R0,。,A,V,i,Ctg。=邻/对=（R。+0.5d）/L Ctgi=(R。-0.5d)/L 两试相减得：Ctg。-Ctgi=d/L 转向半径：因为：tg=L/R。所以：R。=L/tg=0.5（。+i）前轮转向角
5、。当前轮转向角不大时，tg 所以：R。=L/tg即R。=L/（此时用弧度为单位）,第四节 弹性车轮的稳态转向特性 一、用侧偏角表示转向特性 弹性车轮的汽车稳态等速圆周运动 因为：离心惯性力Fj，所以：前后轮均受到Fy的作用，产生侧偏角1、2,刚性轮与弹性轮图,L,B,2,VB,VB,E,A,VA,VA,R,-1,2,0,0,R。,1,Fy,刚性轮时：VA;VB转向中心为0；弹性轮时：VA;VB转向中心为0。tg2=BE/R，tg（-1）=AE/R 两式相加得：tg2+tg（-1）=（BE+AE）/R=L/R 所以：R=L/tg（-1）+tg2 当较小时：tg-1+2=-（1-2）R=L/-（1
6、-2）R。=L/,如果：1=2，则：R=R。=L/，称汽车具有中性转向特性。如果：12，则：RR。称汽车具有不足转向特性。如果：12，则：RR。称汽车具有过多转向特性。,二、转向特性对操纵性的影响1、中性转向1=2,FY,m,VB,2,V,m,VA,1,VB,2,FY,V,1,VA,B,x,x,因为：1=2 所以：汽车沿mm方向行驶驶出路面。如欲沿路面中心线行驶，应向FY相反方向打方向盘，再回正，才能直行。,2、不足转向12,O,VB,2,FY,Fjx,Fj,FjY,1,VA,V,FY,因为在同样FY作用下12，所以汽车绕O1转动，转向离心力FJY与FY方向相反，起到阻止侧偏的作用。产生的1、
7、2较小，汽车偏离直行方向不严重，当FY消失后，FJY可使汽车自动回正。所以：具有不足转向特性的汽车在受到Fy干扰时，具有良好的直行能力，操纵稳定性好。,3、过多转向特性12图,2,1,VA,A,Fjy,Fj,Fjx,Fy,V,VB,O,因为：在同样FY作用下，产生12。所以：汽车圆周运动产生的转向离心力Fjy与Fy方向相同。,加剧侧偏现象使1和2值都增大，使 1-2 上升，使R迅速下降至临界车速，汽车激转侧滑失控。,侧风区,因为：R=L/-(1-2)2 1，1-2是负值。所以：1-2 上升，则R下降。从上式得：R=L/-(1-2)L=R-R(1-2)R=L+R(1-2)所以：=L/R+1-2,
8、1、对于中性转向性汽车1=2 所以：中=L/R 2、对于不足转向性汽车12 所以：不=中+(1-2)显然：不中,3、对于过多转向性汽车12 所以：过 中 可以看出，不足转向特性的汽车，所需的前轮转角最大。不足转向特性的汽车转向灵敏性差。(1-2)越大，不足转向性越大，转向灵敏性越差。所以：汽车的不足转向性不可太大，一般:1-2=1-3，才能保持行车安全。,刚性轮转向半径R。=L/弹性轮转向半径R=L/-(1-2)因为：R=L/-(1-2)所以：-1+2=L/R=L/R+1-21=2，1-2=0，R=L/=R。（中性转向）12，1-20，RR。（不足转向）12，1-20，RR。（过多转向）,第五
9、节转向特性的表示方法 一、稳定性因数K 1、r：汽车稳态横摆角速度等速圆周运动中汽车绕通过质心的竖轴转动的角速度。r=u/R u:转弯时的车速（米/秒）R:转向半径（米）如果前轴轴荷为G1，后轴轴荷为G2：,前后轴的侧偏刚度k1、k2（是车轮侧偏刚度的2倍）如果是双胎，则车轮侧偏刚度是轮胎侧偏刚度的2倍。转弯时前后轴所受的侧向力：Fy1=G1u/gR Fy2=G2u/gR（Fy=k）所以：=Fy/k 前后轴相应的侧偏角 1=G1u/k1gR 2=G2u/k2gR,汽车的稳态横摆角速度增益（用来评价稳态响应）r/表示单位前轮转角的输入下汽车产生的横摆角速度（即绕转向中心旋转角速度的响应值），也称
10、为转向灵敏度。汽车等速度行驶时，在前轮角阶跃输入下，进入的稳态响应，就是等速圆周行驶，常用r/来评价稳态响应。,因为：=L/R+1-2 及r=u/R所以：,令,令K=（G1/k1-G2/k2）1/gL（稳定性因数）所以：G1=mg b/L；G2=mg a/L 代入K式得：K=（mgb/k1L-mga/k2L）1/L=m/L（b/k1-a/k2）稳定因数K的另一种表达方式。如果K=m/L（a/k2-b/k1）k1、k2必须用负值代入,K的重要意义：把结构参数质量m、L、a、b、k1、k2与稳定转向特性定量的联系起来，从设计上保证汽车的不足转向特性。a质心到前轴的距离 b质心到后轴的距离,因为：r
11、/=u/L 1+Ku因为：u=Rr所以：u/r=R 又：R。=L/所以：1+Ku=/ru/L u/r R=L/=R。即：1+Ku=R/R。,由此可得汽车稳态转向特性的另一种表示方法 1、K=0，则R/R。=1，即：R=R。中性转向特性。2、K0，则R/R。1，即：R R。不足转向特征。3、K0，则R/R。1，即：RR。过多转向特性。,由 可做出下图：,过多K0,中性,K=0,K0,不足转向,V,VCr,Vch,r/,汽车以极低u行驶，=0时的转向关系，斜线为1/L。K=0时，r/随u线性增长。K 0，不足转向在K=0直线之下，分母 1。K 0，过多转向在K=0直线之上，分母 1。,二、特征车速
12、uch与临界车速ucr 1、特征车速uch（表示不足转向量的一个参数）是不足转向特征汽车稳态横摆角速度增益r/达到最大值时相对应的车速。,因为：求一阶导数：并令其为零，即可求出Vch。微分法则：,由于 K0，所以RR0且 u R 汽车具有不足转向特性,称为特征车速。当不足转向量增加时，K 增大，特征车速降低。,不足转向,当 K0 时，由,横摆角速度增益比中性转向时要小。,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,横摆角速度增益为与轴距L相等的中性转向汽车横摆角速度增益的一半。,说明：（1）在Uch下，绕R的圆周行驶，横摆角速度增益为与轴距L相等的中性转向汽车横摆角速度增益的一半,转向灵敏
13、度差。（2）对于不足转向性汽车存在Uch。（3）不足转向性越大，K大于0越多，则Uch越低。,当车速为,这意味着很小的前轮转角将产生极大的横摆角速度，汽车将发生激转而侧滑或侧翻。由于过多转向汽车有失去稳定性的危险，汽车应具有适度的不足转向特性。,称为临界车速。临界车速越低，过多转向量越大。,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,表示当车速达到 时，很微小的会产生很大的r。汽车失控激转侧滑翻车。进一步说明了汽车应具有不足转向性的重要性！说明：仅前轮换用侧偏刚度大的子午线轮胎，会使本来具有不足转向性的汽车转变为过多转向性汽车。,三、静态储备系数S.M 1、中性转向点Cn：使汽车前后轴产生
14、相同侧偏角的侧向力作用点中性转向点。,图：,Fy2,Fy1,Cn C,Fy1+Fy2,Fy1+Fy2,a-a,b a,b a,L,当侧向力作用于Cn时，,2、静态储备系数S.M（static Margin）是中性转向点Cn至前轴的距离a，与汽车质心C，至前轴的距离a之差，（a-a）和轴距L之比。即：如果：S.M=0 即：a=a，质心与中性转向点重合，前后轴相等，中性转向。,S.M 0，即a a，质心在中性转向点之前，作用于质心上的侧向力使前轮侧偏角1 2。所以：汽车具有不足转向特性。S.M 1。所以：汽车具有过多转向特性。,总结：汽车的稳态转向特性表示方法 1、12为不足转向性；1=2为中性转
15、向性；10为不足转向性；K=0为中性转向性；K0为不足转向性；S.M=0为中性转向性；S.M0为过多转向性。,4、R/R。1为不足转向性；R/R。=1为中性转向性；R/R。1为过多转向性。5、具有特征车速uch的为不足转向性；uch=,（即K=0）是中性转向性；存在ucr（临界）的是过多转向性。,第六节影响转向特性的因素 一、车重分配与车轮侧偏刚度k的匹配，车重在前后轴上的分配。以保证汽车的不足转向性,1、前置发动机前轮驱动的汽车，在前后车轮侧偏刚度相同的情况下，1较大不足转向性。因为：前轴轴荷大，转弯时的离心力较大；所以：1较大 2、后置发动机后轮驱动的汽车，在前后车轮侧偏刚度相同的情况下，
16、2较大过多转向性。,二、轮胎气压的影响 轮胎气压太低，侧偏刚度k下降，上升，胎肩磨损上升。轮胎气压太高，胎顶磨损加剧，爆胎。使用注意：应在冷态下检查胎压是否符合规定。,1、后轮气压不能低于前轮气压，否则2 1，易造成过多性转向。2、前轮气压低与规定值，造成汽车不足转向性增大，转向灵敏度下降。即：（r/）下降。3、胎侧标记H或V，高速轮胎含有耐热的橡胶混合物，但冰雪路上耐滑性差。所以：冬季应换用冬季专用轮胎（子午线）,三、轮胎结构的影响 1、使用中不能随意换装不同结构（帘布层数、扁平率），不同型式（子午线胎、普通斜交胎）的轮胎。否则，易使汽车具有过多转向性，危险。,2、如果仅前轮换用子午线轮胎，
17、则1小于2，过多转向。Fy=k=Fy/k k大则小。如果仅前轮换用扁平率小的宽轮胎，侧偏刚度大，则1小于2，过多转向。如果仅后轮换用扁平率小的宽轮胎，则1大于2，不足转向。,四、驱动型式的影响 转向时施加于轮胎上的切向力上升，k下降，上升。1、后轮驱动的车辆，转向时施加驱动力，有减少不足转向，增加过多转向的倾向（2大于1，）2、前轮驱动的车辆，转向时施加驱动力有增加不足转向性的作用（1大于2）,五、左右车轮垂直载荷再分配的影响 轮胎k随垂直载荷上升而上升。当车身不侧倾（无侧向力）时，左右轮垂直载荷为Z。左右轮侧偏刚度为k。,图：,C,krk。k。kL,Z Z,a,e,d,Z。,b,在轴上受Fy
18、时，产生侧偏角。=Fy/2k。实际上，转弯时的离心惯性力，作用在重心高度处，产生侧倾力矩，使轴上内侧车轮垂直载荷减少Z，侧偏刚度为kL。使轴上外侧车轮垂直载荷增加Z，侧偏刚度为kr。,因为：同轴上两轮的侧偏角相等 所以：Fy=kL+kr=Fy/（kL+kr）令k。=（kL+kr）/2=Fy/2k。由图可见，显然k。小于k。所以：大于。在侧向力Fy作用下：,（1）前轴左右轮垂直载荷变动量越大，则前轴车轮平均侧偏刚度下降，1增大，侧偏角加大，汽车增加不足转向性。（2）后轴左右轮垂直载荷变动量越大，则后轴车轮侧偏角加大，2上升，汽车减小不足转向性。,（3）增加前悬架角刚度，能使前轴左右轮垂直载荷变动
19、量上升，1上升，增加汽车不足转向性。减少后悬架角刚度（减少钢板弹簧），能使后轴左右轮垂直载荷变动量下降，2下降，增加汽车不足转向性。,例题：某车重G=20.105kN L=3.2m G1=53.5%G G2=46.5%G（1）如果每个前轮的k1=38.92kN/弧度，每个后轮的k2=38.25kN/弧度，求该车的稳态转向特性。,该车K大于0，为不足转向性汽车，其特征车速,（2）如仅前轮换用子午线轮胎 k1=47.82kN/弧度，求汽车稳态转向特性。,所以：该车K0，为多转向性汽车。可见仅前轮换用侧偏刚度大的子午线胎，会使本来不足转向性的汽车变成过多转向性汽车！,二自由度轿车模型的有关参数如下：
20、总质量 m=1818.2kg绕Oz轴转动惯量 轴距 L=3.048m质心至前轴距离 a=1.463m质心至后轴距离 b=1.585m前轮总侧偏刚度 k1=-62618N/rad后轮总侧偏刚度 k2=-110185N/rad转向系总传动比 i=20试求：稳定性因数K、特征车速uch。稳态横摆角速度增益曲线、车速u=22.35m/s时的转向灵敏度。静态储备系数S.M.，侧向加速度为0.4g时的前、后轮侧偏角绝对值之差与转弯半径的比值R/R0(R0=15m)。车速u=30.56m/s时，瞬态响应的横摆角速度波动的固有（圆）频率、阻尼比、反应时间与峰值反应时间注意：2）所求的转向灵敏度中的是指转向盘转角，除以转向系传动比才是车轮转角。解：1）稳定性因数特征车速稳态横摆角速度增益曲线如下图所示：车速u=22.35m/s时的转向灵敏度/20=0.168,作业题1、汽车稳态转向行驶时会出现哪几种转向特性？各种转向特性的明显特征是什么？2、哪种转向特性最危险？原因是什么？3、为了避免最危险的转向特性，在更换轮胎、轮胎充气、重心布置和弯道超车时应注意什么？4、汽车紧急制动时，前轮抱死或后轮抱死2种情况相比，哪种制动最危险？为什么？5、后轮驱动的货车在同样的路面以同样的速度紧急制动，空载或满载2种情况相比，哪种制动最危险？为什么？,
