汽车性能与使用技术第9章

第九章汽车的操纵稳定性第一节汽车的横向稳定性第二节轮胎的侧偏特性第三节汽车的转向特性第四节汽车转向轮的振动汽车横向稳定性的丧失，表现为汽车的侧翻或横向滑移。由于侧向力作用而发生的横向稳定性破坏的可能性较多，也较危险。图9-1所示汽车在横向坡路上作等速弯道行驳时的受力图。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如汽车转弯半径为R，行驶速度为u，则第一节汽车的横向稳定性下一页返回将FC代入上式，可求出在横向坡道上不发生向外侧翻的而允许的车速范围为由上式可见，当横向坡度值时，分母为零，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。因此在公路建设上常将弯道处筑有一定的坡度，以提高汽车的横向稳定性。若在水平路面上(β=0)，汽车转弯行驶不发生侧翻的极限车速为由以上各式可以看出，降低汽车质心高度和增大转弯半径、增大轮距，均可提高汽车侧向极限稳定性。第一节汽车的横向稳定性上一页下一页返回汽车在横向坡道上行驶发生侧滑的临界条件为β整理得，汽车在侧滑前允许的最大速度为式中，为附着系数当，则以任何车速行驶也不发生侧滑在β=0的水平道路上，汽车侧滑前所允许的最大速度为为了行驶安全，应使侧滑发生在侧翻之前，即第一节汽车的横向稳定性上一页下一页返回整理得比值称为侧向稳定性系数，侧翻只能在附着系数大于侧向稳定性系数的道路上才会发生。在干燥沥青路面上，，一般满足条件。只有当汽车重心提高后，减小了横向稳定系数，才增加了翻车的危险第一节汽车的横向稳定性上一页返回轮胎的侧偏特性是研究汽车操纵稳定性理论的基础。一、轮胎的坐标系与术语图9-2示出车轮的坐标系，其中车轮前进方向为z轴的正方向，向下为z轴的正方向，在x轴的正方向的右侧为y轴的正方向。(1)车轮平面垂直于车轮旋转轴线的轮胎中分平面。(2)车轮中心车轮旋转轴线与车轮平面的交点。(3)轮胎接地中心车轮旋转轴线在地平面(xyz平面)上的投影(y轴)，与车轮平面的交点，也就是坐标原点。(4)翻转力矩Tx地面作用于轮胎上的力，绕x轴的力矩。图示方向为正(5)滚动阻力矩Ty。地面作用于轮胎上的力，绕y轴的力矩。图示方向为正第二节轮胎的侧偏特性下一页返回(6)回正力矩TZ。地面作用于轮胎上的力，绕z轴的力矩。图示方向为正(7)侧偏角α。轮胎接地中心位移方向(车轮行驶方向)与x轴的夹角。图示方向为正。(8)外倾角。xOz平面与车轮平面的夹角。图示方向为正二、轮胎的侧偏现象如果车轮是刚性的，在车轮中心垂直于车轮平面的方向上作用有侧向力。当侧向力不超过车轮与地面的附着极限时，车轮与地面没有滑动，车轮仍沿着其本身行驶的方向行驶；当侧向力Fy达到车轮与地面间附着极限时，车轮与地面产生横向滑动，若滑动速度为△u，车轮便沿某一合成速度u’方向行驶，偏离了原行驶方向，如图9-3所示车轮有侧向弹性时，即使没有达到附着极限，车轮行驶方向亦将偏离车轮平面的方向，这就是轮胎的侧偏现象。下面讨论具有侧向弹性车轮，在垂直载荷为W的条件下，受到侧向力作用后的两种情况：第二节轮胎的侧偏特性上一页下一页返回(1)车轮静止不动时由于车轮有侧向弹性，轮胎发生侧向变形，轮胎与地面接触印迹长轴线aa与车轮平面cc不重合，错开△h，但aa仍平行于cc，如图9-4(a)所示(2)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9-4(b)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，点的连线aa与cc的夹角α即为侧偏角。车轮就是沿着aa方向滚动的。显然，侧偏角a的数值是与侧向力Fy有关的。三、轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性旱软胎机械特性的一个重要部分。主要是指侧偏力、同正力知与侧偏角间的关系，它是研究汽车操纵稳定性的基础。图9-5所示为一轮胎的侧偏力与侧偏角关系曲线。曲线表明，侧偏角不超过3°～4°时，可认为Fy与a呈线性关系。随着Fy的增大，a增大较快，轮胎产生滑移。第二节轮胎的侧偏特性上一页下一页返回汽车正常行驶时，侧向加速度一般不超过(0.3～0.4)g，侧偏角不超过扩大4°～5°，故可认为侧偏力与侧偏角呈线性关系，可用下式表示：式中，k为侧偏刚度，N/(°)，其值应为负值，汽车多采用低压轮胎，k值一般在300～1000N/(°)范围内侧偏刚度是指产生1°的侧偏角所需的侧向力。轮胎的侧偏刚度主要与外胎结构、轮胎气压、轮胎与地面之间的法相和切向作用力等有关，一般用实验方法确定四、影响侧偏特性的因素影响侧偏特性的因素很多，如轮胎的尺寸、形式和结构参数对侧偏刚度影响较明显。尺寸较大的轮胎有较高的侧偏刚度。子午线轮胎接地面宽，一般侧偏刚度较高。钢丝子午线轮胎比尼龙子午线的侧偏刚度还要高些。第二节轮胎的侧偏特性上一页下一页返回轮胎断面高与轮胎断面宽之比×100%称为扁平率。早期轮胎的扁平率为100%，现状轮胎的扁平率逐渐减小，目前不少轿车已采用扁平率为60%或称60系列的宽轮胎。扁平率对轮胎侧偏刚度影响很大，采用扁平率小的宽轮胎是提高侧偏刚度的主要措施。扁平率为60%的60系列轮胎的侧偏刚度有大幅度提高。当扁平率为50%时，侧偏力即侧偏刚度比扁平率为80%的轮胎提高了70%。汽车行驶中，轮胎的垂直载荷常有变化。如转向时内侧车轮轮胎的垂直载荷减小，外侧轮轮胎的垂直载荷增大，垂直载荷的变化对轮胎侧偏特性影响较大。如图9-6所示，当垂直载荷增大后，侧偏刚度随垂直载荷的增加而加大，但垂直载荷过大时，轮胎产生很大的径向变形，侧偏刚度反而有所减小。轮胎的充气压力对侧偏刚度也有影响。随着气压的增加，侧偏刚度增大，但气压过高后刚度不再变化第二节轮胎的侧偏特性上一页返回驾驶员操纵转向盘使汽车转向时，通过眼睛、手和身体等部位，感知汽车的转向效果，并经过大脑比较和判断，修正转向盘的操纵，使汽车按照驾驶员的意愿行驶。一、汽车的稳态转向特性对汽车曲线运动进行初步分析时，把汽车看做平行于路面的平面运动。即汽车没有垂直运动，沿z轴的位移为零，绕y轴的俯仰角、绕x轴的侧倾角均为零。另外假设汽车前进速度不变，即沿x轴的汽车(绝对)速度u不变。因此汽车只有沿y轴的侧向运动与绕z轴的横摆运动两个自由度图9-7所示是一个由前后两个具有侧向弹性的弹簧(轮胎)支承于地面、具有侧向及横摆的二自由度汽车模型汽车的稳态转向特性取决于稳定性系数，把汽车简化为二个自由度模型进行分析时，稳定性系数取决于重心位置、轴距及前后轮侧偏刚度的匹配。当重心向前移动或减小前后轴轮胎侧偏刚度比时，会使汽车的转向量不足。第三节汽车的转向特性下一页返回二、瞬态响应给等速直线行驶的汽车以前轮角阶跃输入，经过短暂时间后，将进入等速圆周行驶。等速直线行驶与等速圆周行驶的过渡过程便是瞬态，相应的响应称为前轮角阶跃输入引起的汽车瞬态响应。在一般汽车行驶时，实际上驾驶员不断接触到的是汽车的瞬态响应。图9-8所示为一辆直线行驶汽车，驾驶员在t=0处突然猛打转向盘，转过某一角度后，保持转向盘不动，即给汽车一个转向盘角阶跃输入后的瞬态响应曲线。当车速不变时，汽车横摆角速度本应立即达到相应的ω0，但实际上汽车横摆角速度的变化为ωt。作为这一过程的评价指标如下：(1)响应时间。以转向盘转角达到终值的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第三节汽车的转向特性上一页下一页返回(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(3)横摆角速度超调量。在t=ε时，横摆角速度达到最大值ω1，ω1往往大于ω0，ω1/ω0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ω在ω0值上、下波动。车速一定时，ω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，也是评价瞬态响应的重要参数第三节汽车的转向特性上一页下一页返回(5)稳定时间横摆角速度达到稳定值ω的95%一105%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。个别汽车可能出现横摆角速度不收敛情况，即ω越来越大，若车速不变即转向半径R越来越小，就会急剧增加离心力，汽车将发生侧滑或侧翻等危险情况。第三节汽车的转向特性上一页返回汽车在行驶过程中，有时出现转向轮的左右摆动和上下跳动。转向轮的振动使轮胎磨损急剧增加，并增加了转向机构的动载荷，降低零件使用寿命，同时也严重影响行驶安全。汽车的转向轮通过悬架及转向机构与车架相连，这些互相联系的机件，组成了弹性振动系统。一是前轴绕纵轴的角振动，另一是前轮绕主销的角振动。直线行驶的汽车，当车轮越过单个凸起或凹坑时，前轮产生绕汽车纵轴的角振动。前轮将绕主销偏转，如果左轮升高，车轮将向右偏转；如果左轮下降，车轮将向左偏转，即激发了前轮绕主销的角振动，同时，由于陀螺效应，车轮绕主销的角振动，会反过来加剧前轴绕汽车纵轴的角振动，严重地破坏了汽车直线行驶的稳定性。为了避免这种现象，要求减小悬架下前轴系统的转动惯量，提高角振动的固有频率；改善公路状况，提高路面平整度；适当降低轮胎气压，增加轮胎吸振能力。第四节汽车转向轮的振动下一页返回车轮的不平衡可引起周期性的激励，造成转向轮的振动。如图9-9所示。车轮转动时，其不平衡质量所引起的离心力Fc的水平分力Fx，与力臂L形成力矩。此力矩直接使车轮偏转，其数值按正弦关系作周期性变化，变化的频率决定于汽车的行驶速度。此外，离心力Fc的垂直分力Fy，则引起车轮的上下跳动，其特性与上述相同。当左右车轮都不平衡，且不平衡质量处于对称位置时，则振动更为严重。为了避免因车轮不平衡引起的振动，要求无论是新轮胎或经翻修过的轮胎，在装用之前，都要进行动平衡试验，并消除不平衡因素。对于高速行驶的车，对车轮的不平衡度要求也高。第四节汽车转向轮的振动上一页返回图9-1返回图9-2返回图9-3返回图9-4返回图9-5返回图9-6返回图9-7返回图9-8返回图9-9返回