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1、汽车维修业务接待 汽车维修业务接待 5.1 汽车操纵稳定性研究的 主要内容 5.2 汽车极限行驶稳定性 5.3 轮胎的侧偏特性 5.4 汽车的转向特性 5.5 汽车转向轮的振动 5.6 转向轮的稳定效应 目录 汽车维修业务接待 5.1 汽车车操纵稳纵稳 定性研究的主要内容 操纵纵性：汽车车能够够确切地响应驾应驾 驶员转驶员转 向指令的能力。 稳稳定性：汽车车行驶驶中具有抵抗改 变变行驶驶方向的各种干扰扰并 保持稳稳定行驶驶的能力。 汽车维修业务接待 1、极限行驶稳驶稳 定性 横向倾倾翻的最大坡度；横向倾倾翻的 最大 车车速；纵纵向行驶稳驶稳 定性。 2、直线线行驶驶性能 抗侧风侧风 和路面不平
2、度的稳稳定性。 3、转转向轻轻便性 原地转转向轻轻便性(静态态) 行驶转驶转 向轻轻便性(动态动态 ) 4、转转向灵敏性 时时域响应应：稳态稳态 响应应、瞬态态响应应； 频频域响应应：振幅比(增益)、相位比。 汽车维修业务接待 5.2 汽车车极限行驶稳驶稳 定 性 1. 横向倾翻的最大坡度 2. 横向倾翻的最大车速 3. 纵向行驶稳定性 汽车车在坡道尤其是横坡上丧丧失稳稳定性的 表现为现为 汽车车的翻倾倾和滑移： 汽车维修业务接待 静态态受力分析 如右图图示： 当角增大到重力G通过过A点时时的角称为为横向倾倾翻的极限 坡度，此时时得 实际实际 上，大多数汽车车在未达到max时时就开始滑动动，主
3、要是 由于驱动轮驱动轮 与地面的附着力F不够够造成的。 1.横向倾翻的最大坡度 hg Fzl Fzr B Gsin Gcos G 汽车维修业务接待 下面进进一步分析汽车侧车侧 滑在翻倾倾之前的条件 ： 设设在坡道上转转向，则产则产 生一离心力Fc，在离心力的 作 用下可能向左翻倾倾，则则向左的力矩必须须大于向右的力 矩： a.发发生翻倾倾条件： hg Fzl Fzr B G A Fxl Fxt Fc A 汽车维修业务接待 b.发发生侧侧滑条件： 汽车维修业务接待 c、侧侧滑在翻倾倾之前的条件 为为了保证证安全，应应使侧侧滑在翻倾倾之前，则则必须须 vmax B/2hg，说说明产产生不了侧侧滑，
4、只得发发生倾倾翻 ，小轿车轿车 的重心低，一般能满满足B/2hg，在弯通高速行驶驶容 易侧侧翻。 若弯道的外侧侧比内侧侧高，由于重力的横向分力与转转 弯中离心力的横向分力相反，可以避免侧侧翻，可以略提 高行驶驶速度。所以公路在弯道处处，路面都是外侧侧高于 内侧侧。 汽车维修业务接待 3.纵向行驶稳定性 汽车车的纵纵向行驶稳驶稳 定性决定于重心高度和重心 至前轴轴（或后轴轴）的距离。 tgmax=a/ hg tgmax=b/ hg 分析从略，与横向分析方法相同。 汽车车坐标标系及汽车车的主要 运动动形式： 前进进速度v：质质心速度 沿X 轴轴的分量； 侧倾侧倾 角速度p(roll velocit
5、y)：质质心绕绕X 轴轴旋转转 角速度。 z y x 侧倾侧倾角速度p 前进进速度u 俯仰角速度q 横摆摆角速度r 垂直速度w 侧侧向加速度ay 侧侧向速度v 图图52 车辆车辆坐标标系与汽车车的主要运动动形式 汽车维修业务接待 侧侧向速度v：质质心速度沿Y 轴轴的分量； 俯仰角速度q(pitch velocity)：质质心绕绕Y 轴轴旋转转角速度； 垂直速度v：质质心速度沿Z 轴轴的分量； 横摆摆角速度r(yaw velocity)：质质心绕绕Z轴轴 旋转转角速度。 汽车维修业务接待 z y x 侧倾侧倾 角速度 p 前进进速 度u 俯仰角速 度q 横摆摆角速度r 垂直速度w 侧侧向加速 度
6、ay 侧侧向速 度v 图图52 车辆车辆 坐标标系与汽车车的主要运动动形式 汽车维修业务接待 5.3 轮轮胎的侧侧偏特性 侧侧偏特性主要是指侧侧偏力、回正力矩与 侧侧偏角之间间的关系。 1） 轮轮胎坐标标系(tyre axis system) 当车轮车轮 中心沿Y 轴轴方作用有侧侧向力FY，地面将产产生 地面侧侧向反作用力FY 。由于轮轮胎具有弹弹性，即使FY没 有达到附着极限，车轮车轮 行驶驶方向亦将偏离X 轴线轴线 方向。 这时轮这时轮 胎出现侧现侧 偏特性。 由于轮轮胎侧侧向变变形，轮轮上的b点将不与支承面上的 b1接触，而与b1接触，c点与c1 接触，如此类类推。轮轮胎 在支承面上的运
7、动轨动轨 迹af 相对对于车轮车轮 平面偏离某一角 度。 汽车维修业务接待 a b1 b c d e f d1 c1 e1 f1 b c d e f a b1 c1 d1 e1 f1 b1 c1 d1 e1 f1 FY FY W 汽车维修业务接待 轮轮胎侧侧偏角(side-slip-angle)： 轮轮胎接地中心的引进进方向与车轮车轮 中 心平面方向间间的夹夹角。 侧侧向力与产产生的侧侧偏角的关系曲线线 ，称为车轮为车轮 的侧侧偏特性。当不超过过 45时时，Fy与成线线性关系Fy，即： Fy=k Fy曲线线在=0处处的斜率称为为侧侧偏 刚刚度k(cornering stiffness)，其单单
8、位为为 N/rad (或N/()）其值为负值值为负值 ，因负负的侧侧 偏力产产生正的侧侧偏角。 因此，侧侧偏刚刚度为负值为负值 ，即Fy=-FY ，Fk=-k。 2）轮轮胎的侧侧偏现现象、侧侧偏特性曲线线 汽车维修业务接待 图图53 轮轮胎的坐标标系与地面作用于轮轮胎的力和力矩 x z y 正外倾角 正回正力 矩Tz 车轮行驶方向 车轮车轮 平面 车轮车轮 旋 转轴线转轴线 正地面侧侧向反 作用力FY 正地面 法向 反作用 力FZ 正地面 切向 反作用 力FX 正翻转转力 矩TX 正TY 正侧侧偏角 O 汽车维修业务接待 垂直载载荷对对k的影响： G，F，侧侧滑倾倾向，k 轮轮胎结结构对对k的
9、影响： 轮轮胎宽宽度， k ；轮轮胎气压压，k ； 子午胎： k 。 必须须注意：轮轮胎的侧侧偏现现象的产产生是 由于轮轮胎的侧侧向弹弹性变变形，与轮轮胎在道路 上的侧侧滑有本质质的区别别。 轮轮胎的侧侧偏现现象不仅仅影响车轮车轮 的运动动 轨轨迹，而且加剧轮剧轮 胎的磨损损；轮轮胎的侧侧向 变变形使滚动滚动 阻力增加。 汽车维修业务接待 3）回正力矩(aligning torque) 由路面作用在轮轮胎上的力矩矢量，使轮轮胎绕绕 Z 轴轴旋转转的分量，称为为回正力矩。 c c c c c c c c a a a a a a a a v v v e FY 3 4 5 附着极限 接地印记记内地面
10、侧侧向反作用力 的分布与回正力矩的产产生 图图54 汽车维修业务接待 5.4 5.4 汽汽车车车车的的转转转转向特性向特性 ( (steering characteristicssteering characteristics) ) 设设汽车车以中速或高速转转向时时，在汽车质车质 心上产产生一个离心力。为为了平衡离心力，路面 对轮对轮 胎产产生相应应的侧侧向反作用力，即侧侧偏力 (cornering force)。轮轮胎在侧侧偏力的作用下将产产 生侧侧偏，形成相应应的侧侧偏角。 假设设：忽略地面切向反力对侧对侧 偏特性影响 ，忽略空气阻力的影响，忽略左右轮轮受载载荷变变 化的影响，于是汽车简车
11、简 化为为由前、后两个轮轮 胎支承，具有侧侧向和横摆摆两个自由度汽车车模型 。 汽车维修业务接待 O B A C R L v2 v1 2 1 0 0-1 2 r 图图55 汽车稳态转车稳态转 向运动简图动简图 E Fyc Fy1 Fy2 vc 汽车维修业务接待 参数说说明：设设前轮转轮转 角，转转弯半径r， FY1，FY2：前、后轮轮的侧侧偏力。 v1，vc，v2：A，B，C三点的速度。 Fc：质质心的离心力 FcY：Fc在Y方向上的分力 两式相加，且AE+BE=L，则则 tg(-1) + tg2 = L/R。因 2 、1较较小，则则 -1 +2 L/R， 故 = L/R + 1 -2 1、计
12、算转向角 由几何关系： 汽车维修业务接待 设设汽车车在水平道路上作等速圆圆周运动动 ，则则 作用在汽车车上的侧侧向力为为离心力的侧侧向分 力。 2、计算1 ，2 汽车维修业务接待 汽车车看成一个系统统，前轮转轮转 角视为输视为输 入，汽车稳车稳 态态横摆摆角速度r视为输视为输 出，r = v/R 汽车稳态车稳态 横摆摆角速度r与前轮转轮转 角之比称为为汽 车车的稳态稳态 横摆摆角速度增益(teady state yaw velocity gain)。 3、计算转向灵敏度 汽车维修业务接待 汽车维修业务接待 汽车维修业务接待 4、稳态转向特性 (1) 稳稳定性因数K： 轴轴距L 3m中性 转转向
13、 K0 过过多转转向K 0.0019s2/m2 不足转转向K 0.0006s2/m2 050100150 10 20 vch vcr va/(kmh-1) 汽车维修业务接待 中性转转 向 K0 过过多转转向K 0.0019s2/m2 不足转转向K 0.0006s2/m2 050100150 10 20 vch vcr va/(kmh-1) 轴轴距L 3m 汽车维修业务接待 中性 转转向 K0 过过多转转向K 0.0019s2/m2 不足转转向K 0.0006s2/m2 050100150 10 20 vch vcr va/(kmh-1) 轴轴距L 3m 汽车维修业务接待 K0 不足转向 K=0
14、 中性转向 K 0，则则 K 0 为为 不足转转向； 1-2 = 0，则则 K = 0 为为 中性转转向； 1-2 0，则则 K 0 K=0 K0 0 1-2 ay 图图56 表示汽车稳态车稳态 响应应的（1-2）ay曲线线 汽车维修业务接待 I：O点：钢钢性轮轮，前、后轮轮的交点，保证证前后轮纯轮纯 滚动滚动 ，则则R0=L/。 b.（12）与R的关系： 汽车维修业务接待 由以上分析可知，1-2也可作为为表征汽车车 稳稳定响应应的评评价指标标。 III：若12，1-20，则则R2，1-20，则则RRo ，转转向半径变变大，说说明转转向效果受到抑制， 成为为不足转转向。 汽车维修业务接待 K
15、= 0 R/Ro = 1 K 0 R/Ro 1 说说明不足转转向汽车车的转转向半径总总是大于Ro。 K 0 R/Ro a, 中性转转向点在质质心的后面。此时时，SM0， 说说明在质质心位置作用的侧侧向力使12，为为不足转转向。 若aa, 中性转转向点在质质心的前面。此时时，SM0， 说说明在质质心位置作用的侧侧向力使12，为过为过 多转转向。 汽车维修业务接待 R R 中性转转向 K0 过过多转转向 K0 角 不变变 图图5 8汽车车的三种稳态稳态 响应应 汽车维修业务接待 (5) 瞬态态响应应(transient state response) 汽车转车转 向特性的好坏，在很大程度上取决于过
16、过渡状态态 的运动动状况。 瞬态态响应应性能好的汽车车，从过过渡状态态到稳稳运动动状态态 的过过程中应该应该 是波动动最小而响应应最快。 瞬态态响应为应为 一强迫振动动微分方程: 误误差带带 r0 r1 t 横摆摆角速 度r1 汽车维修业务接待 讨论边讨论边 界条件：前轮轮角阶跃输阶跃输 入： 当t 0，则则微分方程为为： t 0 = 0 汽车维修业务接待 汽车维修业务接待 汽车维修业务接待 误误差带带 r0 r1 t 横摆摆角速 度r1 图图5 9前轮轮角阶跃输阶跃输 入 下的瞬态态响应应 d.峰值时间值时间 ：达到第一个峰值值r1的时间时间 汽车维修业务接待 (6) (6) 横横摆摆摆摆角
17、速度角速度频频频频响特性响特性 对对二自由度汽车车运动动微分方程 汽车维修业务接待 汽车维修业务接待 A() () fr 汽车维修业务接待 幅频频特性： 反映汽车执车执 行驾驶员驾驶员 指令失真的程度。 在低频频区接近一水平线线，在某一频频率fr时时，幅值值比达最 大值值，处处于共振状态态。 希望：幅频频特性平一些，以保证证不同工况下失真度较较小。 相频频特性： 反映汽车车横摆摆角速度r 滞后方向盘转盘转 角的失真程度 。 希望：相频频特性小一些，以保证证汽车车有快速灵活的反应应。 汽车维修业务接待 5.5 汽车转车转 向轮轮的振 动动 汽车车在行驶过驶过 程 ，有时时会出现转现转 向轮轮 的
18、左右摆摆振和上下跳动现动现 象。 下面分别别分析转转向轮轮振动动的原因： 1、转向轮的振动与共振 2、车轮不平衡的影响 3、悬架与转向传动机构的运动关系不协调 的影响 汽车维修业务接待 1、转转向轮轮的振动动与共振 B1 B m kp T2 T1 kt 汽车维修业务接待 由转转向桥桥的振动频动频 率可知，若弹弹性系统统的刚刚度减 小，转动惯转动惯 量越大，则则振动频动频 率越低。 一方面：由于平顺顺性的要求，采用弹弹性较较大的悬悬 挂和轮轮胎，即kp, kt值值减小；为为了安全转转向轮轮装有制动动器 ，使转动惯转动惯 量J 1，J 2增大。 另一方面，随着汽车车行驶驶速度的提高，道路条件的 改
19、善，路面谱谱容易在低频频区，从而增加了共振的可能性。 汽车维修业务接待 2、车轮车轮 不平衡的影响 设车轮设车轮 的不平衡质质量为为m，其位置在半径为为r的圆圆周 上，车车速为为va， 则则离心力为为：Fc =m2r 水平分力：Fx =m2rcost 垂直分力：Fy=m2rsint 水平分力Fx 在使车轮绕车轮绕 主销摆销摆 振、垂直分力Fy 强使 车轮车轮 沿垂直轴线轴线 振动动。随着车车速的提高，Fx 和Fy 会随着 增加。 为为了避免因车辆车辆 不平衡而引起振动动，对车轮应进对车轮应进 行 静平衡和动动平衡检查检查 。 Fx FyFc r Fx Fx 汽车维修业务接待 3、悬悬架与转转向
20、传动传动 机构的运动动关系不协调协调 的影响 当车轮车轮 受到冲击时击时 ，弹弹簧变变形，c点绕绕o1点作aa运动动。 当车轮车轮 上下跳动时动时 c又绕绕o2点作bb 运动动，运动发动发 生干涉 。 因此，转转向节节在水平面内 转动转动 ，使转转向轮绕轮绕 主销销向左 、向右摆动摆动 。 若将前铰铰接点靠近转转向机 ，使c点的运动动方向一致，不致 使转转向节转动节转动 ，而不发发生摆动摆动 。 va O2 O1 c a b b a 图图510转转向系与悬悬架的运动动干 涉 汽车维修业务接待 5.6 转转向轮轮的稳稳定效 应应 转转向轮轮的稳稳定效应应是指转转向轮轮具有 保持中间间位置（直线线
21、行驶驶位置）及当转转 向轮轮偏移后能自动动返回至中间间位置（自 动动回正）的能力。转转向轮轮的稳稳定效应应主 要取决于主销销内倾倾，主销销后倾倾及轮轮胎外 倾倾。 1、主销内倾的稳定作用 2、主销后倾的稳定作用 3、转向车轮外倾的稳定作用 4、前束的作用 汽车维修业务接待 1、主销销内倾倾的稳稳定作用 当轮轮胎旋转转180，如图图示轮轮胎的最低点在路面以 下，实际实际 上不可能、轮轮胎仍应应在路面，于是汽车车前轮轮 上升，由于汽车车的重力作用有迫传车轮传车轮 自动动回正回复 直线线行驶倾驶倾 向。 这这就是由于主销销内倾倾而使转转向轮轮具有稳稳定效 应应。 主销销内倾倾角一般为为58,是由设计
22、设计 决定的, 不 调调整。 主销销内倾倾减小车轮转动时车轮转动时 的转转臂a，一方面转转向 时轻时轻 便，另一方面减小地面的冲击给驾驶员击给驾驶员 的反冲力 。 汽车维修业务接待 h A A 图图511 前轮轮主销销内倾倾角的作用 汽车维修业务接待 2、主销销后倾倾的稳稳定作用 Fc ：汽车转车转 向时时的离心力 Fyl1，Fyr1，Fyl2，Fyr2前、后轮轮的向心力，与离心 力的方向相反。 前轮轮的向力心作用在轮轮胎与地面的接触点b与主 销销延长线长线 与地面的交点a有一定距离L。 Fyl1和Fyr1产产生绕绕主销销的力矩（Fyl1+ Fyr1）L有 使车轮车轮 回转转直线线行驶驶的倾倾
23、向。 力矩（Fyl1+ Fyr1）L起着转转向轮稳轮稳 定的作用,也叫 作稳稳定力矩。稳稳定力矩能很快将车轮车轮 回到直线线行驶驶位 置。 主销销后倾倾角r 一般在07之间间 汽车维修业务接待 b Fy1 图图512 前轮轮主销销 后倾倾角的作用 汽车维修业务接待 3、转转向车轮车轮 外倾倾的稳稳定作用 由于侧侧偏力Fy1使轮轮胎接地印迹相对对于车轮车轮 平面 发发生扭曲，印迹前面离车轮车轮 平面近侧侧向变变形小，印迹 后部离车轮车轮 平面远远，侧侧向变变形大。其合力的作用点在 接地印迹几何中心的后方，偏离某一距离ba（称为为汽 车车胎拖距），侧侧向反作用力Fy1形成的稳稳定力矩Mya= Fy
24、1ba 汽车车在行驶驶中，转转向轮轮的稳稳定效应应是上述各稳稳 定力矩综综合作用的结结果。 汽车维修业务接待 a 图图513 汽车车前轮轮外倾倾角 垂线线 汽车维修业务接待 4、前束的作用 前束与外倾倾引起车轮车轮 接地轨轨迹变变化如下： 车轮车轮 向前滚动时滚动时 ，力图图使车轮车轮 向处张处张 开，前束 则约则约 速车轮车轮 向内收拢拢。 前束在车轮车轮 前进进与后退时时，对对地面产产生的侧侧向力 大小相等，方向相反。 外倾倾在车轮车轮 前进进与后退时时，对对地面产产生的侧侧向 力大小相等、方向一致。 当外倾倾与前速配合得当时时，二者产产生的侧侧向力相 互抵消，保持车轮车轮 无横向滑动动。 汽车维修业务接待 L L P P D 转转向轮轮移 动动方向 滑动动 板 滑 动动板 图图514由车轮车轮 前束引 起滑动动板的侧侧滑 第六章 汽 车车平顺顺性