影响汽车操纵稳定性的力.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,气动力对汽车操稳性的影响,专业：汽车学院车辆工程姓名：刘长乐学号：0722021,1,前言综述,本部分内容参考汽车空气动力学，人民交通版，谷正气主编。,汽车操稳性是指驾驶者在不感到过分紧张、疲劳的情况下，汽车能遵循驾驶者通过转向系急转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定性的能力。汽车的操控稳定性不仅影响到汽车驾驶员的操控方便程度，而且也是决定高速汽车安全行驶的一个主要性能。所以人们称之为,“,高速车辆的生命线,”,汽车的操稳性日益受到重视，成为现代汽车的重要的使用性能之一。,汽车的操稳性涉及到的问题较为广泛，它主要通过以下几个方面来评价，即：（1）转向盘阶跃输入下的稳态响应和瞬间响；,（2）横摆角速度频率响应特性；,（3）回正性；（4）转向半径；,（5）直线行驶性；（6）典型行驶工况性能；,（7）极限行驶能力等。,本次内容主要讨论气动力影响的转向盘阶跃输入下的稳态响应和瞬态响应、横摆角速度频率响应特性、直线行驶性、极限行驶能力等。,2,1.1,影响汽车操纵稳定性的力,从对汽车操纵稳定性影响的角度，可以分为四组：,（1）气动侧力和横摆气动力矩；,（2）气动升力和纵倾气动力矩；,（3）侧倾气动力矩,（4）轮胎侧滑摩擦力和力矩。,1.1.1 气动侧力和横摆气动力矩,在本书第三章已经对气动侧力作详细论述。实际上，汽车外形一经确定，气动侧力虽受微量变化的纵倾角a和 的影响较小外，但气动侧力不仅随横摆角变化，而且还会受到汽车前轮转向角和汽车悬挂质量横白角速度的影响，只有后两者所作的贡献比前者要小的多。英国学者赛泊-里尔斯基就气动侧力和横摆力矩手汽车前轮转角的影响，利用Formula型赛车模型在风洞做过实验，实验结果如下图,：,3,由图可知，在前轮完全暴露的情况下，气动侧力导数值 。,但如果车轮完全在翼子板的空腔内转动，则 。,所以可以将气动侧力表示为：,式,中：,横摆角；,前轮转向角；悬挂质量横摆角速度,；,；。,如果气动侧力的作用点不在汽车质心上，即会产生一个横摆气动力矩。同理，汽车外形一点确定，横摆气动力矩也将随横摆角、汽车前轮转向角和汽车悬挂质量横摆角速度而变化。其主要影响是横偏角。因而横摆气动力矩也可表示为,：,式中,：,；,由图可知，完全暴露的汽车前轮，横摆气动力矩导数值：,同样，如果车轮完全暴露在翼子板的空腔内转动，则 1。,气动侧力将使汽车相对原直线行驶方向产生偏移，横摆气动力矩将使汽车的运动方向产生转向，从而影响汽车的行驶稳定性。,4,1.1.2,气动力和纵倾气动力矩,气动升力将减少汽车轮胎的附着力。质量轻的汽车，特别是重心靠后的汽车，对前轮的升力特别敏感。由于升力是随车速的平方而增加，升力有时可达几千牛，这样很可能导致汽车,“,发飘,”,，使汽车因车轮附着力骤减二失去稳定性，这种事故在赛车时经常发生。纵倾气动力矩将引起前后车轮的载荷变化，或使前转向失去转向力，或使后驱动轮失去驱动力，影响汽车的操作稳定性,。,1.1.3,侧倾气动力矩,侧倾气动力矩会引起汽车左右轮胎的载荷变化。对应与该力矩的回转方向，使一边车轮的载荷增加，另一边车轮的在和减小，从而影响汽车的操纵稳定性。,1.1.4,轮胎侧滑摩擦力和力矩,汽车在实际行驶过程中，由于轮胎存在外倾角和前束值，轮胎的运动方向不一定在其对称平面内，前进方向,OB,与轮胎对称平面,OA,存在一定的侧偏角 。这时轮胎路面就会产生一个侧滑摩擦力 。通常 并不作用在包含车轴的垂直面内，而是作用在距此垂直面为,C,的垂直面内，因此车轮上会作用一个回正力矩,C,该力矩趋向于使车轮的侧偏角减小，,C,称为轮胎拖距。,5,上图为 和 的关系曲线图。由图可知，在 范围内，和 之间是近似直线关系的，因此有：=,式中：,侧滑摩擦力比系数；,整车的侧滑摩擦力是四个车轮侧滑摩擦力合力在Z轴上的投影。它是、的函数，实践证明，在小角度范围内，可近似认为它们之间存在线性关系。因此整车的侧滑摩擦力 可表示为：,式中,：,。,由于 往往不通过汽车重心，故此，会在汽车重心处绕Y轴产生一个侧摩擦力矩 ,同理，可将 表示为：,式中：=；,；,；,；,6,1.2,汽车运动稳态方程,改变汽车运动状态的输入量（或称,“,干扰,”,）主要有三个，即：转向盘的角位移输入或力矩输入（前轮转角），空气动力作用（侧向风）和路面不平度对汽车的作用。,由输入引起的汽车运动状况可分为不随时间而变化的稳态与随时间变化的的瞬态两种。相应的汽车响应称为稳态响应和瞬态响应。,在讨论汽车方向稳定性的问题时，一般假设汽车的横摆是稳态的，即汽车的速度和运动轨迹保持恒定，不随时间变化。另外仅考虑汽车在平行于地面的平面内运动，忽略悬挂质量的侧倾运动和纵倾运动，因为这两种运动会引起汽车左右和前后车轮载荷的变化，从而导致车轮侧滑摩擦力的变化。因侧可以将汽车左右俩轮合并成一个轮来考虑。汽车稳态方程就是在此前提下讨论。,1.2.1,纵向运动,理想状态下，其平衡方程为：,式中：汽车驱动力；,气动阻力；滚动阻力,7,1.2.2,侧滑运动,汽车横摆角为,，前轮转向角为，并作用有气动侧力 滑动摩擦力矩,及侧滑摩擦力 作用下，若不考虑驾驶员修正，自由状态下的汽车必然会曲线运动，汽车会产生一个惯性离心力。当汽车处于稳态时，这些力都应处于平衡状态，故可得出 轴向的力的平衡方程,：,1.2.3,横摆运动,绕 轴的力矩平衡方程为,：,式中：,汽车绕 轴的惯性矩；汽车绕 轴的转动角速度；汽车的总质量。,由于是稳态过程，所以,，,且考虑很小时的情形，近似认为,并将以上有关式中代入可得平衡方程的另一种形式：,8,1.3,汽车直线高速运动的临界速度,汽车临界速度,是一个极限概念，它是指汽车作直线运动时，在这个速度行驶下，任意小的外界干扰都可使汽车失稳。,从理论上说，影响失稳的原因可归结为两个：一是任意小的风；二是任意小的前轮转角。,（1）,汽车上的作用有任意的侧风 ,而前轮转角 =0。,当存在侧风 时，会使来流速度转向，其转向角称为风向角 在很小时，可近似认为 转向后的来流速度值可认为不变，但方向与汽车的纵对称面之间的夹角为 +，经过公式推到最后可得汽车的临界速度 为：,=,（2,）,汽车上作用有任意小的前轮转角 ，而侧风 =0。,由于 =0，因而 =0，则汽车横摆运动稳态方程即为：,9,则汽车横摆运动稳态方程即为：,联立解上两个方程得：,以上两式的分母是相同的，当分母 0 时,，,0，0 时，意味着无论 多么小，均可使汽车失稳，此时汽车速度即为临界速度，以 表示，即：,10,由以上的分析可知，无论使汽车失稳的外在原因是什么，最终的临界速度都是一样的。,1.4,气动力对汽车转向特性的影响,当直线行驶的汽车给以前轮转角且维持前轮转角不变时，一般汽车经过短暂时间后，将进入等速圆周形式的稳态运动。这种稳态响应是评价汽车高速行驶稳定性的一个重要指标，一般称为汽车的,“,稳态转向特性,”,。汽车的稳态转向特性通常分为：不足转向、中性转向、过度转向三种。,设汽车的前后轮的侧向摩擦力分别为 和 ，前后轮的侧偏角分别为 和 ，汽车轴距为 ，质点 到前后轮的距离分别为 和 ，气动侧力作用点 到质心和前轮的距离分别为 和 ，车速为 ，横摆角速度为 ，横摆转角为 ，前轮转弯半径为 ，前轮转角为 。,则汽车的前后轮的侧向摩擦力和气动力可分别表示为：,；,式中：，,汽车前后轮的侧偏刚度系数，均为负值；,气动侧力常数。,11,汽车 方向的的力平衡方程和 轴的力矩平衡方程为：,；,由几何关系可得：,；,有以上相关等式联立可得,：,由于考虑,很小的情况，故,联立以上两个方程得：,式中：,12,A,汽车的稳定因数；汽车稳态横摆角速度增益。,和 随速度的变化规律主要取决于,A值，由以上式子可知，当不计气动侧力时，A为一常数；当计气动力时，A就不为常数了，而随v的变化。假设以,表示A的变化值，A表示计及气动侧力的稳定因数，A,表示不计气动侧力的稳定性因数，则：,由于 ，均为负值，上式的分母总大于零，故 的正负取决于分子的正负。当 =时，则取决于重心位置和气动力作用点的位置，此外还与速度有关。当 =0 时的速度被称为转折速度，以 表示，即：,13,教材就不同A,的值的情况下，分别在A,=0，A,0，A,0的三种情形下进行了讨论，由于时间有限，这部分内容可参考教材。,但该部分讨论的结论如下：汽车在高速行驶时，气动力会影响原车的转向特性，而且这种影响与汽车质心和风压中心的相对位置有关。因而在汽车开发设计时，就应当使风压中心位于汽车质心稍后之处，这样有利于汽车趋于不足转向。,1.5,讨论侧倾影响的稳态运动特性,当汽车作转弯运动时，尤其是在转弯半径较小时，汽车都存在较大的侧倾运动。同时由于侧向气动力的存在，亦会产生侧倾力矩，其作用不可忽略。以下就无风和恒定风两种情况，讨论汽车在作转弯运动时及侧倾影响的稳态运动特性。,一，无风情况,当汽车做转弯运动或存在侧向气动力时，汽车的悬挂质量就会绕侧倾轴转动而产生横向位移和侧倾力矩。这些侧倾力矩会造成两侧车轮上垂直载荷的变化，这种变化必然是一边车轮的载荷增加，另一边车轮的载荷减少，其大小相等、方向相反。设汽车的纵侧滑摩擦力 不变。而由于侧倾角引起的侧向气动力增量应是侧倾角 的函数，即：,汽车运动稳态方程可改写为：,14,而前两侧车轮的垂直载荷的变化也会导致车轮与路面之间的摩擦力以及轮胎滚动阻力和回正力矩的变化。这些变化的综合结果，将会产生有由侧倾引起的绕侧倾轴的附加横摆力矩增量 。与车轮的垂直载荷变化有关，而垂直载荷的变化又直接与侧倾角 有关，所以 是 的函数，即：,式中：；,气动侧力作用点距前轴的距离；气动侧力作用力点距后轴的距离；、,汽车的前后轮距；轮胎自动回正力矩；汽车重心到侧倾轴的距离；,汽车重心坐标；滚动阻力；风压中心到侧倾轴的距离；汽车轴距；汽车总质量；特性常数；几何常数；导数。,这时运动稳态方程为：,和 都与 有关，而 值的大小又为绕侧倾轴的力矩平衡方程所决定，绕侧倾轴的力矩平衡方程为：,15,较小，故 ，联立以上可得：,式中：,A=；B=；G=,如前所述，令分母等于零，即：,则可得临界速度,：,以上几式可知，略去A、G等就可得不计侧倾影响的稳态特性时的各方程,。,16,教材图4-18给出了气动影响和综合考虑气动和侧倾影响临界速度的情况。由图可得出：计及侧倾影响的临界速度比不计及侧倾影响的临界速度大，在实际研究中，为了简便起见，往往只核算不考虑悬挂质量侧倾影响的临界速度。因为不计及侧倾影响的临界速度在预测高速性能时，更趋安全。,二、,恒定风情况,所谓恒定风就是风的强度和风向相对地面是不变的。汽车转弯时，方向却相对地面发生变化。这样作用于汽车的气动力取决于气流和汽车轴线之间的相对夹角，这时汽车相对气流的实际方向是车速和风向两个合速度的方向。,设恒定风的风速为 ，车速为 ，用参照角 表示汽车转弯过程中所处的位置，风向角 可以用风速 、车速 和参照角 来表示，即：,当 =，和 垂直，但汽车可能是逆风转弯，也可能是顺风转弯，这取决于前轮转角 的符号。若 =时，要么是正面受风，要么是尾部受风。这两种情况的行驶轨迹有所不同。,假设前轮转角 =常数，转弯是匀速的，汽车转过的每一个位置都被看作是,“,稳态的，则对于汽车的每一个位置运动稳态平衡方程都是适用的。,17,教材图4-20给出了典型赛车在恒定风下的转弯特性图，由图可知：,（1）逆风转弯时，风对转弯半径的影响要比顺风转弯时小的多；,（2）逆风转弯时，转弯半径是逐渐减小的；顺风转弯时，转弯半径是逐渐增大的。,（3)流线型越好的车越容易受风的影响。,（,4,）计及侧倾影响时，逆风转弯，转弯半径是趋于减小的，约为,2%,；顺风转弯时，转弯半径是趋于增大，约为,5%,。,教材图4-21是侧风风速对转弯半径的影响，可知：,说明风速对转弯半径的影响是成正比关系的。,1.6,实际气动绕流对汽车操作稳定性的影响,由于高速公路跨越地域广、地形地物的变化大，在高速公路上形式的汽车，经常会遭遇气动绕流的影响，造成这种气流的原因有很多种，如自然风、环境风、超车、尾随等。气流扰流使气动力和气动力矩发生变化，进而引起汽车行驶特性的改变。,一、,产生气动力的原因,产生气动侧力的原因主要包括：自然风、环境侧风、汽车行驶方向与汽车纵向轴存在一个偏角等。,18,1、自然风,自然侧风是大气的运动产生的，而自然侧风又分为非稳态和稳态两种。,非稳态风是指那些大小、方向都是随机变化的，只能借助统计特征来描述其风谱特征的顺风。非稳态侧风较难研究，数据收据较难，所以一般只能通过实际道路上进行实验研究。稳态侧风是指那些可以用数学函数明确表达其风谱特征的侧风。典型的稳态侧风有：风速呈常量、阶越、线性、正弦波特性变化四种。,非稳态风引起的气动侧力的大小和方向均不稳定，这样不利于研究侧风对汽车稳定性影响的变化规律。,2、环境侧风,环境侧风是由于汽车行驶的周围环境导致的。如：穿越隧道、行经山脉隘口或峡谷、过桥墩、超车、会车以及高层建筑群的区域等。,此外，汽车在高速公路上遇到的路基和矮树丛也会影响环境侧风。,二、,稳态运动下汽车的侧风稳定性,通常把汽车偏离预定方向的侧向偏移级汽车运动的横摆角速度作为汽车侧风稳定性的评价指标。侧向偏移和横摆角速度与侧向风大小有关，还与汽车外形、质心位置、风压中心、悬架和轮胎等有关。,19,一般说来，侧向风越大，汽车侧向偏移就越大，且横摆运动越厉害。如下图,(图中纵轴表示横摆角速度,。),由上图可看出，横摆角速度随侧向风速和车速的递增关系，相比之下，车速高的对横摆角速度影响更为明显。,教材,P106,108,就典型平背式和斜背式轿车在侧向风作用时的稳态气动特性着重作了分析，另外风压中心和气动阻力系数对侧风的影响作了说明。,三、,瞬态运动下的汽车的侧风稳定性,实际中，汽车在道路中行驶中极少能够呈现稳态运动的情况，更多的是处在瞬态运动中。,在分析瞬态运动下汽车的侧风稳定时，首先需要确立瞬时力和瞬态运动的相关特性变量之间的关系。以下建立描述瞬态运动的六个自由度动态平衡方程。,20,（1）轴向的力平衡方程,式中,：,汽车质量；发动机牵引力；轮胎滚动阻力；气动阻力；,受速度变化的影响很小，近似可认为恒定的。是瞬变的。,（2）轴向的力平衡方程,式中,：,该方向上的加速度；该方向上轮胎所受的地面反力；气动升力,（3）沿 轴向的力平衡方程,式中：侧向加速度；轮胎侧滑摩擦力；气动侧力；汽车离心力,的大小只要有整车侧偏角和轮胎转向角决定，大小主要由侧偏角决定，由于整车侧偏角和轮胎转向角是瞬变的，使得 、也是瞬变的。,21,（4）绕 轴的力矩平衡方程,式中：,汽车绕 轴的惯性力矩；横摆力矩和纵倾力矩产生的,耦合力矩；汽车侧向加速度引起的力矩；,侧向气动力引起的侧倾力矩；,所有这些力矩都是瞬态的，即随时间变化的。,（5）绕 轴的力矩平衡方程,式中：,汽车绕 轴的惯性矩；,侧倾力矩和纵倾力矩产生的 耦合力矩。,（6）绕 轴的力矩平衡方程,式中：,汽车,绕 轴的惯性矩；,纵倾气动力矩；,22,悬挂质量的纵向惯性矩；悬挂质量的纵向惯性矩；,方向上悬挂质量质心到整车质心你的距离；,方向上风压中心到整车质心的距离。,以上六个方程构成了计算汽车对瞬态侧风反应的基础。,下图给出了几种典型汽车对阵风的横摆角速度曲线图：,由图可知，车身流线型也好，其横摆角速度受阵风的影响越大；轴长较长的汽车其横摆角速度受阵风影响比普通轿车大得多。,23,本节内容完！,24,