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1、第五章 汽车的操纵稳定性5.1 轿车(每个)前轮的侧偏刚度为-50176N/rad.外倾刚度为-7665N/rad若轿车向左转弯,将使前轮均产生正的外 倾角,其大小为4度。设侧偏刚度与外倾刚度均不受左、右轮负载转移的影响,试求由外倾角引起的前轮侧偏 角。解:有外倾角时候的地而侧向反作用力为FY=ka +辭(其中k为侧偏刚度,k为外倾刚度,丫为外倾角)于是,有外倾角引起的前轮侧偏角的大小为:代入数据,解得a, =0.611 rad,期外由分析知正的外倾角应该产生负的侧偏角,所以由外倾角引起的前轮侧偏角为-0.611 rado5.2 6450N轻型客车在试验中发现过多转向和中性转向现象,工程师们在
2、悬架上加装横向稳左杆以提高前悬架的侧倾 角刚度,结果汽车的转向特性变为不足转向。试分析英理论依据(要求有必要的公式和曲线)。答:由课本P138-140的分析知,汽车稳态行驶时,车厢侧倾角决左于侧倾力矩M枷和悬架总的角刚度工K軒,即 0广。前、后悬架作用于车厢的恢复力矩增加:% =00, T 沁=匕其中K歸,K卯2分别为前、后悬架的侧倾角刚度,悬架总的角刚度工K”为前、后悬架及横向稳立杆的侧倾角刚度之和。由以上的分析易知,当增加横向稳立杆后汽车前悬架的侧倾角刚度增大,后悬架侧倾角刚度不变,所以前悬架作 用 于车厢的恢复力矩增加(总侧倾力矩不变),由此汽车前轴左、右车轮载荷变化量就较大。由课本图5
3、-46知在这种 情况 下,如果左右车轮轮胎的侧偏刚度在非线性区,则汽车趋于增加不足转向量。5.3汽车的稳态响应有哪几种类型?表征稳态响应的具体参数有哪些?它们彼此之间的关系如何?答:汽车的稳态响应有三种类型,即中性转向、不足转向和过多转向。表征稳态响应的参数有稳定性因数,前、后轮的侧偏角角绝对值之差(Vz,-a2),转向半径的比WRV),静态储备系 数SM等。它们之间的彼此关系为:二丄(-%)(为侧向加速度的绝对值);=1 4- Kir :&S.M.二-(kt,灼分别为汽车前、后轮的侧偏刚度,为汽车质心到前轴的距禽,L为前、后轴之间的距k +k L25.4举出三种表示汽车稳态转向特性的方法,并
4、说明汽车重心前后位置和内、外轮负荷转移如何影响稳态转向特 性? 答:表示汽车稳态转向特性的参数有稳左性因数,前、后轮的侧偏角绝对值之差(冬-&2),转向半径的比R/R ( “争态储备系数S.M等。 讨论汽车重心位置对稳态转向特性的影响,由式(5-17)=(/为中性转向点至前轴的距离)L 匕+k、 L当中性转向点与质心位程重合时,S.M. =0,汽车为中性转向特性;当质心在中性转向点之前时,“,S.H.为正值,汽车具有不足转向特性:当质心在中性转向点之后时,aa. S.M.为负值,汽车具有过多转向特性。 汽车内、外轮负荷转移对稳态转向特性的影响 在侧向力作用下,若汽车前轴左、右车轮垂直载荷变动量
5、较大,汽车趋于增加不足转向量:若后轴左、右车轮垂直载荷变动量较大,汽车趋于减小不足转向戢。5. 5汽车转弯时车轮行驶阻力是否与直线行驶时一样? 答:不一样。汽车转弯时由于侧倾力矩的作用,左、右车轮的垂直载荷不再相等,所受阻力亦不相等。另外,车轮还 将受到地而侧向反作用力。5. 6主销内倾角和后倾角功能有何不同? 答:主销内倾角的作用,是使车轮在方向盘收到微小干扰时,前轮会在回正力矩作用下自动回正。另外,主销内倾还 可减少前轮传至转向机构上的冲击,并使转向轻便。主销后倾的作用是当汽车直线行驶偶然受外力作用而稍有偏转时,主销后倾将产生车轮转向反方向的力矩使车轮自动 回正,可保证汽车支线行驶的稳定性
6、。汽车转向轮的回正力矩来源于两个方而,一个是主销内倾角,依靠前轴轴荷,和车速无关:一个是主销后倾角,依靠 侧倾力,和车速有关:速度越髙,回正力矩就越大。5. 7横向稳上杆起什么作用?为什么有的车装在前悬架,有的装在后悬架,有的前后都装?答:横向稳左杆的主 要作 用是增加汽车的侧倾刚度,避免汽车在转向时产生过多的侧倾。另外,横向稳泄杆还有改变汽车稳态转向特性的作用,其机 理在题5. 2中有述。横向稳左安装的位垃也是由于前、后侧倾刚度的要求,以及如何调节稳态转向特性的 因素决定的。5. 8某种汽车的质心位宜、轴距和前后轮胎的型号已泄。按照二自由度操纵稳泄性模型,其稳态转向特性为过多转向, 试找出五
7、种改善其特性的方法。答:增加主销内倾角:增大主销后倾角;在汽车前悬架加装横向稳宦杆:使汽车前朿具有在压缩行程减小, 复原行程增大的特性:使后悬架的侧倾转向具有趋于不足转向的特性。5. 9汽车空载和满载是否具有相同的操纵稳定性?答:不具有相同的操纵稳立。因为汽车空载和满载时汽车的总质量、质心位置会发生变化,这些将会影响汽车的 稳 建性因数、轮胎侧偏刚度、汽车侧倾刚度等操纵稳定性参数。5. 10试用有关公式说明汽车质心位置对主要描述和评价汽车操纵稳定性、稳态响应指标的影响。答:以静态储备系数为例说明汽车质心位巻对稳态响应指标的影响:=(広二厶,为中性转向点至前轴的距离)L +k2 Lkx +k2当
8、中性转向点与质心位置重合时,S.M. =0,汽车为中性转向特性;当质心在中性转向点之前时,S.H.为正值,汽车具有不足转向特性:当质心在中性转向点之后时,aa, S.M.为负值,汽车具有过多转向特性。5. 11二自由度轿车模型的有关参数如下:总质量m=1818.2kg绕Oz轴转动惯戢Iz = 3885 kg亦轴距质心至前轴距离 质心至后轴距离 前轮总侧偏刚度 后轮总侧偏刚度 转向系总传动比 试求:1)稳定性因数KL=3 048m a= 1.463m b= 1.585m k=- 62618N/rad k2=- 110185N/rad i=20特征车速Ikho2)稳态横摆角速度增益曲线乞-叫、车速
9、u=22.35m/s时的转向灵敏度3)53)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冬-冬与转弯半径的比值R/R0(Ro=15m)o4)车速u=30.56nVs时,瞬态响应的横摆角速度波动的固有(圆)频率他、阻尼比反应时间与峰值反应时间注意:2)所求的转向灵敏度仝中的Q卅是指转向盘转角,徐以转向系传动比才是车轮转角。解:1) 稳定性因数存丄 21 竺上竺_ a 匸 0.0024M, ls kJ 3.04821 110185 62618 丿K1特征车速 U/ = y/TTK = 20.6m/ s = 748knVhe/l2)稳态横摆甬速度增八线肖,-叫如下图所示:车
10、速u=22.35nVs时的转向灵敏度工=3.3690 /20=0.1686:4凶f.址 LdtLmtft Lc;ljLet)hweMiklk-nnn?4不足無问汕JO60 uch ea1ED內在的更為桶播勻逋震疋壬卤挣3)态储备系数S.M.=arctan反应时间了 =Lkr= 0.181karc tan+ r = 0.3899$峰值反应时间 =一 = 0.1576 , L k +k L x2匕 =0 - 4g时前、后轮侧偏角绝对值之差 a, 一a. = K a L = 0.0024x0.4八 x3.048 = 0.028rad = 1.6x4)速u=30.56nVs时,瞬态响应的横摆角速度波动
11、的固有(圆)频率co =-:坐(1 + KU2) = 5.5Srad/ s= 0.8874Hz , u ml0z阻尼比一=0-5892 2 厶 J 忆他(1 + K/)5. 12稳态响应中横摆角速度增益达到最大值时的车速称为特征车速zg。证明:特征车速“m=jT7丘,且在特征车速 时的横摆角速度增益,为具有相等轴距L中性转向汽车横摆角速度增益的一半。答:特征车速指汽车稳态横摆角速度增益达到最大值时的车速,汽车稳态横摆角速度增益为:乞)二! (其中R为圆周半径)。iR连续急速行使时,由式(5-11 ): ”创+如,又C0 =/匚得u! L=3 门二 _L (1 + K“2)。所以2=i + K
12、S证毕。久0中性转向时,K二0,仏=1,鱼是一条直线:不足转向时,K0,仏1,几将随车速得增加而逐渐O.VH0增大;KC0,字V1,将随车速得增加而逐渐减小。必o5.14习题图4是滑柱连杆式独立悬架(常称为Me Pherson strut suspension)示总图。试证:1)RC.为侧倾中心。2)悬架的侧倾角刚度为K卯=2人(竺尸,式中,ks为一个弹簧的(线)刚度。n分析:计算悬架侧倾角刚度时,要利用虚位移原理进行推导。推导时注意,本題和书中的单横臂独立悬架是有 区别的,主要是本题有一个角&。证明:1) 先对左侧悬架分析。当车轮上下跳动时,CB杆绕B点转动,故AC杆的瞬心必在CB所在的直线
13、上;由于AC杆 导向机构的约束,A点的运动方向平行与AC杆自身,故AC杆的瞬心必在过A点,垂直AC的直线上。由此可得到左侧 车轮的瞬心CT点,侧倾中心就在DCT与汽车中心线的交点上,如图中所示。2)a求悬架的线刚度K,设车厢不动,汽车处于静止受力状态,作用在轮胎上的地而法向反作用力为再在轮胎上加一微元力AT., 仝为弹簧的虚位移,为车轮的虚位移,弹簧力相应增加 0,则4Q =设OD与水平而的夹角为Q ,因为O,为左侧车轮的运动瞬心,由图可知g cos a _ AJ, = Om n根据力矩平衡:AF. ncosa = AQm = ksAsgmoA r-单侧悬架的线刚度为K严=&(a)2 o込 n
14、 cos a由式(5-42)整个悬架的侧倾角刚度为:K = K(2pcQsa)2 =2 匕匸。2 /?5.17习题图5为三种前独立悬架对车轮相对车身垂直上下位移时前束变化的影响。试问图中哪一条曲线具有側倾 过多 转向效果?答:曲线1对应的前独立悬架,转弯时车厢侧倾,内侧前轮处于反弹行程,前束增加,车轮向汽车纵向中心线转动,外侧前轮处于压缩行程,前朿减小,车轮向外转动。采用这种悬架导致汽车的侧倾转向增加了不足转向虽:,具有 侧倾不足转向效果。 曲线2对应的前独立悬架,曲线较英他两种更贴近纵坐标轴,说明这种悬架的侧倾转向量很小,几乎等于零。 曲线3对应的前独立悬架,转弯时车厢侧倾,内侧前轮处于反弹行程,前束减小,车轮向汽车纵向中心线相反方 向 转动