第3章工程分析方法与KC试验台

汽车操纵稳定性工程分析方法•参考资料：•1、蔡世芳汽车操纵稳定性评价指标和参数匹配的工程分析方法•2、汽车理论第二版P154-160汽车操纵稳定性工程分析方法•1、数学模型：•为了简化数学模型并保证足够的工程分析精度，这里利用多自由度系统的一种近似解法即缩减自由度法，把多自由度模型缩减为只有和的二自由度模型、其方法是忽略和以外其它自由度的惯性和阻尼而计及它们运动的静态耦合效应。•只要把简单的二自由度模型中的轮胎侧偏刚度换以综合了各种侧偏效应的车轮当量侧偏刚度，就可变成缩减的二自由度数学模型。•即=irr汽车操纵稳定性工程分析方法假设：•汽车垂直位移和俯仰，侧倾惯性质量及其阻尼，转向系惯性质量及其阻尼均为零。•内、外轮转向角和侧偏角相等•行驶车速不变，忽略轮胎切向力和空气动力的作用。•汽车操纵稳定性工程分析方法•线性二自由度汽车模型的运动微分方程rZrrrIakkbkaubkakuvmkbkakukk122122112121)(1)()()(1)(汽车操纵稳定性工程分析方法评价指标•反映系统固有特性的参量：横摆振动固有频率，相对阻尼系数和系统的时间常数Tz。•反映稳态特性的参量：不足转向量1－2，转向灵敏度和汽车重心侧偏角。•时域反映横摆运动瞬态响应的参量：峰值反应时间和横摆角速度超调量。•频域反映横摆运动瞬态响应的参量：固有频率，幅值比和相位差。•综合参量：汽车因素TB，TB必须在同一工况下得出，通常V＝31．3m／s，a，＝0．4g。汽车操纵稳定性工程分析方法•侧偏柔度（corneringcompliance）这个概念来表明线性范围内汽车前、后轮侧偏角的大小。侧偏柔度是根据小侧向加速度时汽车零部件的线性特性外推到侧向加速度为一个g时的侧偏角，其单位为（°）／g，以符号D表示。用侧偏柔度D代替侧偏刚度K汽车操纵稳定性工程分析方法侧偏柔度由下列各项构成：1．侧向力引起的轮胎弹性侧偏角（单位为（o）／g）Da=57.3G/k,G前轴或后轴的重量（N），k为前轴或后轴的总侧偏刚度(取绝对值）。汽车操纵稳定性工程分析方法2.外倾引起的侧偏角:：侧倾外倾系数：侧向加速度一个g时的外倾角gkkDbg汽车操纵稳定性工程分析方法3.侧向力变形外倾引起的侧偏角：侧向力变形外倾系数(1000N)kFGDysc1000yF汽车操纵稳定性工程分析方法4.轮胎回正力矩引起前、后轮侧偏力的变化而产生的侧偏角DdE:回正力矩系数(Nm/rad))()(1122211bkEDbkEDDdad轮胎回正力矩引起前、后轮侧偏力的变化而产生的侧偏角Dd•e1和e2是轮胎拖距；•1＝57.3G(b+e2)/(k1L)=57.3Gb(1+e2/b)/(k1l)2=57.3G(a-e1)/(k2L)=57.3Ga(1-e1/a)/(k2L)mgFy1’Fy2’e1e2aba-e1b+e2L•外推到一个g时的回正力矩为：•E为回正力矩系数，所以轮胎拖距•所以kEkDaEDae＝3.57EDazT)1()1(3.57)1()1(3.5711111222212211akEDakElkGabkEDbkElkGbaa＝回正力矩使前轮增加，后轮减少侧偏角Dd(单位°/g))()(11122211akEDDbkEDDadad汽车操纵稳定性工程分析方法5.侧倾转向引起的车轮转向角6.侧向力变形转向引起的车轮转向角7.回正力矩变形转向引起的车轮转向角geDysfFGD1000TGTDeizg100)(汽车操纵稳定性工程分析方法•前后侧偏柔度为：•D1＝Da1+Db1+Dc1+Dd1+De1+Df1+Dg1•D2＝Da2+Db2+Dc2+Dd2+De2+Df2+Dg2具体例子汽车操纵稳定性工程分析方法小轿车结构参数统计值•侧倾转向系数deg/deg：0.1－0.25•侧倾外倾系数deg/deg：0.6－1.1•前侧向力变形转向系数deg/N:（2.75－4.71）×10－6•后侧向力变形转向系数(deg/N):(-1.57－1.18）×10－6•前侧向力外倾系数(rad/N)：（3.318-9.806）×10－6•后侧向力外倾系数(rad/N)：（11.76-4.31）×10－6•回正力矩变形转向系数(rad/Nm)：（0-0.516）×10－4•轮胎拖距：L/6=0.028-0.04汽车操纵稳定性工程分析方法•不足转向量：U＝D1－D2•稳定性因数K＝U/(57.3gL)项目DaDbDcDdDeDfDg∑DU2人，带束斜交胎前7.31.40.30.2-0.30.01.610.54.4后6.20.00.2-0.2-0.40.10.26.1满载带束斜交胎前7.41.70.30.2-1.20.01.910.35.2后6.80.00.4-0.2-2.30.10.35.12人，带束斜交胎前新后磨前7.31.40.30.2-0.30.01.610.55.0后5.60.00.2-0.2-0.40.10.25.52人，前子午胎，后带束前4.70.20.00.1-0.30.01.36.0-0.1后6.20.00.2-0.2-0.40.10.26.12人不同子午胎前5.50.40.10.1-0.30.01.57.33.1后4.40.00.0-0.1-0.40.10.24.2满载前子午后带束前4.60.30.10.1-1.10.01.15.1-2.1后8.80.00.4-0.2-2.30.10.47.2典型轻型货车前5.90.2-0.81.01.01.09.95.3后7.50.0---1.4-1.5004.6轮胎外倾侧向力回正力矩侧倾侧向力回正力矩变形外倾转向变形转向变形汽车操纵稳定性工程分析方法汽车操纵稳定性工程分析方法汽车操纵稳定性工程分析方法•3.阻尼比汽车操纵稳定性工程分析方法反应时间是达到稳态值的时间汽车操纵稳定性工程分析方法•分析方法的精度：Bj212空载V＝100Km/h干路面ay=0.2g•Tp(s)四自由度0.6工程分析方法：0.53相对误差：11.7%汽车操纵稳定性工程分析方法分析方法的精度：红旗CA770的试验(脉冲试验）与计算，对比不同轮胎匹配：汽车操纵稳定性工程分析方法BENZ载重车G＝86700N,L＝4.2m转向系速比I=22.7，重心位置前42％,后58％；v=20m/s,ay=3m/s^2轮胎配套试验结果：汽车操纵稳定性工程分析方法参数匹配规律结论：1、轴距L，转动惯量I在可能范围内不会有明显的影响。例如：某小汽车：l=2.5m,b=1.26m,I=14,D2=4,k=4.如果L和I增加、减少10％，评价指标变化不超过4～6％汽车操纵稳定性工程分析方法参数匹配规律结论：2、后轮侧偏柔度D2是影响汽车操纵稳定性最重要的参数，必须尽量降低D2。汽车操纵稳定性工程分析方法结论：3、不足转向量U04、U=0.4-0.6|Dr|现代小汽车统计值：U＝1.5°~4°D2=3.5°~7°这里K=U汽车操纵稳定性工程分析方法•5、提高轮胎侧偏刚度是降低Dr的最重要途径：近30年轮胎侧偏刚度迅速提高；80年代轮胎与50年代相比，提高3倍。•6、U的获取：•重心位置：•利用后轮侧倾外倾、侧倾转向（利用后轮比前轮好）•转向轮回正侧偏柔度不是主要调节因素汽车操纵稳定性工程分析方法•利用后轮侧倾外倾和侧倾转向比利用前轮有效得多（例如，L=2.5m,b=1.256m)Df=-10;Dr=-6Df=-12,Dr=-6Df=-10,Dr=-4TB(s.deg)0.950.860.42TB相对变化率9．5％56％卡车稳态转向特性中型卡车的转向特性•对EQ140汽车如何加大其不足转向量，使其不发生过多转向？1、改变后前轴荷比，（即a/b重心位置）工况ay1-2d(1-2)/daya/b=2.950.2g0.41-0.58a/b=2.950.3g0.17-4.34a/b=2.30.2g1.02.72a/b=2.30.3g1.13-0.33中型卡车的转向特性2、改变后前角刚度的比值后前角刚度比6.3后前角刚度比3.11-2d(1-2)/day1-2d(1-2)/dayay=0.2g0.41-0.580.43-0.18ay=0.4g-0.56-11.17-0.27-7.31中型卡车的转向特性•前轮回正与转向系刚度工况ay1-2d(1-2)/dayKs=585Nm/day0.2g0.41-0.580.3g0.17-4.34Ks=427Nm/day0.2g0.61-0.060.3g0.4-4.32中型卡车的转向特性•前轴侧倾转向：•对垂直干涉量的要求：无标准。•法国雷诺公司要求：上下跳动100mm时，转向球头因运动干涉水平方向运动不大于5mm;日本丰田公司要求上下垂直跳动40mm,水平干涉运动小于4mm各车左右侧倾转向中型卡车的转向特性•后轴轴转向结构参数改变的稳态转向特性中型卡车的转向特性•EQ140汽车的改进方案：•1、前加横向稳定杆，直径30•2、纵拉杆下降25mm•3、转向节臂与前轴的夹角11度改为0中型卡车的转向特性车型头型载重（Kg)轮胎侧偏角之差前轮回正13前轴侧倾转向12后轴轴转向22前后轴侧偏角之差BenZ913平55000.351.35-0.20.41.1Mazda平30000.60.70.1-0.21.6IsuzuTD72长85000.31.20.40.31.6Ford600长50000.11.00.101.2CA10B长4000-0.20.81.40.31.6EQ140长5000-0.20.70.10.40.2改进后的EQ140稳态转向特性三、汽车整车力学参数试验台简介•目前世界上有：美国、德国、日本拥有汽车力学参数试验台。•日本商品化的价格为160万美元•美国通用公司的试验台有200多种汽车进行了试验。三、汽车整车力学参数试验台简介一、测量项目：•1、汽车轴荷及重心•2、重心高度•3、汽车的垂直位移特性：垂直干涉转向，干涉外倾，悬架垂直刚度•4、侧倾特性：侧倾转向特性，侧倾外倾特性，悬架侧倾中心，悬架侧倾角刚度•5、侧向力特性：侧向力性转向特性，侧向力性外倾特性。汽车整车力学参数试验台简介•一、测量项目•6、回正力矩性转向特性•7、侧倾、侧向力联合作用及侧倾、侧向力和回正力矩联合作用的转向外倾特性•8、制动力特性：制动转向、制动跑偏、制动点头•9、车身侧倾灵敏度•10、汽车侧翻稳定性汽车整车力学参数试验台简介•试验台全貌：•轴距可调，轮距可调•车身卡紧装置•浮台•四个台面可以举升汽车整车力学参数试验台简介•1、平台系统：行程400mm,转角10°•2、浮盘系统•3、车身夹紧系统•4、车轮角度测量系统•5、数据采集系统试验台的基本参数•名称参数范围精度侧向力15000N0.5%垂直力30000N0.5%车轮踏板(浮盘)回正力矩1000N-m0.5%垂直行程400mm0.5%侧倾角350.05轮距1.2-2.0m平台轴距1.8-4.5m转向角100.05外倾角100.05车轮传感器车轮侧向偏移25mm0.2%卡紧装置卡紧装置卡紧装置试验过程浮盘结构浮台结构车轮角度测量系统车轮角度测量原理车轮角度测量传感器重心位置的测量•1、x,y方向的测量，测量四个车轮浮台的力。•2、平台旋转一角度•试证明：（参看图）•hg=(Fl-FR)*B/2/(w*sin)－Y/tg垂直干涉转向•悬架的垂直刚度(如何作试验）•在零点附近作直线拟合,预先要消除间隙。S（mm)转角0侧倾中心的测量侧倾中心的测量•假定：侧倾中心不变•问题：如何处理数据？•用园的方程来拟合侧倾刚度的测量侧倾角刚度的测量•讨论：轮胎的刚度有影响吗？是多大？侧向力转向系数转向角的测量方法？侧倾转向系数的测量侧倾转向系数的测量曲线车身固定，车轴倾斜侧倾外倾系数一轻型客车