车辆动力学基础7.pptx

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1、例题例题l一轿车（每个）前轮胎的侧偏刚度为50176N/rad，外倾刚度为7665 N/rad。若轿车向左转弯，将使两个前轮产生正的外倾角，其大小为4。设侧偏刚度与外倾刚度均不受左、右轮载荷转移的影响，试求由外倾角引起的前轮侧偏角。第1页/共69页5）外倾时产生的回正力矩4）过大对车辆产生不良影响影响轮胎与路面影响轮胎与路面的良好接触的良好接触车辆轮胎车辆轮胎摩托车轮胎摩托车轮胎第2页/共69页 将首先建立线性二自由度车辆模型，在此基础上，将首先建立线性二自由度车辆模型，在此基础上，分析车辆的稳态响应特性、瞬态响应特性和频率响应特分析车辆的稳态响应特性、瞬态响应特性和频率响应特性。性。线性二自

2、由度车辆模型对前轮角输入的响应第3页/共69页一、线性二自由度车辆模型运动微分方程1.建模中假设 2）忽略悬架的作用；车身只作平行于地面的平面运动，沿）忽略悬架的作用；车身只作平行于地面的平面运动，沿 z 轴的轴的位移、绕位移、绕 y 轴的俯仰角和绕轴的俯仰角和绕 x 轴的侧倾角均为零，且轴的侧倾角均为零，且 ；3）车辆前进速度不变。）车辆前进速度不变。思考：车辆坐标系中思考：车辆坐标系中，车辆共有多少个自由度？车辆共有多少个自由度？在上述假设下，车辆被简化为只有侧向和横摆两个自由度的两轮在上述假设下，车辆被简化为只有侧向和横摆两个自由度的两轮车辆模型。车辆模型。1）忽略转向系统的影响，直接以

3、前轮转角作为输入；）忽略转向系统的影响，直接以前轮转角作为输入；假定车辆假定车辆 ay0.4g，轮胎侧偏特性处于线性范围内；不计地面切向，轮胎侧偏特性处于线性范围内；不计地面切向力力FX、外倾侧向力、外倾侧向力 、回正力矩、回正力矩 TZ、垂直载荷的变化对轮胎侧偏刚、垂直载荷的变化对轮胎侧偏刚度的影响。度的影响。第4页/共69页xy2.两轮车辆模型及车辆坐标系第5页/共69页 确定车辆质心（绝确定车辆质心（绝对）加速度在车辆坐标对）加速度在车辆坐标系的分量系的分量ax和和ay。3.运动学分析 沿沿Ox轴速度分轴速度分量的变化为量的变化为第6页/共69页上式除以上式除以t并取极限并取极限得得考虑

4、到考虑到 很小并忽略二阶微量很小并忽略二阶微量同理可得同理可得第7页/共69页考虑到考虑到角较小角较小4.二自由度车辆动力学分析第8页/共69页质心侧偏角质心侧偏角第9页/共69页由于由于 整理后得二自由整理后得二自由度车辆运动微分方度车辆运动微分方程式程式第10页/共69页代入运动微分方程式得代入运动微分方程式得1.稳态响应稳态时稳态时r为定值为定值消去消去v二、前轮角阶跃输入下车辆的稳态响应等速圆周行驶第11页/共69页称为称为稳态横摆角速度增益稳态横摆角速度增益，也称，也称转向灵敏度转向灵敏度。K稳定性因数。稳定性因数。第12页/共69页 R 与与 u 无关，车辆具有中性转向的特性。无关

5、，车辆具有中性转向的特性。1）中性转向当当 K=0 时，由时，由2.稳态响应的三种类型第13页/共69页LR0uO 当车辆低速转向时，离当车辆低速转向时，离心力很小，心力很小，FY1和和FY2也很小。也很小。中性转向车辆的转向中性转向车辆的转向半径半径R等于车辆以极低车等于车辆以极低车速转向（忽略侧偏角）速转向（忽略侧偏角）时的转向半径时的转向半径R0。第14页/共69页由于由于 K0，所以，所以RR0且且 u R 车辆具有不足转向特性车辆具有不足转向特性 横摆角速度增益为与轴距横摆角速度增益为与轴距L相相等的中性转向车辆横摆角速度增等的中性转向车辆横摆角速度增益的一半。益的一半。称为特征车速

6、。当不足转向称为特征车速。当不足转向量增加时，量增加时，K 增大，特征车速降低。增大，特征车速降低。2）不足转向当当 K0 时，由时，由横摆角速度增益比中性转向时要小。横摆角速度增益比中性转向时要小。第15页/共69页横摆角速度增益横摆角速度增益 比中性转向时要大。比中性转向时要大。由由R 0由于由于 k10,k20，不足转向，不足转向K=0，中性转向，中性转向K0，R/R01，车辆具有不足转向特点；，车辆具有不足转向特点；K0，R/R01，车辆具有过多转向特点。，车辆具有过多转向特点。2）转向半径的比R/R0已知已知第24页/共69页转向半径的比值转向半径的比值R/R0曲线曲线第25页/共6

7、9页转向半径的比值转向半径的比值 R/R0 曲线与稳定性因数曲线与稳定性因数K值曲线值曲线第26页/共69页第27页/共69页静态储备系数静态储备系数 S.M.：中性转向点到前轮的距离：中性转向点到前轮的距离 与车与车辆质心到前轴距离辆质心到前轴距离 a 之差与轴距之差与轴距L之比。之比。中性转向点中性转向点：使车辆前、后轮产生相等侧偏角的侧向力：使车辆前、后轮产生相等侧偏角的侧向力作用点。作用点。3）用静态储备系数S.M.来表征车辆稳态响应第28页/共69页中性转向中性转向不足转向不足转向过多转向过多转向中性转向点中性转向点车辆质心车辆质心第29页/共69页车辆操纵稳定性与悬架的关系 将学习

8、弹性侧偏角、将学习弹性侧偏角、侧倾转向角和变形转向角等基侧倾转向角和变形转向角等基本概念，分析不同悬架及参数对车辆操纵稳定性的影响，本概念，分析不同悬架及参数对车辆操纵稳定性的影响，了解改善车辆操纵稳定性的方法。了解改善车辆操纵稳定性的方法。第30页/共69页 1）前、后轴左、右两侧车轮的垂直载荷要发生变化；前、后轴左、右两侧车轮的垂直载荷要发生变化；2）车轮有外倾角，由于悬架导向杆系的运动及变形，外倾角将随车轮有外倾角，由于悬架导向杆系的运动及变形，外倾角将随之变化；之变化；3）车轮上有切向反作用力；车轮上有切向反作用力；4）车身侧倾时悬架变形，悬架导向杆系和转向杆系将产生相应运车身侧倾时悬

9、架变形，悬架导向杆系和转向杆系将产生相应运动及变形。动及变形。综上，车辆侧偏角还应该包括以下三个部分：综上，车辆侧偏角还应该包括以下三个部分：1）弹性侧偏角（）弹性侧偏角（FZ变化和变化和的变化的变化引起的侧偏角引起的侧偏角的变化）；的变化）；2）侧倾转向角（车厢侧倾而导致前后轮转角的变化）；）侧倾转向角（车厢侧倾而导致前后轮转角的变化）；3）变形转向角（悬架导向杆系变形引起的车轮转角的变化）。）变形转向角（悬架导向杆系变形引起的车轮转角的变化）。线性二自由度车辆模型对车辆进行了较多简化，车辆行驶过程中，还应线性二自由度车辆模型对车辆进行了较多简化，车辆行驶过程中，还应考虑以下因素对轮胎侧偏角

10、的影响。考虑以下因素对轮胎侧偏角的影响。第31页/共69页侧倾轴线是侧倾中心的连线。侧倾轴线是侧倾中心的连线。1）侧倾轴线侧倾轴线：车厢相对于地面转动时的瞬时轴线；：车厢相对于地面转动时的瞬时轴线；2）侧倾中心侧倾中心：侧倾轴线通过前、后轴处横断面上的瞬时转：侧倾轴线通过前、后轴处横断面上的瞬时转动中心；其位置由悬架导向机构决定，常用图解法确定。动中心；其位置由悬架导向机构决定，常用图解法确定。一、车厢侧倾1.车厢侧倾轴线车厢侧倾轴线想一想：先确定侧倾轴线再确定侧倾中心想一想：先确定侧倾轴线再确定侧倾中心，还是先还是先确定侧倾中心再确定侧倾轴线？确定侧倾中心再确定侧倾轴线？第32页/共69页1

11、234O24O13 假定车厢不动，地面和车轮相对车厢转动；假定车厢不动，地面和车轮相对车厢转动；假定车轮与地面间无相对滑动；假定车轮与地面间无相对滑动；对四连杆机构会用到三心定理。对四连杆机构会用到三心定理。确定侧倾中心时确定侧倾中心时 四连杆机构中相四连杆机构中相对两杆的相对运动瞬对两杆的相对运动瞬心是相邻两杆延长线心是相邻两杆延长线的交点。的交点。第33页/共69页Om1）单横臂独立悬架车厢的侧倾中心第34页/共69页DGOlOrOm2）双横臂独立悬架的侧倾中心第35页/共69页双横臂独立悬架的等效单横臂悬架双横臂独立悬架的等效单横臂悬架第36页/共69页定义：车厢定义：车厢侧倾时，单位车

12、厢转角下，悬架系统给车厢侧倾时，单位车厢转角下，悬架系统给车厢总的弹性恢复力偶矩：总的弹性恢复力偶矩：1）悬架的线刚度定义：定义：车轮保持在地面上而车厢作垂直运动时，单位车车轮保持在地面上而车厢作垂直运动时，单位车厢位移下，悬架系统给车厢的总弹性恢复力：厢位移下，悬架系统给车厢的总弹性恢复力：2.悬架的侧倾角刚度第37页/共69页（1）非独立悬架（2）独立悬架恢复力恢复力弹性元件弹性元件导向杆系约束反力导向杆系约束反力第38页/共69页mn第39页/共69页用虚位移原理确定悬架侧倾角刚度用虚位移原理确定悬架侧倾角刚度mnssst第40页/共69页用虚位移原理确定悬架侧倾角刚度用虚位移原理确定悬

13、架侧倾角刚度mn第41页/共69页2）悬架的侧倾角刚度第42页/共69页 r大，水平晃动大，大，水平晃动大，乘客不稳定，无安全感。乘客不稳定，无安全感。r小，小，地面不平时有冲击感。地面不平时有冲击感。4.车厢侧倾角及侧倾力矩操纵稳定性操纵稳定性平顺性平顺性 侧倾角改变了外倾角侧倾角改变了外倾角；侧倾角改变了内外车轮的垂侧倾角改变了内外车轮的垂直载荷直载荷FZ，从而改变侧偏角，从而改变侧偏角。在确定悬架总侧倾角刚度在确定悬架总侧倾角刚度 时，要时，要综合考虑对操纵稳定性和平顺性的影响。综合考虑对操纵稳定性和平顺性的影响。r第43页/共69页1）悬挂质量的离心力引起的侧倾力矩Mr第44页/共69

14、页2）侧倾后悬挂质量重力引起的侧倾力矩Mr第45页/共69页3）独立悬架中非悬挂质量的离心力引起的侧倾力矩Mr第46页/共69页 悬架总侧倾刚度等于悬架总侧倾刚度等于 前、前、后悬架及横向稳定杆的侧倾角后悬架及横向稳定杆的侧倾角刚度之和。刚度之和。第47页/共69页二、侧倾时垂直载荷在左右轮上的重新分配及其对稳态响应的影响1.侧倾时垂直载荷在左右轮上的重新分配 工字形车架代表车厢，悬工字形车架代表车厢，悬挂质量为挂质量为Ms。工字形车架分别通过前、工字形车架分别通过前、后悬架的侧倾中心后悬架的侧倾中心m01和和m02 与前后轴相铰接，同时又通过与前后轴相铰接，同时又通过前后悬架的弹性元件分别与

15、前、前后悬架的弹性元件分别与前、后轴相连接。后轴相连接。第48页/共69页第49页/共69页第50页/共69页第51页/共69页车身不侧倾时车身不侧倾时车身侧倾后车身侧倾后2.左右轮垂直载荷再分配时轮胎的侧偏刚度 当车身侧倾严重时当车身侧倾严重时，是增大还是减小？是增大还是减小？第52页/共69页车辆趋于增加不足转向车辆趋于增加不足转向车辆趋于减少不足转向车辆趋于减少不足转向用以上结论分析，如何通过改变前后轴左、右侧车轮垂用以上结论分析，如何通过改变前后轴左、右侧车轮垂直载荷的变化量来提高车辆的不足转向量？横向稳定杆直载荷的变化量来提高车辆的不足转向量？横向稳定杆用在前后悬架对车辆稳态响应特性

16、所起到的作用是否相用在前后悬架对车辆稳态响应特性所起到的作用是否相同？为什么？同？为什么？思考思考第53页/共69页FY不变不变沿沿FY侧倾侧倾FY-+-减小减小增大增大三、侧倾外倾侧倾时车轮外倾角的变化 侧倾时侧倾时的变的变化有三种可能化有三种可能沿沿FY相反相反方向侧倾方向侧倾第54页/共69页 地面转过地面转过r确定车确定车轮相对于车厢外倾角轮相对于车厢外倾角 。地面回到水平位置地面回到水平位置确定车厢相对于地面产确定车厢相对于地面产生侧倾角生侧倾角r时，轮胎外时，轮胎外倾角倾角 。车轮外倾角车轮外倾角的确定的确定第55页/共69页车厢侧倾时不同形式悬架所引起的车厢侧倾时不同形式悬架所引

17、起的车轮外倾角的车轮外倾角的变化变化 非独立悬架车身侧倾时，前轮外倾角不变。非独立悬架车身侧倾时，前轮外倾角不变。第56页/共69页车厢侧倾时不同形式悬架所引起的车厢侧倾时不同形式悬架所引起的车轮外倾角的车轮外倾角的变化变化 双横臂悬架前轮外倾角与地面侧向力方向相双横臂悬架前轮外倾角与地面侧向力方向相反，反，有增大侧偏角（绝对值）的作用。有增大侧偏角（绝对值）的作用。第57页/共69页车厢侧倾时不同形式悬架所引起的车厢侧倾时不同形式悬架所引起的车轮外倾角的车轮外倾角的变化变化 单纵臂悬架前轮外倾角与地面侧向力方向相反。单纵臂悬架前轮外倾角与地面侧向力方向相反。第58页/共69页车厢侧倾时不同形

18、式悬架所引起的车厢侧倾时不同形式悬架所引起的车轮外倾角的车轮外倾角的变化变化 单横臂悬架前轮外倾角与地面侧向力方向相同（或相反）。单横臂悬架前轮外倾角与地面侧向力方向相同（或相反）。第59页/共69页 侧倾外倾系数。侧倾外倾系数。车厢侧倾所引起的车轮外倾角的变化可由下式计算车厢侧倾所引起的车轮外倾角的变化可由下式计算第60页/共69页四、侧倾转向 车厢侧倾所引起的前转向轮绕主销的转动、后轮绕垂直车厢侧倾所引起的前转向轮绕主销的转动、后轮绕垂直于地面轴线的转动，即车轮转角的变动，称为侧倾转向。于地面轴线的转动，即车轮转角的变动，称为侧倾转向。侧倾转向系数。侧倾转向系数。车轮的侧倾转向角与车厢侧倾

19、角的关系可以用下式表示车轮的侧倾转向角与车厢侧倾角的关系可以用下式表示第61页/共69页后悬架的侧倾转向对稳态转向特性的影响后悬架的侧倾转向对稳态转向特性的影响第62页/共69页第63页/共69页五、变形转向悬架导向装置变形引起的车轮转向角 悬架导向杆系各元件在各种力、力矩作用下发生的悬架导向杆系各元件在各种力、力矩作用下发生的变形，引起车轮绕主销或垂直于地面轴线的转动，称为变形，引起车轮绕主销或垂直于地面轴线的转动，称为变形转向，其转角叫做变形转向角。变形转向，其转角叫做变形转向角。变形转向可以使车辆具有恰当的不足转向。变形转向可以使车辆具有恰当的不足转向。变形转向角；变形转向角；侧向力变形

20、转向系数。侧向力变形转向系数。估算侧向力变形转向角估算侧向力变形转向角第64页/共69页第65页/共69页第66页/共69页回正力矩变形转向角回正力矩变形转向角a 在回正力矩作用下，悬架和车轮有扭转变形，前、在回正力矩作用下，悬架和车轮有扭转变形，前、后轴车轮均发生回正力矩变形转向角后轴车轮均发生回正力矩变形转向角a。回正力矩变形转向系数；回正力矩变形转向系数；回正力矩系数。回正力矩系数。回正力矩变形转向角回正力矩变形转向角a第67页/共69页回正力矩引起的变形转向角回正力矩引起的变形转向角 前轴趋于增加不足转向；后轴趋于减少不足转向。前轴趋于增加不足转向；后轴趋于减少不足转向。第68页/共69页感谢您的观看。感谢您的观看。第69页/共69页