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1、第五章 汽車的操縱穩(wěn)定性基本內(nèi)容基本內(nèi)容:汽車操縱穩(wěn)定性研究概述 輪胎的側(cè)偏特性重點(diǎn)重點(diǎn):線性二自由度汽車模型對(duì)前輪角輸入的響應(yīng)分析自學(xué)答疑自學(xué)答疑:汽車操縱穩(wěn)定性與懸架的關(guān)系 汽車操縱穩(wěn)定性與轉(zhuǎn)向角的關(guān)系 汽車操縱穩(wěn)定性與傳動(dòng)系的關(guān)系 提高操縱穩(wěn)定性的電子控制系統(tǒng) 汽車的側(cè)翻 汽車的操縱穩(wěn)定性汽車的操縱穩(wěn)定性是指在駕駛者不感到過(guò)分緊張、疲勞的條件下,汽車能遵循駕駛者通過(guò)轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向行駛,且當(dāng)遭遇外界干擾時(shí),汽車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力。 5-1 概概 述述 一、汽車操縱穩(wěn)定性包含的內(nèi)容一、汽車操縱穩(wěn)定性包含的內(nèi)容 1、在汽車操縱穩(wěn)定性的研究中,常把汽車作為一控制系統(tǒng),求出
2、汽車曲線行駛的時(shí)域響應(yīng)時(shí)域響應(yīng)與頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)特性特性,并以它們來(lái)表征汽車的操縱穩(wěn)定性能。 2、方向盤輸入有兩種形式:給方向盤作用一個(gè)角位移,稱為角位移輸入角位移輸入,簡(jiǎn)稱為角輸入角輸入;給方向盤作用一個(gè)力矩,稱為力矩輸入力矩輸入,簡(jiǎn)稱為力輸入力輸入。 3、方向盤角階躍輸入下進(jìn)入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)方向盤角階躍輸入下進(jìn)入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)及方向盤方向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng),就是表征汽車操縱穩(wěn)定性的方向盤角位移輸入下的時(shí)域響應(yīng)?;卣曰卣允且环N方向盤力輸入下的時(shí)域響應(yīng)。 橫擺角速度頻率響應(yīng)特性橫擺角速度頻率響應(yīng)特性是方向盤轉(zhuǎn)角正弦輸入下,頻率由0 時(shí),汽車橫擺角速度與方向盤轉(zhuǎn)角的振幅比
3、及相位差的變化圖形。 轉(zhuǎn)向半徑轉(zhuǎn)向半徑是評(píng)價(jià)汽車機(jī)動(dòng)靈活性的物理參量。 轉(zhuǎn)向輕便性轉(zhuǎn)向輕便性是評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤輕便程度的特性。 二、車輛坐標(biāo)系與方向盤角階躍輸入下的時(shí)域響應(yīng)二、車輛坐標(biāo)系與方向盤角階躍輸入下的時(shí)域響應(yīng) 1、汽車的運(yùn)動(dòng)是借固結(jié)于運(yùn)動(dòng)著的汽車上的動(dòng)坐標(biāo)系車輛坐標(biāo)系來(lái)描述的。圖5-1所示固結(jié)于汽車上的oxyz直角動(dòng)坐標(biāo)系就是車輛坐標(biāo)系車輛坐標(biāo)系。 XOZ處于汽車左右對(duì)稱的平面內(nèi)。當(dāng)車輛在水平路面上靜止?fàn)顟B(tài)下,x軸平行于地面指向前方。z軸通過(guò)質(zhì)心指向上方,y軸指向駕駛員的左側(cè),坐標(biāo)系的原點(diǎn)O??闪钇渑c質(zhì)心重合。與操縱穩(wěn)定性有關(guān)的主要運(yùn)動(dòng)參量為,車廂角速度在z軸上的分量橫擺角速度 等等(參
4、看圖5-1) r 2、汽車的時(shí)域響應(yīng)可分為不隨時(shí)間變化的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和隨時(shí)間變化的瞬態(tài)響應(yīng)瞬態(tài)響應(yīng)。汽車等速直線行駛是一種穩(wěn)態(tài),給汽車以方向盤角階躍輸入,一般汽車經(jīng)短暫時(shí)間后便進(jìn)入等速圓周行駛,這也是一種穩(wěn)態(tài),稱為方向盤角階躍輸方向盤角階躍輸入下進(jìn)入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)入下進(jìn)入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。 在等速直線行駛與等速圓周行駛這兩個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)之間的過(guò)渡過(guò)程便是一種瞬態(tài),相應(yīng)的瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)稱為方方向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)應(yīng)。 汽車的等速圓周行駛等速圓周行駛,即汽車方向盤角階躍輸入下進(jìn)入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。一般也稱它為汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性,汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性分為三種類型:不足轉(zhuǎn)向不足轉(zhuǎn)
5、向、中性轉(zhuǎn)向中性轉(zhuǎn)向和過(guò)多轉(zhuǎn)向。操縱穩(wěn)定性良好的汽車應(yīng)具有適度的不足轉(zhuǎn)向特性。一般汽車不應(yīng)具有過(guò)多轉(zhuǎn)向特性,也不應(yīng)具有中性轉(zhuǎn)向特性,因?yàn)橹行赞D(zhuǎn)向汽車在使用條件變動(dòng)時(shí),有可能轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)多轉(zhuǎn)向特性。 常用方向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)來(lái)表征汽車的操縱穩(wěn)定性。 圖5-3上畫出了一輛等速行駛汽車在t=0時(shí),駕駛員急速轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤至角度sw0并維持此轉(zhuǎn)角不變時(shí)的汽車瞬態(tài)響應(yīng)曲線 汽車的瞬態(tài)響應(yīng),它具有如下幾個(gè)特點(diǎn):(1)時(shí)間上的滯后(2)執(zhí)行上的誤差(3)橫擺角速度的波動(dòng)(4)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)所經(jīng)歷的時(shí)間 三、人-汽車閉路系統(tǒng) 盡管試驗(yàn)得到的人-汽車閉路系統(tǒng)的性能真實(shí)地反映了汽車的操縱穩(wěn)定性能,但是由于進(jìn)行試驗(yàn)的駕駛
6、者的操作特性起了反饋?zhàn)饔?,所以客觀性及再現(xiàn)性就不如開路系統(tǒng)汽車的時(shí)域響應(yīng)好。還應(yīng)指出,人-汽車系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性只能在已具有實(shí)際車輛的條件下通過(guò)試驗(yàn)求得,目前還不能做到通過(guò)理論分析與計(jì)算來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。所以,在產(chǎn)品開發(fā)階段,廣泛應(yīng)用的理論分析對(duì)象仍然只能是開路系統(tǒng)汽車的時(shí)域響應(yīng)。 四、汽車試驗(yàn)的兩種評(píng)價(jià)方法及時(shí)域響應(yīng)與頻率響應(yīng)特四、汽車試驗(yàn)的兩種評(píng)價(jià)方法及時(shí)域響應(yīng)與頻率響應(yīng)特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)性的評(píng)價(jià)指標(biāo) 汽車性能最后應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行測(cè)定與評(píng)價(jià)。試驗(yàn)中的性能評(píng)價(jià)有主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)兩種方法??陀^評(píng)價(jià)法客觀評(píng)價(jià)法是通過(guò)測(cè)試儀器測(cè)出表征性能的物理量如橫擺角速度、側(cè)向加速度、側(cè)傾角及轉(zhuǎn)向力等來(lái)評(píng)價(jià)操縱穩(wěn)定
7、性的方法。主觀評(píng)價(jià)法主觀評(píng)價(jià)法就是感覺評(píng)價(jià),其方法是讓試驗(yàn)評(píng)價(jià)人員,根據(jù)試驗(yàn)時(shí)自己的感覺來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià),并按規(guī)定的項(xiàng)目和評(píng)分辦法進(jìn)行評(píng)分。 此外,還有一個(gè)方向盤角階躍輸入下時(shí)域響應(yīng)的綜合性評(píng)價(jià)指標(biāo),這個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)稱為汽車因數(shù)汽車因數(shù)。 方向盤角階躍輸入下進(jìn)入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng):方向盤角階躍輸入下進(jìn)入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng): 穩(wěn)態(tài)橫擺增益曲線穩(wěn)態(tài)橫擺增益曲線 .橫擺角速度增益(又橫擺角速度增益(又稱為轉(zhuǎn)向靈敏度)稱為轉(zhuǎn)向靈敏度).穩(wěn)定性因數(shù)穩(wěn)定性因數(shù)K。方向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng):方向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng): 瞬態(tài)橫擺響應(yīng)曲線瞬態(tài)橫擺響應(yīng)曲線 .反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)時(shí)間衰減振動(dòng)圓頻率衰減振動(dòng)圓頻率 橫擺角速度頻率響應(yīng)特性:橫
8、擺角速度頻率響應(yīng)特性: 共振峰頻率共振峰頻率f ,1HZ時(shí)的相位滯后角時(shí)的相位滯后角穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性演示穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性演示 )rsau0100%rrtt或05-2 輪胎的側(cè)偏特性 側(cè)偏特性主要是側(cè)偏力、回正力矩與側(cè)偏角間的關(guān)系,它是研究汽車操縱穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。 一、輪胎的坐標(biāo)系一、輪胎的坐標(biāo)系 垂直于車輪旋轉(zhuǎn)軸線的輪胎中分平面稱為車輪平面。車輪平面與地平面的交線取為X軸,規(guī)定向前為正。Z軸與地平面垂直,規(guī)定指向上方為正。Y軸在地平面上,規(guī)定面向車輪前進(jìn)方向時(shí)指向左邊為正。圖5-5上還畫了地面作用于輪胎的力與力矩,即地面切向反作用力Fx、地面?zhèn)认蚍醋饔昧y、地面法向反作用力Fz,以及地面反作用力繞Z軸
9、的力矩回正力矩Tz等等。圖中還畫出了側(cè)偏角a與外傾角 二、輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象和側(cè)偏力二、輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象和側(cè)偏力-側(cè)偏角曲線側(cè)偏角曲線 車輪中心沿Y軸方向若作用有側(cè)向力Fy,相應(yīng)地在地面上產(chǎn)生地面?zhèn)认蚍醋饔昧y,F(xiàn)y也稱為側(cè)偏力側(cè)偏力。當(dāng)有地面?zhèn)认蚍醋饔昧r(shí),若車輪是剛性的,則可能發(fā)生兩種情況: (1)當(dāng)?shù)孛鎮(zhèn)认蚍醋饔昧Y未超過(guò)車輪與地面間的附著極限時(shí),車輪與地面間沒有滑動(dòng),車輪仍沿其本身平面 的 方向行駛(圖5-6); (2)當(dāng)?shù)孛鎮(zhèn)认蚍醋饔昧Y達(dá)到車輪與地面間的附著極限時(shí),車輪發(fā)生側(cè)向滑動(dòng),若滑動(dòng)速度為u,車輪便沿合成速度u方向行駛,偏離了 方向。 當(dāng)車輪有側(cè)向彈性時(shí),即使FY沒有達(dá)到附著
10、極限,車輪行駛方向亦將偏離車輪平面 的方向,這就是輪胎的側(cè)側(cè)偏現(xiàn)象偏現(xiàn)象。 與 的夾角a,即為側(cè)偏角側(cè)偏角。 ccccccaacccFyuccFyucu 沒有側(cè)向滑移 有側(cè)向滑移圖5-6 有側(cè)向力作用時(shí)剛性車輪的滾動(dòng)u 輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象: 圖5-8給出了一條由試驗(yàn)測(cè)出的側(cè)偏力-側(cè)偏角曲線。曲線表明,側(cè)偏角不超過(guò)5時(shí),F(xiàn)y與成線性關(guān)系。汽車正常行駛時(shí),側(cè)向加速度不超過(guò)0.4g,側(cè)偏角不超過(guò)45,可以認(rèn)為側(cè)偏角與側(cè)偏力成線性關(guān)系。FY-曲線在=0處的斜率稱為側(cè)偏剛度側(cè)偏剛度k,單位為N/rad或N/()。由輪胎坐標(biāo)系有關(guān)符號(hào)規(guī)定可知,負(fù)的側(cè)偏力產(chǎn)生正的側(cè)偏角,因此側(cè)偏剛度為負(fù)值。FY=k。小型轎車輪
11、胎的k值約在-28000-80000 N/rad范圍內(nèi)。側(cè)偏剛度是決定操縱穩(wěn)定性的重要輪參數(shù)。輪胎應(yīng)有高的側(cè)偏剛度(指絕對(duì)值),以保證汽車良好的穩(wěn)定性。 在較大的側(cè)偏力時(shí),側(cè)偏角以較大的速率增長(zhǎng),即FY-曲線的斜率逐漸減小,這時(shí)輪胎在接地面處已發(fā)生部分側(cè)滑。最后,側(cè)偏力達(dá)到附著極限時(shí),整個(gè)輪胎側(cè)滑。顯然輪胎的最大側(cè)偏力決定于附著條件,即垂直載荷,輪胎胎面花紋、材料、結(jié)構(gòu)、充氣壓力,路面的材料、結(jié)構(gòu)、潮濕程度以及車輪的外傾角等。一般而言,最大側(cè)偏力越大,汽車的極限性能越好,譬如按圓周行駛的極限側(cè)向加速度就 越高。 三、輪胎的結(jié)構(gòu)、工作條件對(duì)側(cè)偏特性的影響三、輪胎的結(jié)構(gòu)、工作條件對(duì)側(cè)偏特性的影響
12、尺寸較大的輪胎有較高的側(cè)偏剛度。 輪胎斷面高H與輪胎斷面寬B之比H/B100%稱為扁扁平率平率。 垂直載荷增大后,側(cè)偏剛度隨垂直載荷的增加而加大,但垂直載荷過(guò)大時(shí),輪胎產(chǎn)生很大的徑向變形,側(cè)偏剛度反而有所減小。 輪胎的充氣壓力對(duì)側(cè)偏剛度也有顯著影響。隨著氣壓的增加,側(cè)偏剛度增大,但氣壓過(guò)高后剛度不再變化。 行駛車速對(duì)側(cè)偏剛度的影響很小。 當(dāng)縱向力相當(dāng)大時(shí),側(cè)偏力顯著下降。因?yàn)榇藭r(shí)接近附著極限,切向力已耗去大部分附著力,而側(cè)向能利用的附著力很少。由圖還可看出,這組曲線的包絡(luò)線接近于一橢圓,一般稱為附著橢圓附著橢圓。 路面有薄水層時(shí),由于滑水現(xiàn)象(hydroplaning),會(huì)出現(xiàn)完全喪失側(cè)偏力的
13、情況四、回正力矩四、回正力矩繞繞OZ軸的力矩軸的力矩 Tz是使轉(zhuǎn)向車輪回復(fù)到直線行駛位置的主要恢復(fù)力矩之一,稱為回正力矩回正力矩?;卣厥怯山拥孛鎯?nèi)分布的微元側(cè)向反力產(chǎn)生的。 回正力矩起始時(shí)逐步增大,側(cè)偏角為4。6。時(shí)達(dá)到最大值;側(cè)偏角再增大,回正力矩下降,在10。16。時(shí)回正力矩為零。側(cè)偏角再大,回正力矩成為負(fù)值?;卣仉S垂直載荷的增大而增加。 在同樣側(cè)偏角下,尺寸大的輪胎一般回正力矩較大。子午線輪胎的回正力矩比斜交胎大。 輪胎的氣壓低,接地印跡長(zhǎng),輪胎拖距大,回正力矩也就大。 地面切向反作用力對(duì)回正力矩也產(chǎn)生影響。隨著驅(qū)動(dòng)力的增加,回正力矩大最大值后再下降。在制動(dòng)力作用下,回正力矩不斷
14、減少,到一定制動(dòng)力時(shí)下降為零,其后便變?yōu)樨?fù)值。 五、有外傾角時(shí)輪胎的滾動(dòng)五、有外傾角時(shí)輪胎的滾動(dòng)汽車兩前輪有外傾角,滾動(dòng)時(shí)前軸以Fy的力將兩前輪拉住沿同一方向滾動(dòng),與此同時(shí)輪胎接地面中產(chǎn)生一與Fy方向相反的側(cè)向反作用力,這就是外傾側(cè)向力外傾側(cè)向力FY 。根據(jù)輪胎坐標(biāo)系的規(guī)定,kr為負(fù)值稱作外傾剛度,單位為N/rad或N/()(1)A、B、C為三條相互平行的直線,故可認(rèn)為在各種外傾角下,輪胎側(cè)偏剛度均為k。(2)側(cè)偏角為零時(shí)的地面?zhèn)认蛄Ρ闶峭鈨A側(cè)向力FY,圖5-19a是試驗(yàn)得到的外傾側(cè)向力與外傾角的關(guān)系曲線,二者成線性關(guān)系,即 FY=k 。當(dāng)外傾角為正值時(shí)(見A線),F(xiàn)Y 為負(fù)值。有外傾角時(shí)實(shí)驗(yàn)
15、所得輪胎側(cè)向力與側(cè)偏角的關(guān)系如下圖5-19。 (3)地面?zhèn)认蛄榱銜r(shí)的側(cè)偏角就是由外傾角產(chǎn)生的側(cè)由外傾角產(chǎn)生的側(cè)偏角偏角, 。當(dāng)外傾角為正值時(shí)(見A線),為負(fù)值。(4)地面?zhèn)认蛄镕Y時(shí)的側(cè)偏角,等于外傾角為零時(shí)FY產(chǎn)生的側(cè)偏角0與由此外傾角產(chǎn)生的側(cè)偏角之和。如外傾角為正值(A線),側(cè)偏角=0-cf=0+。(5)有外傾角時(shí)的地面?zhèn)认蚍醋饔昧εc外傾角、側(cè)偏角的關(guān)系式為車輪有外傾角時(shí)還產(chǎn)生回正力矩。 kkaFFFYYaYkk5-3 線性二自由度汽車模型對(duì)前輪角輸線性二自由度汽車模型對(duì)前輪角輸入的響應(yīng)入的響應(yīng)一、線性二自由度汽車模型的運(yùn)動(dòng)微分方程一、線性二自由度汽車模型的運(yùn)動(dòng)微分方程二自由度汽車運(yùn)動(dòng)
16、微分方程式為)1u()()(12121rrumkbkakkkb v . rzrIkkbkabkakb1221221二、前輪角階躍輸入下進(jìn)入的汽車穩(wěn)態(tài)響應(yīng)二、前輪角階躍輸入下進(jìn)入的汽車穩(wěn)態(tài)響應(yīng)等速圓周等速圓周行駛行駛常用輸出與輸入的比值,如穩(wěn)態(tài)時(shí)的橫擺角速度與前輪轉(zhuǎn)角之比來(lái)評(píng)價(jià)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。這個(gè)比值稱為穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益,也稱為轉(zhuǎn)向靈敏度轉(zhuǎn)向靈敏度,以符號(hào) 表示。穩(wěn)定時(shí)橫擺角速度為定值,此時(shí) =0 , = 0 ,以此代入(5-9)并解得穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益為 式中 K稱為穩(wěn)定性因數(shù)穩(wěn)定性因數(shù),它是表征汽車穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一個(gè)重要參數(shù),其單位為s2m-2。sr)122kbkaLmK.2122
17、1/1/)KuLukbkaLmLusru2. r. v L11、中性轉(zhuǎn)向K=0時(shí), ,即橫擺角速度增益與車速成線性關(guān)系,斜率為 。這種穩(wěn)態(tài)稱轉(zhuǎn)向特性稱為中性轉(zhuǎn)向中性轉(zhuǎn)向。它相當(dāng)于剛性車輪轉(zhuǎn)向。2、不足轉(zhuǎn)向當(dāng)K0時(shí),式(5-11)分母大于1,橫擺角速度增益 比中性轉(zhuǎn)向時(shí)要小。 不再與車速成線性關(guān)系。參看圖5-25。具有這樣特性的汽車稱為不足轉(zhuǎn)向汽車不足轉(zhuǎn)向汽車。Lusrsrsr根據(jù)K值的正負(fù),汽車穩(wěn)定轉(zhuǎn)向可分為三種類型。當(dāng)車速為 時(shí),汽車穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益達(dá)到最大值,且其橫擺角速度增益為與軸距L相等的中性轉(zhuǎn)向汽車橫擺角速度增益的一半。uch稱作特征車速,當(dāng)不足轉(zhuǎn)向量增加時(shí),K增大,特征車速uch
18、降低。Kuch13、過(guò)多轉(zhuǎn)向 當(dāng)K0時(shí),K0,為不足轉(zhuǎn)向,當(dāng)(a1-a2)=0,K=0,為中性轉(zhuǎn)向,當(dāng)(a1-a2)0時(shí),K0時(shí),R/R01,即不足轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向半徑總大于R0,且由式(5-16)可知,轉(zhuǎn)向半徑將隨車速增加而增大;K0時(shí),R/R0, S.M.為正值。在質(zhì)心位置上作用的側(cè)向力引起的前輪側(cè)偏角1大于后輪側(cè)偏角2,汽車具有不足轉(zhuǎn)向特性。 當(dāng)質(zhì)心在中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)之后時(shí), , S.M.為負(fù)值。在質(zhì)心位置上作用的側(cè)向力引起的后輪側(cè)偏角2大于前輪側(cè)偏角1,汽車具有過(guò)多轉(zhuǎn)向特性。三、三、 瞬態(tài)響應(yīng)瞬態(tài)響應(yīng) 通過(guò)運(yùn)動(dòng)的起始條件,可求出積分常數(shù)C、A1、A2。最后得出給汽車前輪一個(gè)角階躍輸入時(shí),汽車的橫擺角速度瞬態(tài)響應(yīng)表達(dá)式。見教材P126頁(yè)式(5-33)。 通常也用瞬態(tài)響應(yīng)中的幾個(gè)參數(shù)來(lái)表征響應(yīng)品質(zhì)的好壞,這些參數(shù)是1、橫擺角速度r波動(dòng)時(shí)的固有(圓)頻率r。0值是評(píng)價(jià)汽車瞬態(tài)響應(yīng)的一個(gè)重要參數(shù)。0值應(yīng)高些為好。圖5-31為一些歐洲及日本轎車的固有頻率f0(單位為 Hz )與穩(wěn)定性因數(shù)K (單位為 s2/m2)值 , 固有頻率 。2、阻尼比 隨著車速的提高,值減小;在穩(wěn)定性因數(shù)不變條件下
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