汽車動力學(xué)作業(yè)

1、一輪胎的分類及各自特點(diǎn)輪胎作為連接車身與路面的唯一部件,除空氣阻力以外,車輛的其它外力幾乎都是通過其與路面的作用產(chǎn)生的。輪胎的力學(xué)特性對汽車的操縱穩(wěn)定性、舒適性、動力性和制動安全性起著極其重要的作用。（一） 按用途分類1.轎車輪胎是裝于轎車上的輪胎，它主要用于良好路面上高速行使，最高行駛速度可達(dá)200千米/小時(shí)以上，要求乘坐舒適，噪聲小，具有良好的操縱性和穩(wěn)定性。輪胎結(jié)構(gòu)多數(shù)采用子午線結(jié)構(gòu)。根據(jù)行駛速度的要求分為不同系列，在標(biāo)準(zhǔn)與手冊中常見的有95、88系列為斜交輪胎，80、75、70、65系列為子午線輪胎。2. 輕型載重汽車輪胎通常指輪輞直徑16英寸及其以下的 斷面寬9英寸及其以上的載重汽車

2、輪胎。這類輪胎主要行駛于公路，行駛速度一般可達(dá)80100km/h.3. 載重和公共汽車輪胎通常指輪輞直徑1824英寸， 斷面寬7英寸及其以上的載重汽車， 自卸貨車，各種專用和拖車等輪胎。其行駛路面較為復(fù)雜，有良好的柏油路，也有較差的碎石路，泥土路，泥濘路，冰雪路，甚至無路面條件等，行駛速度一般不超過80km/h.4.工程機(jī)械輪胎工程機(jī)械輪胎是裝于專用性作業(yè)的工程機(jī)械車輛上，例如裝載機(jī)、推土機(jī)、挖掘機(jī)、平整土地機(jī)、壓路機(jī)和石方作業(yè)機(jī)等。行駛速度不高，但使用的路面條件和載荷性能要求苛刻。輪胎主要采用斜交胎結(jié)構(gòu)，但如法國米其輪(粵音，普通話叫米其林）公司也采用子午線結(jié)構(gòu)。從輪胎斷面寬度分類可分為標(biāo)準(zhǔn)

3、輪胎和寬基輪胎兩種系列。5. 越野汽車輪胎越野汽車為前后輪驅(qū)動。越野汽車輪胎主要行駛在壞路面上如沙漠、泥濘地、松軟土壤或其它無路面道路，要求輪胎具有較高的通過性能，越野輪胎往往采用低氣壓，有的還采用調(diào)壓輪胎，根據(jù)路面條件來調(diào)節(jié)輪胎氣壓的大小。為了提高越野通過性，一般采用加寬輪胎斷面和輪輞寬度，及降低輪輞直徑等措施，以便增大接地面積和降低接地壓力。輪胎結(jié)構(gòu)除采用斜交胎結(jié)構(gòu)外，也用子午線結(jié)構(gòu)。6. 農(nóng)業(yè)和林業(yè)機(jī)械輪胎農(nóng)用輪胎主要裝在拖拉機(jī)、康拜因聯(lián)合收割機(jī)和農(nóng)機(jī)具車輛上使用。林業(yè)機(jī)械輪胎裝在林業(yè)拖拉機(jī)和林業(yè)機(jī)械上，進(jìn)行林業(yè)的采伐、集材、鏟運(yùn)和挖掘等作業(yè)。這兩種輪胎的特點(diǎn)都是行駛速度要求不高，但其使

4、用條件苛刻，經(jīng)常行駛于狀況不良的田間小路和堅(jiān)硬的留茬地或石子山路，甚至是無路面的道路，輪胎易被劃傷或割破。另一個(gè)特點(diǎn)是間歇作業(yè)、里程短，但使用期較長，因此要求輪胎具有較好的耐屈撓龜裂和耐老化性能。輪胎以斜交結(jié)構(gòu)為主，但也采用子午線結(jié)構(gòu)。7.工業(yè)車輛輪胎主要用于工業(yè)車輛上的充氣輪胎、半實(shí)心輪胎和實(shí)心輪胎。分電瓶車輪胎、叉車輪胎和平板車輪胎等。8.摩托車輪胎用于摩托車上的輪胎。包括摩托車輪胎、輕便摩托車輪胎和小輪徑摩托車輪胎。9.航空輪胎用于航空飛行器上的充氣輪胎。10.特種車輛輪胎包括炮車輪胎、坦克輪胎、裝甲車輪胎、沙漠輪胎、防爆車輛輪胎等。11.力車輪胎用于自行車、三輪車和手推車的充氣輪胎。（

5、二） 按結(jié)構(gòu)分類1.斜交輪胎的簾線按斜線交叉排列，故而得名。特點(diǎn)是胎面和胎側(cè)的強(qiáng)度大，但胎側(cè)剛度較大，舒適性差，由于高速時(shí)簾布層間移動與磨擦大，并不適合高速行駛。隨著子午線輪胎的不斷改進(jìn)，斜交輪胎將基本上被淘汰。2.子午線輪胎的簾線排列方向與輪胎子午斷面一致，其簾布層相當(dāng)于輪胎的基本骨架。由于行駛時(shí)輪胎要承受較大的切向作用力，為保證簾線的穩(wěn)固，在其外部又有若干層由高強(qiáng)度、不易拉伸的材料制成的帶束層(又稱箍緊層)，其簾線方向與子午斷面呈較大的交角。從設(shè)計(jì)上講，斜交線輪胎有很多局限性，如由于交叉的簾線強(qiáng)烈摩擦，使胎體易生熱，因此加速了胎紋的磨損，且其簾線布局也不能很好地提供優(yōu)良的操控性和舒適性；而

6、子午線輪胎中的鋼絲帶則具有較好的柔韌性以適應(yīng)路面的不規(guī)則沖擊，又經(jīng)久耐用，它的簾布結(jié)構(gòu)還意味著在汽車行駛中有比斜交線小得多的摩擦，從而獲得了較長的胎紋使用壽命和較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。子午線輪胎與普通斜線輪胎相比，彈性大，耐磨性好，滾動阻力小，附著性能好，緩沖性能好，承載能力大，不易刺穿；缺點(diǎn)是胎側(cè)易裂口，由于側(cè)向變形大，導(dǎo)致汽車側(cè)向穩(wěn)定性稍差，制造技術(shù)要求高，成本較高。二 回正力矩的產(chǎn)生回正力矩計(jì)算前轉(zhuǎn)向輪的回正力矩主要由側(cè)偏力、主銷內(nèi)傾和縱向力提供?，F(xiàn)分述如下：1. 側(cè)偏力產(chǎn)生回正力矩側(cè)偏力產(chǎn)生回正力矩的力臂來自兩個(gè)方面。一是主銷后傾產(chǎn)生的主銷后傾拖矩；另一是輪胎側(cè)偏特性產(chǎn)生的氣胎拖距。計(jì)算輪胎

7、側(cè)偏力的輪胎模型有多種，而由Fiala 輪胎模型計(jì)算側(cè)偏力較為準(zhǔn)確且參數(shù)較容易獲得。因此，選用該輪胎模型且考慮前輪定位參數(shù)影響，使用該側(cè)偏力修正模型，得出：式中是車輪的側(cè)偏力；是輪胎垂直載荷；是滑動摩擦系數(shù)；是輪胎外傾剛度；是車輪外傾角；的量綱是側(cè)偏角，k是輪胎側(cè)偏剛度，是輪胎側(cè)偏角，在小側(cè)偏角時(shí)= 0.0267(4.5 . L) + 0.0064，其中L是軸距。具有主銷后傾的車輪總拖距為：式中：是輪胎的總拖距；是氣胎拖距；是主銷后傾拖距；是前輪主銷后傾角；R是輪胎靜力半徑； L是輪胎接地印跡的長度。關(guān)于輪胎接地印跡長度的計(jì)算本文選用Komandi 的輪胎印跡長度計(jì)算式，即：式中：D是前輪名義

8、外徑； 是前橋垂直載荷下徑向變形量；b 是輪胎寬度；C 和Q是系數(shù)（C是輪胎設(shè)計(jì)參數(shù)，斜交胎=1.15，子午胎=1.5；Q = 0.0015b + 0.42）；是前橋垂直載荷； p 是輪胎氣壓。該公式參數(shù)易獲取且計(jì)算較準(zhǔn)確。左右輪側(cè)偏力產(chǎn)生的總回正力矩為：2.主銷內(nèi)傾產(chǎn)生回正力矩由于前輪主銷內(nèi)傾，前輪偏轉(zhuǎn)時(shí)使前輪有抬高的傾向，使前橋產(chǎn)生位能而由其產(chǎn)生回正力矩。本文選用清華大學(xué)魏道高博士的計(jì)算公式：式中：q是轉(zhuǎn)向節(jié)節(jié)點(diǎn)到前輪安裝中心平面的距離；是主銷內(nèi)傾角；1是前輪轉(zhuǎn)向角；B是前輪兩主銷軸線與地面交點(diǎn)間距離。3. 縱向力產(chǎn)生的回正力矩由于左右輪胎縱向力對主銷產(chǎn)生的回正力矩方向相反，可以近似看作相

9、互抵消。因此，左右輪胎縱向力產(chǎn)生的總回正力矩近似為零。4. 總回正力矩在忽略縱向力產(chǎn)生的回正力矩的條件下，前輪轉(zhuǎn)向后產(chǎn)生總回正力矩：三 推導(dǎo)汽車縱向運(yùn)動方程圖3.1 汽車縱向運(yùn)動模型車身前輪后輪而總質(zhì)量和總重量有幾部分組成另外為了贏得正的輪緣軸向力，來自發(fā)動機(jī)輸出力矩的驅(qū)動力矩必須大于車輪處的阻力。從式（4.1.2）和式（4.1.3）得出其中因此得四 風(fēng)阻部分的推導(dǎo)汽車行駛時(shí)受到的空氣作用力在行駛方向上的分力稱為空氣阻力。對于汽車車身，空氣阻力分為摩擦阻力和壓力阻力。摩擦阻力是由空氣的粘性在車身表面產(chǎn)生的切向力的合力在行駛方向的分力；壓力阻力則是作用在汽車車身表面上的正壓力的合力在行駛方向的分

10、力，它可分為形狀阻力、干擾阻力、內(nèi)循環(huán)阻力和誘導(dǎo)阻力。其中，形狀阻力占壓力阻力的大部分，與車身形狀有直接關(guān)系；干擾阻力是車身表面突起部分(如后視鏡、擋泥板、門把、引水槽、懸架導(dǎo)向桿、驅(qū)動軸等零件)引起的氣流干擾而產(chǎn)生的阻力；發(fā)動機(jī)冷卻和車身內(nèi)部通風(fēng)等使進(jìn)入的空氣在排出時(shí)流速降低所產(chǎn)生的阻力稱為內(nèi)循環(huán)阻力；誘導(dǎo)阻力則是空氣升力在水平方向的分力。在空氣阻力中，形狀阻力約占6O ，可見，車身形狀是影響空氣阻力的主要因素。在汽車行駛范圍內(nèi)，空氣阻力F 通常與氣流相對速度的動壓力；成正比，即式中：為空氣阻力系數(shù)，一般應(yīng)是雷諾數(shù)的函數(shù)，在車速較高、動壓力較高而相應(yīng)氣體的粘性摩擦較小時(shí)，不隨而變化；A 為迎

11、風(fēng)面積，即汽車行駛方向的投影面積()；為空氣密度，一般=12258；為相對速度，在無風(fēng)時(shí)即汽車的行駛速度(ms)。五 ABS控制原理和布置形式（1）ABS控制原理ABS的控制方法主要有邏輯門限值控制、最優(yōu)控制和滑動模態(tài)變結(jié)構(gòu)控制等，但目前絕大多數(shù)ABS采用邏輯門限值控制方式。邏輯門限值控制方式通常是將車輪的減速度(或角減速度)和加速度(或角加速度)作為主要控制門限，而將車輪滑移率作為輔助控制門限。因?yàn)椴捎闷渲腥魏我环N門限作為控制都存在著較大的局限性。例如，僅以車輪的加、減速度作為控制門限時(shí)，當(dāng)汽車在濕滑路面上高速行駛過程中進(jìn)行緊急制動，車輪滑移率離開穩(wěn)定區(qū)域較遠(yuǎn)時(shí)，車輪減速度可達(dá)到控制門限值；

12、而對于驅(qū)動輪，如果制動時(shí)沒有分離離合器，由于車輪系統(tǒng)存在很大的轉(zhuǎn)動慣量，又會造成車輪滑移率進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)域而車輪減速度仍未達(dá)到控制門限值，會嚴(yán)重影響控制效果。僅以車輪的滑移率作為控制門限值時(shí)，由于路面情況不同，峰值附著系數(shù)滑移率的變化范圍較大(8 3O )，因此僅以固定的滑移率門限值作為控制門限，很難保證在各種路面的條件下都能獲得最佳的制動效果。而將車輪加、減速度和滑移率控制門限結(jié)合起來，將有助于路面情況的識別，提高系統(tǒng)的自適應(yīng)控制能力?？刂葡到y(tǒng)中車輪加速度或減速度信號可以由ECU根據(jù)輪速傳感器輸入的信號經(jīng)過計(jì)算確定。在確定實(shí)際的滑移率時(shí)，先要確定車輪中心的實(shí)際縱向速度(車身速度)，制動時(shí)確定車

13、輪中心的實(shí)際縱向速度相當(dāng)困難，因此通常由ECU根據(jù)各輪速傳感器輸入的信號按一定的邏輯確定汽車的參考速度，再計(jì)算出車輪的參考滑移率，此值與實(shí)際滑移率存在一定的差異。邏輯門限值控制方法中的車輪加速度(或角加速度)、減速度(或角減速度)、參考滑移率等控制門限值都是通過反復(fù)試驗(yàn)獲得的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖5.1 ABS控制單元（2）ABS布置形式按照控制通道數(shù)目的不同，ABS系統(tǒng)分為四通道、三通道、雙通道和單通道四種形式，而其布置形式卻多種多樣。 1. 四通道ABS 為了對四個(gè)車輪的制動壓力進(jìn)行獨(dú)立控制，在每個(gè)車輪上各安裝一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器，并在通往各制動輪缸的制動管路中各設(shè)置一個(gè)制動壓力調(diào)節(jié)分裝置(通道)。由于四

14、通道ABS可以最大程度地利用每個(gè)車輪的附著力進(jìn)行制動，因此汽車的制動效能最好。但在附著系數(shù)分離(兩側(cè)車輪的附著系數(shù)不相等)的路面上制動時(shí)，由于同一軸上的制動力不相等，使得汽車產(chǎn)生較大的偏轉(zhuǎn)力矩而產(chǎn)生制動跑偏。因此，ABS通常不對四個(gè)車輪進(jìn)行獨(dú)立的制動壓力調(diào)節(jié)。 2. 三通道ABS 四輪ABS大多為三通道系統(tǒng)，而三通道系統(tǒng)都是對兩前輪的制動壓力進(jìn)行單獨(dú)控制，對兩后輪的制動壓力按低選原則一同控制。 按對角布置的雙管路制動系統(tǒng)中，雖然在通往四個(gè)制動輪缸的制動管路中各設(shè)置一個(gè)制動壓力調(diào)節(jié)分裝置，但兩個(gè)后制動壓力調(diào)節(jié)分裝置卻是由電子控制裝置一同控制的，實(shí)際上仍是三通道ABS。由于三通道ABS對兩后輪進(jìn)行

15、一同控制，對于后輪驅(qū)動的汽車可以在變速器或主減速器中只設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器來檢測兩后輪的平均轉(zhuǎn)速。汽車緊急制動時(shí)，會發(fā)生很大的軸荷轉(zhuǎn)移(前軸荷增加，后軸荷減小)，使得前輪的附著力比后輪的附著力大很多(前置前驅(qū)動汽車的前輪附著力約占汽車總附著力的70%80%)。對前輪制動壓力進(jìn)行獨(dú)立控制，可充分利用兩前輪的附著力對汽車進(jìn)行制動，有利于縮短制動距離，并且汽車的方向穩(wěn)定性卻得到很大改善。 3. 雙通道ABS 雙通道ABS在按前后布置的雙管路制動系統(tǒng)的前后制動管路中各設(shè)置一個(gè)制動壓力調(diào)節(jié)分裝置，分別對兩前輪和兩后輪進(jìn)行一同控制。兩前輪可以根據(jù)附著條件進(jìn)行高選和低選轉(zhuǎn)換，兩后輪則按低選原則一同控制。對于后

16、輪驅(qū)動的汽車，可以在兩前輪和傳動系中各安裝一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器。當(dāng)在附著系數(shù)分離的路面上進(jìn)行緊急制動時(shí)，兩前輪的制動力相差很大，為保持汽車的行駛方向，駕駛員會通過轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤使前輪偏轉(zhuǎn)，以求用轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生的橫向力與不平衡的制動力相抗衡，保持汽車行駛方向的穩(wěn)定性。但是在兩前輪從附著系數(shù)分離路面駛?cè)敫街禂?shù)均勻路面的瞬間，以前處于低附著系數(shù)路面而抱死的前輪的制動力因附著力突然增大而增大，由于駕駛員無法在瞬間將轉(zhuǎn)向輪回正，轉(zhuǎn)向輪上仍然存在的橫向力將會使汽車向轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)方向行駛，這在高速行駛時(shí)是一種無法控制的危險(xiǎn)狀態(tài)。雙通道ABS多用于制動管路對角布置的汽車上，兩前輪獨(dú)立控制，制動液通過比例閥(P閥)按一定比例

17、減壓后傳給對角后輪。對于采用此控制方式的前輪驅(qū)動汽車，如果在緊急制動時(shí)離合器沒有及時(shí)分離，前輪在制動壓力較小時(shí)就趨于抱死，而此時(shí)后輪的制動力還遠(yuǎn)未達(dá)到其附著力的水平，汽車的制動力會顯著減小。而對于采用此控制方式的后輪驅(qū)動汽車，如果將比例閥調(diào)整到正常制動情況下前輪趨于抱死時(shí)，后輪的制動力接近其附著力，則緊急制動時(shí)由于離合器往往難以及時(shí)分離，導(dǎo)致后輪抱死，使汽車喪失方向穩(wěn)定性。由于雙通道ABS難以在方向穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向操縱能力和制動距離等方面得到兼顧，因此目前很少被采用。 4. 單通道ABS 所有單通道ABS都是在前后布置的雙管路制動系統(tǒng)的后制動管路中設(shè)置一個(gè)制動壓力調(diào)節(jié)裝置，對于后輪驅(qū)動的汽車只需在

18、傳動系中安裝一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器。單通道ABS一般對兩后輪按低選原則一同控制，其主要作用是提高汽車制動時(shí)的方向穩(wěn)定性。在附著系數(shù)分離的路面上進(jìn)行制動時(shí)，兩后輪的制動力都被限制在處于低附著系數(shù)路面上的后輪的附著力水平，制動距離會有所增加。由于前制動輪缸的制動壓力未被控制，前輪仍然可能發(fā)生制動抱死，所以汽車制動時(shí)的轉(zhuǎn)向操作能力得不到保障。但由于單通道ABS能夠顯著地提高汽車制動時(shí)的方向穩(wěn)定性，又具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，因此在輕型貨車上得到廣泛應(yīng)用。六 阻尼的種類阻尼振動不都是因“阻力”引起的，就機(jī)械振動 而言，一種是因摩擦阻力生熱，使系統(tǒng)的機(jī)械能減小，轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這種阻尼叫摩擦阻尼；另一種是系統(tǒng)引起

19、周圍質(zhì)點(diǎn)的震動，使系統(tǒng)的能量逐漸向四周輻射出去，變?yōu)椴ǖ哪芰?，這種阻尼叫輻射阻尼。1.欠阻尼狀態(tài) 當(dāng)0< <1時(shí)的解為一對實(shí)部為負(fù)的共軛復(fù)根，系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)具有振蕩特征，稱為欠阻尼狀態(tài)。 2.臨界阻尼當(dāng) = 1時(shí)的解為一對重實(shí)根，此時(shí)系統(tǒng)的阻尼形式稱為臨界阻尼?，F(xiàn)實(shí)生活中，許多大樓內(nèi)房間或衛(wèi)生間的門上在裝備自動關(guān)門的扭轉(zhuǎn)彈簧的同時(shí)，都相應(yīng)地裝有阻尼鉸鏈，使得門的阻尼接近臨界阻尼，這樣人們關(guān)門或門被風(fēng)吹動時(shí)就不會造成太大的聲響。 3.過阻尼當(dāng) > 1時(shí)的解為一對互異實(shí)根，此時(shí)系統(tǒng)的阻尼形式稱為過阻尼。當(dāng)自動門上安裝的阻尼鉸鏈?zhǔn)归T的阻尼達(dá)到過阻尼時(shí)，自動關(guān)門需要更長的時(shí)間。 4.零

20、阻尼狀態(tài) 當(dāng)=0時(shí)的解為一對純虛根，稱為零阻尼狀態(tài)。 5.負(fù)阻尼狀態(tài) 當(dāng)<0時(shí)的解為一對實(shí)部為正的共軛復(fù)根，系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)具有發(fā)散振蕩的特性，稱為負(fù)阻尼狀態(tài)。七 汽車整車質(zhì)心實(shí)驗(yàn)法和轉(zhuǎn)動慣量測量方法1 汽車整車質(zhì)心實(shí)驗(yàn)法a搖擺法試驗(yàn)時(shí)，將汽車置于試驗(yàn)平臺上。試驗(yàn)平臺相當(dāng)于一個(gè)復(fù)擺，汽車隨平臺一起自由擺動。改變復(fù)擺臂長，測量擺動周期，根據(jù)單自由度弱阻尼徽振原理計(jì)算出汽車質(zhì)心高度。這是我國國家標(biāo)準(zhǔn)中推薦的一種試驗(yàn)方法。b懸掛法根據(jù)物體自由懸掛時(shí)質(zhì)心必定通過懸掛點(diǎn)垂直平面的原理來確定質(zhì)心位置。測量時(shí)選取三個(gè)以上的懸掛點(diǎn)，利用不同懸掛點(diǎn)所確定的垂直平面交點(diǎn)，求出質(zhì)心位置。c零位法根據(jù)平衡物體的質(zhì)心

21、位于通過支撐線垂直平面內(nèi)的原理來確定質(zhì)心位置測量時(shí)，將汽車放在具有雙支撐刃口的平臺上將平臺慣斜釜菜角度，使系統(tǒng)質(zhì)心通過一刃口的垂直平面，測量有關(guān)參數(shù)。再將平臺傾斜至另一角度，使系統(tǒng)質(zhì)心通過另一刃口的垂直平面，然后計(jì)算出汽車質(zhì)心位置。d平臺支撐反力法將被測汽車放置在乎臺上，試驗(yàn)時(shí)把汽車和平臺同時(shí)舉升到某一角度，測量質(zhì)量的重新分配值規(guī)定舉升傾角的最小值為20 然后計(jì)算得出汽車的質(zhì)心位置。e質(zhì)量反應(yīng)法根據(jù)剛體繞固定軸轉(zhuǎn)動的原理，試驗(yàn)時(shí)將汽車的一端吊起，吊至不同的角度時(shí)，分別測出軸荷的轉(zhuǎn)移量和汽車的傾斜角度，然后計(jì)算出質(zhì)心位置這也是我國國家標(biāo)準(zhǔn)中推薦的一種方法。2. 轉(zhuǎn)動慣量測試方法（1）三線擺法三線擺法的測量原理如圖1所示。三根擺線的長度和間距均相等，已知圓盤質(zhì)量為m1，首先單獨(dú)測取圓盤繞其中心線的擺動頻率T1，按（1）式計(jì)算其轉(zhuǎn)動慣量J1。 （1）然后將被測物放在圓盤上，要求其質(zhì)心垂線與圓盤的中心線重合，已知其總質(zhì)量為m2，然后測取圓盤和被測物一起繞圓盤中心線的擺動頻率T2，