汽车动力学作业doc.docx

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一．轮胎的分类及各自特点

轮胎作为连接车身与路面的唯一部件,除空气阻力以外,车辆的其它外力几乎都是通过其与路面的作用产生的。

轮胎的力学特性对汽车的操纵稳定性、舒适性、动力性和制动安全性起着极其重要的作用。

（一）按用途分类

1.轿车轮胎——是装于轿车上的轮胎，它主要用于良好路面上高速行使，最高行驶速度可达200千米/小时以上，要求乘坐舒适，噪声小，具有良好的操纵性和稳定性。

轮胎结构多数采用子午线结构。

根据行驶速度的要求分为不同系列，在标准与手册中常见的有95、88系列为斜交轮胎，80、75、70、65系列为子午线轮胎。

2.轻型载重汽车轮胎——通常指轮辋直径16英寸及其以下的断面宽9英寸及其以上的载重汽车轮胎。

这类轮胎主要行驶于公路，行驶速度一般可达80～100km/h.3.载重和公共汽车轮胎通常指轮辋直径18～24英寸，断面宽7英寸及其以上的载重汽车，自卸货车，各种专用和拖车等轮胎。

其行驶路面较为复杂，有良好的柏油路，也有较差的碎石路，泥土路，泥泞路，冰雪路，甚至无路面条件等，行驶速度一般不超过80km/h.

4.工程机械轮胎——工程机械轮胎是装于专用性作业的工程机械车辆上，例如装载机、推土机、挖掘机、平整土地机、压路机和石方作业机等。

行驶速度不高，但使用的路面条件和载荷性能要求苛刻。

轮胎主要采用斜交胎结构，但如法国米其轮（粤音，普通话叫米其林）公司也采用子午线结构。

从轮胎断面宽度分类可分为标准轮胎和宽基轮胎两种系列。

5.越野汽车轮胎——越野汽车为前后轮驱动。

越野汽车轮胎主要行驶在坏路面上如沙漠、泥泞地、松软土壤或其它无路面道路，要求轮胎具有较高的通过性能，越野轮胎往往采用低气压，有的还采用调压轮胎，根据路面条件来调节轮胎气压的大小。

为了提高越野通过性，一般采用加宽轮胎断面和轮辋宽度，及降低轮辋直径等措施，以便增大接地面积和降低接地压力。

轮胎结构除采用斜交胎结构外，也用子午线结构。

6.农业和林业机械轮胎——农用轮胎主要装在拖拉机、康拜因联合收割机和农机具车辆上使用。

林业机械轮胎装在林业拖拉机和林业机械上，进行林业的采伐、集材、铲运和挖掘等作业。

这两种轮胎的特点都是行驶速度要求不高，但其使用条件苛刻，经常行驶于状况不良的田间小路和坚硬的留茬地或石子山路，甚至是无路面的道路，轮胎易被划伤或割破。

另一个特点是间歇作业、里程短，但使用期较长，因此要求轮胎具有较好的耐屈挠龟裂和耐老化性能。

轮胎以斜交结构为主，但也采用子午线结构。

7.工业车辆轮胎——主要用于工业车辆上的充气轮胎、半实心轮胎和实心轮胎。

分电瓶车轮胎、叉车轮胎和平板车轮胎等。

8.摩托车轮胎——用于摩托车上的轮胎。

包括摩托车轮胎、轻便摩托车轮胎和小轮径摩托车轮胎。

9.航空轮胎——用于航空飞行器上的充气轮胎。

10.特种车辆轮胎——包括炮车轮胎、坦克轮胎、装甲车轮胎、沙漠轮胎、防爆车辆轮胎等。

11.力车轮胎——用于自行车、三轮车和手推车的充气轮胎。

（二）按结构分类

1.斜交轮胎的帘线按斜线交叉排列，故而得名。

特点是胎面和胎侧的强度大，但胎侧刚度较大，舒适性差，由于高速时帘布层间移动与磨擦大，并不适合高速行驶。

随着子午线轮胎的不断改进，斜交轮胎将基本上被淘汰。

2.子午线轮胎的帘线排列方向与轮胎子午断面一致，其帘布层相当于轮胎的基本骨架。

由于行驶时轮胎要承受较大的切向作用力，为保证帘线的稳固，在其外部又有若干层由高强度、不易拉伸的材料制成的带束层（又称箍紧层），其帘线方向与子午断面呈较大的交角。

从设计上讲，斜交线轮胎有很多局限性，如由于交叉的帘线强烈摩擦，使胎体易生热，因此加速了胎纹的磨损，且其帘线布局也不能很好地提供优良的操控性和舒适性；而子午线轮胎中的钢丝带则具有较好的柔韧性以适应路面的不规则冲击，又经久耐用，它的帘布结构还意味着在汽车行驶中有比斜交线小得多的摩擦，从而获得了较长的胎纹使用寿命和较好的燃油经济性。

子午线轮胎与普通斜线轮胎相比，弹性大，耐磨性好，滚动阻力小，附着性能好，缓冲性能好，承载能力大，不易刺穿；缺点是胎侧易裂口，由于侧向变形大，导致汽车侧向稳定性稍差，制造技术要求高，成本较高。

二．回正力矩的产生

回正力矩计算

前转向轮的回正力矩主要由侧偏力、主销内倾和纵向力

提供。

现分述如下：

1.侧偏力产生回正力矩

侧偏力产生回正力矩的力臂来自两个方面。

一是主销后倾产生的主销后倾拖矩；另一

是轮胎侧偏特性产生的气胎拖距。

计算轮胎侧偏力的轮胎模型有多种，而由Fiala轮胎模

型计算侧偏力较为准确且参数较容易获得。

因此，选用该轮胎模型且考虑前轮定位参数影

响，使用该侧偏力修正模型，得出：

式中

是车轮的侧偏力；

是轮胎垂直载荷；μ是滑动摩擦系数；

是轮胎外倾刚

度；γ是车轮外倾角；φ的量纲是侧偏角，k是轮胎侧偏刚度，θ是轮胎侧偏

角，在小侧偏角时θ=0.0267（4.5.L）+0.0064，其中L是轴距。

具有主销后倾的车轮总拖距为：

式中：

ξ是轮胎的总拖距；

是气胎拖距；

是主销后倾拖距；α是前轮主销后倾角；R是轮胎静力半径；L是轮胎接地印迹的长度。

关于轮胎接地印迹长度的计算本文选用Komandi的轮胎印迹长度计算式，即：

式中：

D是前轮名义外径；Δ是前桥垂直载荷下径向变形量；b是轮胎宽度；C和Q是

系数（C是轮胎设计参数，斜交胎=1.15，子午胎=1.5；Q=0.0015b+0.42）；

是前桥垂

直载荷；p是轮胎气压。

该公式参数易获取且计算较准确。

左右轮侧偏力产生的总回正力矩为：

2.主销内倾产生回正力矩

由于前轮主销内倾，前轮偏转时使前轮有抬高的倾向，使前桥产生位能而由其产生回正力矩。

本文选用清华大学魏道高博士的计算公式：

式中：

q是转向节节点到前轮安装中心平面的距离；β是主销内倾角；δ1

是前轮转向角；B是前轮两主销轴线与地面交点间距离。

3.纵向力产生的回正力矩

由于左右轮胎纵向力对主销产生的回正力矩方向相反，可以近似看作相互抵消。

因此，左右轮胎纵向力产生的总回正力矩近似为零。

4.总回正力矩

在忽略纵向力产生的回正力矩的条件下，前轮转向后产生总回正力矩：

三．推导汽车纵向运动方程

图3.1汽车纵向运动模型

车身

前轮

后轮

而总质量和总重量有几部分组成

另外

为了赢得正的轮缘轴向力，来自发动机输出力矩的驱动力矩必须大于车轮处的阻力。

从式（4.1.2）和式（4.1.3）得出

其中

因此

得

四．风阻部分的推导

汽车行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力称为空气阻力。

对于汽车车身，空气阻力分为摩擦阻力和压力阻力。

摩擦阻力是由空气的粘性在车身表面产生的切向力的合力在行驶方向的分力；压力阻力则是作用在汽车车身表面上的正压力的合力在行驶方向的分力，它可分为形状阻力、干扰阻力、内循环阻力和诱导阻力。

其中，形状阻力占压力阻力的大部分，与车身形状有直接关系；干扰阻力是车身表面突起部分（如后视镜、挡泥板、门把、引水槽、悬架导向杆、驱动轴等零件）引起的气流干扰而产生的阻力；发动机冷却和车身内部通风等使进入的空气在排出时流速降低所产生的阻力称为内循环阻力；诱导阻力则是空气升力在水平方向的分力。

在空气阻力中，形状阻力约占6O，可见，车身形状是影响空气阻力的主要因素。

在汽车行驶范围内，空气阻力F通常与气流相对速度的动压力

；成正比，即

式中：

为空气阻力系数，一般应是雷诺数

的函数，在车速较高、动压力较高而相应气体的粘性摩擦较小时，

不随

而变化；A为迎风面积，即汽车行驶方向的投影面积（

）；

为空气密度，一般

=1．2258

；

为相对速度，在无风时即汽车的行驶速度（m／s）。

五．ABS控制原理和布置形式

（1）ABS控制原理

ABS的控制方法主要有逻辑门限值控制、最优控制和滑动模态变结构控制等，但目前绝大多数ABS采用逻辑门限值控制方式。

逻辑门限值控制方式通常是将车轮的减速度（或角减速度）和加速度（或角加速度）作为主要控制门限，而将车轮滑移率作为辅助控制门限。

因为采用其中任何一种门限作为控制都存在着较大的局限性。

例如，仅以车轮的加、减速度作为控制门限时，当汽车在湿滑路面上高速行驶过程中进行紧急制动，车轮滑移率离开稳定区域较远时，车轮减速度可达到控制门限值；而对于驱动轮，如果制动时没有分离离合器，由于车轮系统存在很大的转动惯量，又会造成车轮滑移率进入不稳定区域而车轮减速度仍未达到控制门限值，会严重影响控制效果。

仅以车轮的滑移率作为控制门限值时，由于路面情况不同，峰值附着系数滑移率的变化范围较大（8～3O），因此仅以固定的滑移率门限值作为控制门限，很难保证在各种路面的条件下都能获得最佳的制动效果。

而将车轮加、减速度和滑移率控制门限结合起来，将有助于路面情况的识别，提高系统的自适应控制能

力。

控制系统中车轮加速度或减速度信号可以由ECU根据轮速传感器输入的信号经过计算确定。

在确定实际的滑移率时，先要确定车轮中心的实际纵向速度（车身速度），制动时确定车轮中心的实际纵向速度相当困难，因此通常由ECU根据各轮速传感器输入的信号按一定的逻辑确定汽车的参考速度，再计算出车轮的参考滑移率，此值与实际滑移率存在一定的差异。

逻辑门限值控制方法中的车轮加速度（或角加速度）、减速度（或角减速度）、参考滑移率等控制门限值都是通过反复试验获得的经验数据。

图5.1ABS控制单元

（2）ABS布置形式

按照控制通道数目的不同，ABS系统分为四通道、三通道、双通道和单通道四种形式，而其布置形式却多种多样。

1.四通道ABS

为了对四个车轮的制动压力进行独立控制，在每个车轮上各安装一个转速传感器，并在通往各制动轮缸的制动管路中各设置一个制动压力调节分装置（通道）。

由于四通道ABS可以最大程度地利用每个车轮的附着力进行制动，因此汽车的制动效能最好。

但在附着系数分离（两侧车轮的附着系数不相等）的路面上制动时，由于同一轴上的制动力不相等，使得汽车产生较大的偏转力矩而产生制动跑偏。

因此，ABS通常不对四个车轮进行独立的制动压力调节。

2.三通道ABS

四轮ABS大多为三通道系统，而三通道系统都是对两前轮的制动压力进行单独控制，对两后轮的制动压力按低选原则一同控制。

按对角布置的双管路制动系统中，虽然在通往四个制动轮缸的制动管路中各设置一个制动压力调节分装置，但两个后制动压力调节分装置却是由电子控制装置一同控制的，实际上仍是三通道ABS。

由于三通道ABS对两后轮进行一同控制，对于后轮驱动的汽车可以在变速器或主减速器中只设置一个转速传感器来检测两后轮的平均转速。

汽车紧急制动时，会发生很大的轴荷转移（前轴荷增加，后轴荷减小），使得前轮的附着力比后轮的附着力大很多（前置前驱动汽车的前轮附着力约占汽车总附着力的70%—80%）。

对前轮制动压力进行独立控制，可充分利用两前轮的附着力对汽车进行制动，有利于缩短制动距离，并且汽车的方向稳定性却得到很大改善。

3.双通道ABS

双通道ABS在按前后布置的双管路制动系统的前后制动管路中各设置一个制动压力调节分装置，分别对两前轮和两后轮进行一同控制。

两前轮可以根据附着条件进行高选和低选转换，两后轮则按低选原则一同控制。

对于后轮驱动的汽车，可以在两前轮和传动系中各安装一个转速传感器。

当在附着系数分离的路面上进行紧急制动时，两前轮的制动力相差很大，为保持汽车的行驶方向，驾驶员会通过转动转向盘使前轮偏转，以求用转向轮产生的横向力与不平衡的制动力相抗衡，保持汽车行驶方向的稳定性。

但是在两前轮从附着系数分离路面驶入附着系数均匀路面的瞬间，以前处于低附着系数路面而抱死的前轮的制动力因附着力突然增大而增大，由于驾驶员无法在瞬间将转向轮回正，转向轮上仍然存在的横向力将会使汽车向转向轮偏转方向行驶，这在高速行驶时是一种无法控制的危险状态。

双通道ABS多用于制动管路对角布置的汽车上，两前轮独立控制，制动液通过比例阀（P阀）按一定比例减压后传给对角后轮。

对于采用此控制方式的前轮驱动汽车，如果在紧急制动时离合器没有及时分离，前轮在制动压力较小时就趋于抱死，而此时后轮的制动力还远未达到其附着力的水平，汽车的制动力会显著减小。

而对于采用此控制方式的后轮驱动汽车，如果将比例阀调整到正常制动情况下前轮趋于抱死时，后轮的制动力接近其附着力，则紧急制动时由于离合器往往难以及时分离，导致后轮抱死，使汽车丧失方向稳定性。

由于双通道ABS难以在方向稳定性、转向操纵能力和制动距离等方面得到兼顾，因此目前很少被采用。

4.单通道ABS

所有单通道ABS都是在前后布置的双管路制动系统的后制动管路中设置一个制动压力调节装置，对于后轮驱动的汽车只需在传动系中安装一个转速传感器。

单通道ABS一般对两后轮按低选原则一同控制，其主要作用是提高汽车制动时的方向稳定性。

在附着系数分离的路面上进行制动时，两后轮的制动力都被限制在处于低附着系数路面上的后轮的附着力水平，制动距离会有所增加。

由于前制动轮缸的制动压力未被控制，前轮仍然可能发生制动抱死，所以汽车制动时的转向操作能力得不到保障。

但由于单通道ABS能够显著地提高汽车制动时的方向稳定性，又具有结构简单、成本低的优点，因此在轻型货车上得到广泛应用。

六．阻尼的种类

阻尼振动不都是因“阻力”引起的，就机械振动而言，一种是因摩擦阻力生热，使系统的机械能减小，转化为内能，这种阻尼叫摩擦阻尼；另一种是系统引起周围质点的震动，使系统的能量逐渐向四周辐射出去，变为波的能量，这种阻尼叫辐射阻尼。

1.欠阻尼状态

　　当0<ζ<1时的解为一对实部为负的共轭复根，系统时间响应具有振荡特征，称为欠阻尼状态。

2.临界阻尼

当ζ=1时的解为一对重实根，此时系统的阻尼形式称为临界阻尼。

现实生活中，许多大楼内房间或卫生间的门上在装备自动关门的扭转弹簧的同时，都相应地装有阻尼铰链，使得门的阻尼接近临界阻尼，这样人们关门或门被风吹动时就不会造成太大的声响。

3.过阻尼

　　当ζ>1时的解为一对互异实根，此时系统的阻尼形式称为过阻尼。

当自动门上安装的阻尼铰链使门的阻尼达到过阻尼时，自动关门需要更长的时间。

4.零阻尼状态

　　当ζ=0时的解为一对纯虚根，称为零阻尼状态。

5.负阻尼状态

　　当ζ<0时的解为一对实部为正的共轭复根，系统时间响应具有发散振荡的特性，称为负阻尼状态。

七．汽车整车质心实验法和转动惯量测量方法

1．汽车整车质心实验法

a．摇摆法试验时，将汽车置于试验平台上。

试验平台相当于一个复摆，汽车随平台一起自由摆动。

改变复摆臂长，测量摆动周期，根据单自由度弱阻尼徽振原理计算出汽车质心高度。

这是我国国家标准中推荐的一种试验方法。

b．悬挂法根据物体自由悬挂时质心必定通过悬挂点垂直平面的原理来确定质心位置。

测量时选取三个以上的悬挂点，利用不同悬挂点所确定的垂直平面交点，求出质心位置。

c．零位法根据平衡物体的质心位于通过支撑线垂直平面内的原理来确定质心位置测量时，将汽车放在具有双支撑刃口的平台上．将平台惯斜釜菜角度，使系统质心通过一刃口的垂直平面，测量有关参数。

再将平台倾斜至另一角度，使系统质心通过另一刃口的垂直平面，然后计算出汽车质心位置。

d．平台支撑反力法将被测汽车放置在乎台上，试验时把汽车和平台同时举升到某一角度，测量质量的重新分配值规定举升倾角的最小值为20．然后计算得出汽车的质心位置。

e．质量反应法根据刚体绕固定轴转动的原理，试验时将汽车的一端吊起，吊至不同的角度时，分别测出轴荷的转移量和汽车的倾斜角度，然后计算出质心位置这也是我国国家标准中推荐的一种方法。

2.转动惯量测试方法

（1）三线摆法

三线摆法的测量原理如图1所示。

三根摆线的长度和间距均相等，已知圆盘质量为m1，首先单独测取圆盘绕其中心线的摆动频率T1，按

（1）式计算其转动惯量J1。

（1）

然后将被测物放在圆盘上，要求其质心垂线与圆盘的中心线重合，已知其总质量为m2，然后测取圆盘和被测物一起绕圆盘中心线的摆动频率T2，按

（1）式计算其转动惯量J2，J2与J1的差值即为被测物的转动惯量。

（2）复摆法

假定质量为m的任意形状物体可绕光滑水平轴O自由转动，如图2所示。

将它由自然下垂的静止状态拉离平衡位置一个微小角度θ后释放，忽略空气阻力，物体将绕轴O作自由摆动，这样的装置叫复摆。

设复摆的质心为C，C到O的距离为h，复摆对轴O的转动惯量为J，由于它受到的重力矩

M=-mghsinθ≈-mghθ，由转动定律

得

（3）刀口弹簧法

刀口弹簧单摆法的工作原理如图7.3所示。

试验中台架水平放置，Z轴通过刀口垂直向上，X轴在刀口和弹簧支点所在平面，垂直于刀口直线。

台架质量为M0，质心位置为C0，台架相对刀口的转动惯量为Iy0。

如果被测物的质量为M1，其质心位置为C1，Y1轴通过质心与刀口直线平行，被测对象对Y1的转动惯量为Iy1。

当台架（不安装被测物）在弹簧作用下绕刀口作自由振动时，其自振频率与其它相关参数间的关系为：

图7.3刀口弹簧测试法

当台架安装被测物后，总质量为M=M0+M1，质心高度为h。

在弹簧作用下绕刀口作自由振动时，其自振频率与其它参数的关系为：

八．计算题

质量为m=2450kg的汽车用四个悬架弹簧支撑在四个车轮上，四个弹簧由质量引起的静压缩量为

=15cm，为了能迅速减少汽车的上下振动，四个支撑均安装了减振器，由实验测得两次振动后振幅小到10%，即A1/A3=10。

求：

（1）振动的减幅系数η和对数衰减率δ。

（2）阻尼比

和减衰振动周期T。

（3）若要汽车不振动，减振器的临界阻尼系数C。

解：

（1）

所以振动减幅系数为

，对数衰减率为1.15。

（2）

所以阻尼比

=0.18，振动周期T=1.58s。

（3）汽车不振动，阻尼比=1，

临界阻尼系数为19796。