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汽车操纵稳定性工程分析方法 KC实验室.pdf

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汽车 操纵 稳定性 工程 分析 方法 KC 实验室
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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 ?= ? ? i r ? 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 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? r Z r r r I ak k b k a u bk ak u v m k bk ak u k k ? ? ? ? ? ? ? ? 1 2 2 1 2 2 1 1 2 1 2 1 ) ( 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 (cornering compliance ) 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 ) D a =57.3 G ?/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 ? ? ? ? ? ? ? ? ? k k Db ? ? ? ? ? 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) ? ? ? k F G D y s c ? ? ? ? 1000 y F ? ? ?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D dE:回正力矩系数( Nm/rad) ) ( ) ( 1 1 2 2 2 1 1 bk E D bk E D D d a d ? ?轮胎回正力矩引起前、后轮侧偏力的变化而产生的侧偏角D d? 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)/(k2 L)=57.3Ga(1-e1/a)/(k2L) mg F y1 ’ F y2 ’ e1 e2 a b a-e1 b+e2 L ? 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 k E kDa EDa e = ? 3 . 57 EDa z T ? ) 1 ( ) 1 ( 3 . 57 ) 1 ( ) 1 ( 3 . 57 1 1 1 1 1 2 2 2 2 1 2 2 1 1 ak E D ak E l k Ga bk E D bk E l k Gb a a ? ? ? ? ? ? ? ? ? =回正力矩使前轮增加,后轮减少 侧偏角 D d ( 单位°/g) ) ( ) ( 1 1 1 2 2 2 1 1 ak E D D bk E D D a d a d ? ?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 g e D ? ? ? ? ? ? ? ? y s f F G D ? ? ? ? ? 1000 T G T D ei z g ? ? ? ? ? ? 100 ) (汽车操纵稳定性工程分析方法 ? 前后侧偏柔度为: ? D 1 =D a1 +D b1 +D c1 +D d1 +D e1 +D f1 +D g1 ? D 2 =D a2 +D b2 +D c2 +D d2 +D e2 +D f2 +D g2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 =D 1 -D 2? 稳定性因数 K=U/(57.3 gL) 项目 Da Db Dc Dd De Df Dg ∑D U 2 人 , 带 束斜交胎 前 7.3 1.4 0.3 0.2 -0.3 0.0 1.6 10.5 4.4 后 6.2 0.0 0.2 -0.2 -0.4 0.1 0.2 6.1 满 载 带 束 斜交胎 前 7.4 1.7 0.3 0.2 -1.2 0.0 1.9 10.3 5.2 后 6.8 0.0 0.4 -0.2 -2.3 0.1 0.3 5.1 2 人 , 带 束 斜 交 胎 前新后磨 前 7.3 1.4 0.3 0.2 -0.3 0.0 1.6 10.5 5.0 后 5.6 0.0 0.2 -0.2 -0.4 0.1 0.2 5.5 2 人 , 前 子 午 胎 , 后带束 前 4.7 0.2 0.0 0.1 -0.3 0.0 1.3 6.0 -0.1 后 6.2 0.0 0.2 -0.2 -0.4 0.1 0.2 6.1 2 人不同 子午胎 前 5.5 0.4 0.1 0.1 -0.3 0.0 1.5 7.3 3.1 后 4.4 0.0 0.0 -0.1 -0.4 0.1 0.2 4.2 满 载 前 子 午后带束 前 4.6 0.3 0.1 0.1 -1.1 0.0 1.1 5.1 -2.1 后 8.8 0.0 0.4 -0.2 -2.3 0.1 0.4 7.2 典 型 轻 型 货车 前 5.9 0.2 - 0.8 1.0 1.0 1.0 9.9 5.3 后 7.5 0.0 -- -1.4 -1.5 0 0 4.6 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 a y =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, a y =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D 2 是影 响汽车操纵 稳定性最重 要的参数, 必须尽量降 低D 2 。汽车操纵稳定性工程分析方法 结论 : 3 、不足转向量U>0 4 、 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=-6 Df=-12,Dr=-6 Df=-10,Dr=-4 TB(s.deg) 0.95 0.86 0.42 TB 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 a y ?1- ?2 d( ?1- ?2 )/d a y a/b=2.95 0.2g 0.41 -0.58 a/b=2.95 0.3g 0.17 -4.34 a/b=2.3 0.2g 1.0 2.72 a/b=2.3 0.3g 1.13 -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- ?2 d( ?1- ?2 )/d a y?1- ?2 d( ?1- ?2 )/d a ya y =0.2g 0.41 -0.58 0.43 -0.18 a y =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 a y ?1- ?2 d( ?1- ?2 )/d a yKs=585Nm/day 0.2g 0.41 -0.58 0.3g 0.17 -4.34 Ks=427Nm/day 0.2g 0.61 -0.06 0.3g 0.4 -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25 mm ? 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 5500 0.35 1.35 -0.2 0.4 1.1 Mazda 平 3000 0.6 0.7 0.1 -0.2 1.6 IsuzuTD72 长 8500 0.3 1.2 0.4 0.3 1.6 Ford600 长 5000 0.1 1.0 0.1 0 1.2 CA10B 长 4000 -0.2 0.8 1.4 0.3 1.6 EQ140 长 5000 -0.2 0.7 0.1 0.4 0.2 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 15000N 0.5% 垂直力 30000N 0.5% 车轮踏 板( 浮 盘) 回正力 矩 1000N-m 0.5% 垂直行 程 400mm 0.5% 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 ?25mm 0.2% 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) ? h g =(F l -F R )*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 一轻型客车左转时五项侧偏角随 侧向加 速度 变化的 曲线 b: 侧倾外倾 c: 侧向力外倾 e: 侧倾转向f: 侧向力转向g: 回正力矩 一轻型客车左转时五项侧偏角随 侧向加速度变化的曲线 加上弹性侧偏角D a 和回正力矩侧 偏角D d 结论 K&C ? K&C Testing - What's that? ? The “K“ stands for Kinematics - This is a fancy way of saying suspension geometry (things like toe, camber, etc.). ? The “C“ stands for Compliance - This is a fancy way of saying suspension stiffness (i.e. how far do things bend when road loads come up through the tires). ? For most, measuring suspension K&C characteristics is very difficult - even in an extremely well-equipped shop. Imagine trying to put 2000 pounds of side load into a tire while measuring toe deflection! At Morse Measurements, K&C measurements are made easy thanks to our state-of-the-art Anthony Best Dynamics K&C test rig. K&C 试验台 ? 由加载系统、测量系统、 车 身固定装置、转向机器人 和 控制系统组成。 ? 试验时,要首先固定车身 , KC 台会按设定的次序给车轮 自动多向加载,以模拟汽 车 车身侧倾、俯仰或者汽车 转 弯、减速、加速时的运动 状 态(包括悬架跳动、车身 侧 倾、车轮与地面的相互作 用 力及力矩等),同时测量 车 轮定位参数的变化特性及 悬 架、轮胎的各向刚度及受 力 和力矩等,被测参数包括 前 束角、主销后倾角、车轮 侧 倾角、轴距、轮距等。 K&C 功能 ? 测得数据用于建立(比如CARSIM ) 车辆动力学模型,以进行动力学 性能仿真、分析和优化; ? 测量并比较两车或多车的K&C 特 性,为性能差异的成因找到答案; ? 参考对标车K&C特性,为新车悬 架设计和性能优化提供依据和指 导; ? 积累足够的K&C特性数据库,找 到K&C 特性如何影响底盘性能之 规律,为快速开发新车型提供便 利; ? 若新开发的样车存在转向、制动、 加速性能相关问题或轮胎异常磨 损等问题,可通过KC 台进行诊断; ? 用于整车生产线的车辆出厂抽检, 及时发现数据偏差,确保质量稳 定性… K&C 功能介绍 ? 准静态测试 ? Moving Body Suspension Parameter Measurement Machines SPMM.pdf APMM.pdf http://www.abd.uk.com/ K&C功能简介.pdf
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