（光学工程专业论文）客车高速发飘问题研究.pdf

一 n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fe n e r g ya n dp o w e re n g i n e e r i n g f 删洲删 y 18 1 ! j - r e s e a r c ho fc o a c hh i g hs p e e dw a v i n g a t h e s i si n v e h i c l ee n g i n e e r i n g b y z h a n gh a i y a n g a d v i s e db y p r o f z h a oy o u q u n s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 r k 气 一广 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特n , d n 以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：戥酶掣 日 期：幽z 臣：3 。么 一 ， 11r户 i r 气 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 客车在高速运行的情况下会产生较大的空气升力与阻力，这些气动力会降低轮胎的侧偏刚 度，减弱轮胎抓地性，使得横摆角速度达到稳态的反应时间较长、超调量较大，车辆难以按照 驾驶员的意图作出响应，给驾驶员的感觉是车辆飘忽不定，不听控制。这就是常说的“高速发 飘”现象。本文主要包括以下几个方面的内容： ( 1 ) 简要分析了二自由度力输入模型下的客车的运动特征，分析了某客车游隙、低刚度 区、轴距、侧偏刚性系数及车速等因素对“高速发飘”的影响。 ( 2 ) 简要分析了三自由度角输入模型下的客车的运动特征，着重分析了某客车前后轮有 效侧偏刚性系数比及车速等因素对“高速发飘”的影响。 ( 3 ) 建立了某客车三维模型，在不同车速下进行仿真，得n t 空气升力与阻力系数。利 用空气升力和阻力的公式计算不同车速下的空气升力和阻力。 ( 4 ) 建立了包括纵向、横向、横摆、侧倾、俯仰、前轮绕主销及四个车轮的转动等十自 由度客车动力学方程。利用客车轮胎侧偏刚度的经验公式，计算了不同升力与阻力下的轮胎侧 偏刚度，将其代人动力学方程。在不同车速下，仿真分析某客车对力输入运动的响应，研究了 考虑空气升力影响的轮胎抓地性减弱这一发飘现象。 研究结果表明，空气升力和阻力可能使高速行驶的客车产生发飘现象。增大轴距和轮胎侧 偏刚度有助于避免高速发飘现象发生。 关键词：客车，高速，发飘，操纵稳定性，动力学方程 客车高速发飘问题研究 a b s t r a c t c o a c hw i l lg e ts o m el i f ta n dd r a gf o r c e sf r o mt h ea i rf l o ww h e ni tr a i l sa tah i 曲s p e e d t h e s ef o r c e s w i l ld e c r e a s es i d es l i ps t i f f n e s so ft h ew h e e la n dr e d u c et h ec a p a b i l i t yt oh o l dt h eg r o u n d s ow h e nt h e s t e e r i n gw h e e lg e taf o r c ei n p u tf r o mt h ed r i v e r , y a wr a t eo ft h ec o a c hi sd i f f i c u l tt og e tt ob es t a b l ea n d t h ev e h i c l ew i l ln o tr e s p o n s e st ot h ea c t i o no ft h ed r i v e r t h ed r i v e rw i l lh a v eaf e e l i n gt h a tt h ec o a c hi s w a v i n g t h i sp h e n o m e n ai sw h a tw ec a l l e dh i 曲s p e e dw a v i n g t h em a i nc o n t e n t so f t h i sa r t i c l ea r e a sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h em o v i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h ec o a c hi sb r i e f l ya n a l y s e db a s e do i lt h et w o f r e ed e g r e e s m o d e l t h ei n f l u e n c et oh i 【g hs p e e dw a v i n gb yt h ew i n d a g eo ft h es t e e r i n gs y s t e m , l o ws t i f f n e s s a r e a ，w h e e l b a s e ，s i d es l i ps t i f f n e s sa n dv e l o c i t yi sr e s e a r c h e d ( 2 ) t h em o v i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h ec o a c hi sb r i e f l ya n a l y s e db a s e do nt h et h r e ef l e ed e g r e e s m o d e l t h ei n f l u e n c et oh i g hs p e e dw a v i n gb yt h er a t i oo fs i d es l i ps t i f f n e s so fd i f f e r e n ta x l e sa n dt h e d i m e n t i o n l e s sv e l o c i t yi sr e s e a r c h e d ( 3 ) at h r e ed i m e n t i o np h y s i c a lm o d e lo fac o a c hi se s t a b l i s h e d t h ea i rl i f tf o r c ea n dd r a gf o r c e c o e f f i c i e n ta r ec a l c u l a t e da td i f f e r e n tv e l o c i t y t h e nt h ea i rl i f tf o r c ea n dd r a gf o r c ea r ec a l c u l e a t e d t h r o u g hs o m ef o r m u l a s ( 4 ) c o a c hd y n a m i cf o r m u l a so f t e nf r e ed e g r e e si se s t a b l i s h e d t h et 锄f r e ed e g r e e sa r el o n g i t u d i n a l ， l a t e r a l ，y a w , p i t c h ，r o l l ，f r o n tw h e e lr o t a t i o nt om a s t e rp i na n dt h er o t a t i o no ff o u rw h e e l s t h es i d es l i p s t i f f n e s so ft h ew h e e l sa r ec a l c u l a t e db ys o m ef o r m u l a sa n dt h e yw i l lb ei n p u tt ot h ec o a c hd y n a m i c f o r m u l a s t h er e s p o n s eo ft h ec o a c ht ot h ef o r c ei n p u ti sa n a l y s e da td i f f e r e n tv e l o c i t y t h ep h e n o m e n a o fh i g hs p e e dw a v i n gi sr e s e a r c h e dw h e nt h ec o a c hg e t st h ea i ri i f lf o r c ea n dd r a gf o r c ea n dr e d u c e s t h ec a p a b i l i t yt oh o l dt h eg r o u n d r e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a ta i rl i f tf o r c ea n dd r a gf o r c em a y b ew i l lm a k et h ec o a c hg e th i s hs p e e d w a v i n gw h e ni tr u n sa tah i 曲s p e e d i n c r e a s i n gw h e e lb a s ea n ds i d es l i ps t i f f n e s so f r e a rw h e e l sc a n h e l pt or e d u c et h i sp h e n o m e n a k e y w o r d s ：v e h i c l e ，h i g hs p e e dw a v i n g ，c o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t y , d y n a m i c se q u a t i o n - 一 ， 一 夕 一 i i 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 引言1 1 2 研究的目的和意义1 1 3 国内外研究现状2 1 4 本文的研究内容4 第二章基于二自由度力输入模型的客车高速发飘分析6 2 1 二自由度力输入运动模型一6 2 1 1 坐标系与运动模型一6 2 1 2 运动微分方程一7 2 2 运动特征7 2 3 某客车运动发飘分析一8 2 4 本章小结1 l 第三章基于三自由度角输入模型的客车高速发飘分析。1 2 3 1 三自由度角输入运动模型1 2 3 1 1 坐标系与运动模型1 2 3 1 2 运动微分方程1 3 3 2 运动特征1 3 3 3 某客车运动发飘分析1 4 3 4 本章小结1 5 第四章客车的气动力数值模拟与分析1 7 4 1 引言1 7 4 2 空气升力与阻力系数求解1 7 4 2 1flu e n t 软件简介1 7 4 2 2 空气升力与阻力系数计算1 8 4 3 空气升力与阻力计算2 2 4 4 本章小结2 4 第五章基于十自由度力输入模型的客车高速发飘问题研究。2 5 5 1 十自由度客车动力学模型2 5 5 2 不考虑空气升力和阻力的仿真2 8 l i i 客车高速发飘问题研究 5 3 考虑空气升力与阻力的仿真3 3 5 4 本章小结3 9 第六章总结与展望4 0 6 1 全文总结4 0 6 2 工作展望4 0 参考文献4 2 致 射4 5 在学期间的研究成果及发表的学术论文4 6 i v 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图2 1 车辆二自由度运动模型6 图2 2 客车转向系统刚度特性9 图2 3 客车力输入下的相对阻尼系数1 0 图2 4 客车力输入下的相对阻尼系数l o 图2 5 客车力输入下的相对阻尼系数1 1 图3 1 车辆三自由度运动模型1 2 图3 2 客车角输入下的相对阻尼系数1 5 图4 1 客车外形三维模型1 8 图4 2g a m b i t 软件中的客车表面网格模型1 9 图4 3f l u e n t 中的客车网格模型1 9 图4 4 空气升力系数曲线2 0 图4 5 空气阻力系数曲线2 0 图4 6 空气升力系数曲线2 l 图4 7 空气阻力系数曲线2 l 图4 8 空气升力系数曲线2 2 图4 9 空气阻力系数曲线2 2 图5 1 客车动力学原理图2 5 图5 2 横摆角速度响应3 0 图5 3 横摆角速度响应3 0 图5 4 横摆角速度响应3 l 图5 5 横向加速度响应3 l 图5 6 横向加速度响应3 2 图5 7 横向加速度响应3 2 图5 8 横摆角速度响应3 3 图5 9 横摆角速度响应3 4 图5 1 0 横摆角速度响应3 4 图5 1 l 横向加速度响应3 5 图5 1 2 横向加速度响应3 5 v 客车高速发飘问题研究 图5 1 3 横向加速度响应3 6 图5 1 4 横摆角速度响应3 6 图5 1 5 横摆角速度响应3 7 图5 1 6 横摆角速度响应3 7 图5 1 7 横向加速度响应3 8 图5 1 8 横向加速度响应3 8 图5 1 9 横向加速度响应3 9 表5 1 某客车主要参数2 8 南京航空航天大学硕士学位论文 注释表 车辆质心处的绝对速度 车辆前桥处的绝对速度 车辆后桥处的绝对速度 前轮转角 前轮侧偏角 后轮侧偏角 前轮侧向力 后轮侧向力 车辆质心处的侧偏角 车辆质心处的绝对速度与大地坐标系x 轴的夹角 车辆纵轴与大地坐标系x 轴的夹角 轴距 质心至前轴的距离 质心至后轴的距离 整车质量 横摆角速度 相对阻尼系数 整车绕z 轴的转动惯量 v i i y 巧 屹 万 西 疋 矿 y ， 口 6 m ， 善 l 客车高速发飘问题研究 前轮绕主销转矩 前轮侧偏刚度 后轮偏刚度 前轮侧偏刚性系数 后轮侧偏刚性系数 质量分配系数 整车绕z 轴的惯性半径 稳定性因素 转向系的刚度 名义前轮转向角 前轮有效侧偏刚度 前轮有效侧偏刚性系数 无量纲车速 空气升力系数 空气阻力系数 空气密度 相对流速 汽车迎风投影面积 空气升力 空气阻力 瓦 墨 心 g q 玎 如 尺 如 磊 一墨 一q y 巴 巳 p s 之 只 南京航空航天大学硕士学位论文 悬架绕x 、z 轴的惯性积 侧倾角速度 悬架质量 侧倾力臂 整车质心横向加速度 悬架质心横向加速度 悬架绕过悬架萤心的纵轴的转动惯量 悬架绕x 轴的转动惯量 前侧倾角阻尼 后侧倾角阻尼 前侧倾角刚度 后侧倾角刚度 侧倾角 整车质心纵向加速度 悬架质心纵向加速度 整车纵向合外力 俯仰角速度 俯仰力臂 悬架绕车身重心的横轴的转动惯量 悬架绕】，、z 两轴的惯性积 i x k p 矗 唧 k p 淝 g 厅 k k 客车高速发飘问题研究 x t z c 口- c q z q r i 8 p 口 f d 。 1 w 七w q i r i pi pi i 劬、万2 、驰、吼 瓦。、瓦： q l 、q 2 、q 3 、q i 乞、毛p 乞p l 前俯仰角阻尼 后俯仰角阻尼 前俯仰角刚度 后俯仰角刚度 俯仰角 转向盘力矩 转向盘转动惯量 转向盘转角 转向柱与z 的夹角 传动比 前轮回正力臂 前轮绕主销的转动惯量 前轮绕主销的当量阻尼系数 换算到主销的转向系刚度系数 四个车轮绕各自旋转轴线的转动惯量 四个车轮的转动角速度 两驱动轮驱动力矩 四个车轮垂直载荷 四个车轮的轮胎拖距 b ，、b ：、巳，、b 。 车身作用于四个车轮的纵向力 令 i a l 、a 2 疋l 兄2 吃 吮 口 艿 比例系数 前轮胎的实际负荷 后轮胎的实际负荷 轮胎的额定负荷 空气阻力作用高度 转向游隙 前轮转角游隙 x i 口 i ， 1 1 引言 高速发飘是典型的操纵稳定性不良的体现，是汽车在高速运行时方向不稳，轮胎抓地性能 显著变差的一种非稳定现象。这里所谓的“飘”，是汽车具有一种低频方向摇摆的固有倾向。从 动力学的观点来看，是转向运动低频模态的阻尼不足的表现。高速发飘是某些汽车遇到的安全 性问题之一，这使得驾驶员对汽车的方向控制变得极为困难，很容易引发安全事故。 高速发飘是汽车操纵稳定性的研究范畴，操纵稳定性包含两个方面：操纵性和稳定性。操 纵性是汽车响应驾驶员意图的能力，稳定性是汽车抵抗外界干扰的能力【l 】。据统计，在过去的 几十年里，交通事故的发生一直处于上升趋势，按照交通事故诱发因素的比例由大到小的排列， 其顺序为操纵稳定性、加速制动性、视野良好性和工作可靠性。所以操纵稳定性是汽车各项性 能的一个主要方面。 操纵稳定性不好的汽车，一般有如下表现【2 】： ( 1 )“飘”。轮胎抓地性差，车辆飘忽不定，不听控制。 ( 2 )“贼”。有时汽车就象受惊的马，突然地忽东忽西，不听驾驶员操纵。 ( 3 )“反应迟钝”。驾驶员转向指令虽已发出相当时间，但汽车还没有转向反应，或转向 过程完成的过慢。 ( 4 )“晃”。驾驶员给出稳定的转向指令，但汽车却左右摇摆，行驶方向难于稳定。这样 的汽车在受到路面不平或突然阵风的扰动时，也会出现这种摇摆。 ( 5 ) “丧失路感”。正常汽车的转弯的程度，会通过转向盘在驾驶员手上产生相应的感觉。 有些操纵性能不好的汽车，特别是在车速较高时或转向较剧时会丧失这种感觉。这会增加驾驶 员操纵困难或影响驾驶员作出正确的判断。 ( 6 )“失去控制”。某些汽车在车速超过一个临界值之后或向心加速度超过一定值之后， 驾驶员已经完全不能控制其行驶方向，驾驶员向左打方向盘而汽车却可能产生向右的转向。 汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度，而且也是决定高速汽车安全行驶 的一个主要性能。所以被人们称之为“高速车辆的生命线”e l 】。 1 2 研究的目的和意义 随着社会经济的发展和汽车科学技术的进步，公路交通呈现出行驶高速化、车流密集化和 驾驶员非职业化的趋势。频繁的交通事故使公路的交通安全成为一个社会广泛关注的问题。这 一安全问题可分为两个部分：主动安全性和被动安全性。主动安全性是汽车具有的在所有交通 客车高速发飘问题研究 状况下尽可能避免交通事故的一种性能，如可靠性、环境视见性、操纵稳定性和加速制动性等。 被动安全性是指汽车在发生不可避免的事故时( 特别是涉及人员伤亡时) ，尽可能减小其后果的 一种性能，包括外部( 骑自行车者和行人) 安全性和内部( 乘员) 安全性。如何设计和检测汽 车以获得良好的安全性，尤其是如何检测汽车的操纵稳定性，始终是各国学者和设计师们的主 要研究方向之p 】。 近十几年来，我国相继建成了大批高速公路、一级和二级公路。公路建设尤其是高速公路 建设的快速发展，引发了传统道路运输业的一次产业革命，高速客运、快速货运、特种运输和 现代物流得到较快发展。高等级公路和运输业的迅猛发展、高速交通环境的大幅度改善以及汽 车行驶速度的大大提高，对汽车的安全性、舒适性也都提出了更高的要求，汽车高速操纵稳定 性问题及其由此引起的行驶安全性问题也日益突出。客车作为高速客运的载体，行驶稳定性的 好坏直接关系到人的生命安全，而且高速稳定性问题己经成为限制客车车速进一步提高的严重 障碍。因此，研究客车的高速稳定性问题有重大的现实意义。 我国对操纵稳定性研究起步较晚，而且大多都集中在轿车和货车两方面，对客车的操纵稳 定性研究较少；而客车作为专用车辆的一种，由于其结构和载荷形式与其他车辆有着显著的差 异，高速操纵稳定性也有着自己的特殊性，因此有必要把客车的高速操稳性作为一个专门的方 向来研究。但我国客车制造厂家技术力量相对薄弱，较少自行组织科研人员进行客车高速操稳 性研究。 客车高速操稳性研究应当先于或同步于客车平均车速的提高，囚为它是保证客车高速安全 行驶的保障之一，这也正是西方汽车工业发达国家的经验。我国的客车高速操稳性研究己经稍 有滞后，随着我国公路网的建设以及高速运行环境的改善，这一领域的研究课题必将日益受到 关注。 1 3 国内外研究现状 汽车操纵稳定性的研究已经有近8 0 多年的历史。首先要研究的问题是具有怎样运动规律和 行驶性能的汽车容易为不同的人所驾驶，其次要研究优化设计方法来提高汽车的操纵稳定性特 性。 ， 几十年来，国内外对汽车操纵稳定性做了大量研究。国内主要集中在长春汽车研究所，清 华大学，吉林大学等单位。国外主要集中在美国、日本和欧洲等汽车工业发达的国家和地区。 现有的研究方法可以归结为开环方法和闭环方法【2 4 1 。开环方法仅以汽车为研究对象，不允许 驾驶员对汽车运动做出任何操纵修正动作，是汽车的固有特性。闭环方法将驾驶员与汽车作为 统一的整体人一汽车系统，而不能忽略驾驶员的分析、判断和修正等操纵的反馈作用。 一般认为，1 9 5 6 年1 0 月9 日在英国伦敦机械工程师学会上所发表的5 篇论文是公认的汽 2 车操纵稳定性领域的经典著作卯。其中的主要贡献是，把航空工业的“系统工程法”作为技术 转移用于汽车操纵稳定性。从1 9 5 6 年以后到1 9 6 9 年的1 0 余年间，尽管有关的基本理论有很大 的发展，但基本特性并没有改变，详见e l l i s 和s t e e d s 的著作【6 丌。2 0 世纪6 0 年代以前，基本上 都是开环方法，所应用的基础是经典控制理论。 2 0 世纪7 0 年代初，试验安全车( e s v ) 研究计划的实施，促使人们去研究实用的操纵稳定 性设计方法。各国研究人员依据大量试验与理论分析，首先提出了稳态响应特性、瞬态响应特 性、回正特性和侧向滑移特性的安全容许极限，对操纵稳定性特性进行客观评价。7 0 年代中期 以后，开始利用驾驶员对汽车直线行驶性能、转弯行驶性能和转向轻便性等特性的感觉，进行 主观评价。然而，人们发现：对汽车的瞬态响应等特性，客观评价与主观评价甚至不一致，难 以有效设计汽车的操纵稳定性特性。原因是客观评价方法仍按照一般控制系统的要求提出，为 开环方法。而主观评价却是驾驶人员按照一定的跟踪要求操纵汽车时对操纵动作难易程度的感 觉。这种感觉不完全取决于汽车本身的特性，还取决于人的行为特性，取决于道路跟踪的要求 【卜1 2 1 。 2 0 世纪8 0 年代初，人们逐渐认识到在广泛地应用那些精巧的汽车模型中有一个基本的障碍， 那就是对驾驶员的特性缺乏基本的认识。最早开始研究人车闭环操纵系统的大概要算m c r u e r 等人，他们作了不少飞行员飞机闭环控制的研究，并推广到汽车上【”】。但是这些工作没有考 虑驾驶员的前视作用这个十分重要的因素。为此，m a c a d a m 、r e d d y 与e l l i s 等人于1 9 8 0 、1 9 8 1 年相继提出了不同的“最优预瞄控制模型” 1 4 , i s 。1 9 8 2 年郭孔辉提出了“预瞄跟随理论”和“预 瞄最优曲率模型”。该模型仿真精度高、物理概念清晰、运算简单并可应用于非线性系统 1 6 j 7 1 。 另外，在试验方面，考虑到驾驶员模型的进展程度不能满足主动安全性闭环设计的要求，以及 安全试验设计方法只能在样车试制后采用并受自然条件限制等缺陷，研制了开发型驾驶模拟器。 这种模拟器缓和了理论研究的发展程度与汽车主动安全性闭环设计要求之间的矛盾【1 0 1 。 2 0 世纪9 0 年代初，郭孔辉提出了闭环系统主动安全性的综合评价与优化设计方法，h a r a d a 基于定常的驾驶员特性建立了以三个单项均方值指标为基础的综合性能指标【2 1 捌，对汽车的主 动安全性进行了较好的综合评价。9 0 年代后期，赵又群从驾驶员一汽车闭环系统的角度，进行 了系统模型建立、闭环系统微分方程求解的高精度方法、驾驶员不确定性的闭环操纵系统主动 安全性评价、具有演变随机道路输入的闭环操纵系统主动安全性评价、驾驶员一汽车闭环系统 主动安全性的优化设计等问题的系列研究，为驾驶员汽车闭环系统主动安全性的客观评价与 优化设计提供了一定的理论依据【2 3 。_ 2 8 】。1 9 9 8 年c r o l l a 给出了汽车操纵性的主、客观综合评价方 法【2 们。2 0 世纪9 0 年代以来，利用开发型驾驶模拟器进行驾驶员汽车环境闭环系统主动安全 性研究，改善汽车操纵稳定性特性，是国际上主要的发展方向之_ 3 0 l 。 3 客车高速发飘问题研究 本世纪以来，2 0 0 2 年，杨英建立了带人体自由度和1 i 带人体自由度的的动力学模型，通过仿 真分析了两种模型的操纵稳定性的区别，讨论了横向稳定杆角刚度的变化、整车重心位置的变 化对客车操纵稳定性的影响，得出操纵稳定性比较差的客车可通过加装适当角刚度的横向稳定 杆或者调整重心位置来改善其操纵稳定性。并提出了用于判断不改变原车操纵稳定性的依据， 同时还给出了相应的极限变动量以供参考f 3 1 1 。 2 0 0 3 年，宋清林在分析客车发飘现象时提出，无量纲车速和前后轮的侧偏刚度比对客车发 飘现象有重要的影响，无量纲车速高的汽车容易产生发飘现象；前后轮侧偏刚度比低的汽车容 易产生发飘现象【3 2 】。 2 0 0 5 年，郭二生对空气悬架大客车操纵稳定性和行驶平顺性进行了仿真与试验研究，阐释 了多体系统动力学的基本理论和方法，建立了空气悬架大客车整车多体系统动力学模型，进行 了整车操纵稳定性和行驶平顺性的仿真和试验研究，分析了空气悬架对大客车的舒适性和稳定 性的影响f 3 3 】。 2 0 0 7 年，乔维高等在分析客车发飘现象时提出，小型车比大型车更容易发生高速发飘现象， 特别是一些微型客车。首先因为小型车轴距较小，降低了高速素质指标。其次小型车转向系传 动比小但车速高，使得转向盘游隙和转向系的低刚度区的影响范围加大。同时轮胎性能的好坏 对客车高速稳定性有很大的影响，因此，汽车应装侧偏刚度较大的宽胎，并且要求转向盘游隙 与转向系低刚度区尽量小。这样可以尽量避免发生高速发飘现象，提高汽车的安全性【3 4 1 。 2 0 0 9 年，喻广强建立了包括前后悬架、转向系、车身、发动机及轮胎等的虚拟样机模型， 对客车的操纵稳定性进行了仿真分析，通过对前轮定位参数的优化设计，改善了客车的转向性 能回正性和转向轻便性【瑚。 1 4 本文的研究内容 本文的主要研究内容是在客车动力学模型的基础上，分析客车的运动特征和产生高速发飘 现象的原因，找到影响高速发飘现象的参数。 研究中的主要内容如下： ( 1 ) 绪论 分析客车操纵稳定性的研究内容，提出高速发飘现象是客车操纵稳定性的研究范畴。总结 目前对客车操纵稳定性和高速发飘现象的研究方法和成果。 ( 2 ) 基于二自由度力输入模型的客车高速发飘分析 主要分析轴距、后轮侧偏刚性系数和车速对高速发飘现象的影响，同时分析了转向系统游 隙和低刚度区对高速发飘现象的影响。 ( 3 ) 基于三自由度角输入模型的客车高速发飘分析 4 ， 南京航空航天大学硕士学位论文 主要分析无量纲车速和前后轮有效侧偏刚性系数比对高速发飘现象的影响，同时分析了转 向系统游隙和低刚度区对高速发飘现象的影响。 ( 4 ) 客车的气动力数值分析 通过数值模拟的方法仿真不同车速下客车的升力系数和阻力系数，通过计算气动力的方程 和某客车的参数计算不同车速下的空气升力与阻力。 ( 5 ) 基于十自由度动力学方程的客车高速发飘问题研究 建立力输入下的客车十自由度动力学方程。仿真分析不考虑空气升力与阻力的情况下，某 客车在力输入情况下的响应情况，研究其是否产生了发飘现象。在考虑空气升力与阻力的情况 下，通过估算客车轮胎侧偏刚度的公式计算轮胎侧偏刚度，将其代入十自由度动力学方程中进 行仿真；仿真得出某客车在力输入情况下的响应情况，研究其发飘现象。改变客车的轴距，在 不同的轴距下重新进行仿真，分析客车的发飘现象与轴距的关系。 5 客车高速发飘问题研究 第二章基于二自由度力输入模型的客车高速发飘分析 汽车的操纵运动分为两类：驾驶员通过转向盘转角输入指令控制汽车的行驶方向叫做角输入 运动，通过转向 ； 转力输入指令控制汽车的行驶方向叫做力输入运动。虽然任一转向操纵运动均 含有这两种成分，但是这两种运动的意义不同，运动的特征也不相同，不可混淆。运动特征包括 自然频率、相对阻尼系数、反应时间、超调量等，影响二自由度力输入运动高速发飘现象的主要 是相对阻尼系数。本章通过二自由度模型建立力输入运动的微分方程，分析高速运行状况下的相 对阻尼系数随轴距、后轮侧偏刚度和车速的变化，研究高速发飘现象。 2 1 二自由度力输入运动模型 2 1 1 坐标系与运动模型 y 0v 图2 1 车辆二自由度运动模型 图2 1 是车辆二自由度运动模型【2 1 。选取大地坐标系为绝对坐标系，固定于车身重心处的坐 标系为相对坐标系。以横摆角与侧偏角为两个自由度建立运动模型。其中侧偏角是包含- j - 俱, j 倾转 向角、侧向力转向角、轮胎侧偏角在内的综合侧偏角。 图中： 6 南京航空航天大学硕士学位论文 y 一车辆质心处的绝对速度； k v - 辆前桥处的绝对速度； 以一车辆后桥处的绝对速度； 占一前轮转角： d 、疋一前、后轮侧偏角： 毋l 、b 2 一前、后轮受的侧向力； 一车辆质心处的侧偏角； 西一车辆质心处的绝对速度与大地坐标系x 轴的夹角： 沙车辆纵轴与大地坐标系x 轴的夹角： ，轴距： a 一质心至前轴的距离； b 一质心至后轴的距离。 2 1 2 运动微分方程 由y 轴力平衡和横摆角方向的力矩平衡列方程得力输入运动的微分方程： 所矿+ 厂) = 长竭( 钏 驴冰：( 一针口薏 式中： ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) m 一整车质量o ，一横摆角速度o ，一整车绕z 轴的转动惯量： l 作用在前轮的转矩； d 。一前轮回正力臂； k ，后轮偏刚度。 2 2 运动特征 运动特征可以由自然频率、相对阻尼系数、反应时间和超调量等。本文分析客车的高速发飘 问题考虑的主要影响因素是相对阻尼系数。 相对阻尼系数为实际阻尼与临界阻尼之比f 2 】： 孝= 去一r l a 2 矿+ byc 匡 式中： ( 2 - 3 ) 7 客车高速发飘问题研究 式中： q 一前轮侧偏刚性系数； c ，一后轮侧偏刚性系数； 互一时间常数； l 一二次时间常数； k 。一前轮侧偏刚度； 7 7 一质量分配系数； 尺z 一整午绕z 轴的惯性半径； k 一稳定性因素。 通常r l ，于是 2 3 某客车运动发飘分析 互= 警 正2 芒 叩= 譬 k ：! f 丝一竺1 ，l k l zk 2 z j q = 纂 g ：x 2 _ 2 c 4 - e 7 亏1 矿 ( 2 - 1 0 ) 某客车参数为：转向游隙为a 0 = + 1 0 。转向系总传动比为f = 2 0 ，轴距为4 5 m ，那么前 轮转角游隙为万= 0 5 。 ( 1 ) 游隙与低刚度区对“高速发飘”的影响 汽车的转向系统由许多环节组成，所以不可避免地存在一定的游隙与低刚度区。 8 ， ) ) ) ) ) ) 4 5 6 7 8 9 一 一 一 一 一 一 2 2 2 2 2 2 ( ( ( ( ( ( 南京航空航天大学硕士学位论文 游陈区 一i o o 0 0 j 夕j么“ 一 1 1督甲。 i ，十 ili ， ， ， 一1 0 l o t2 0 。3 0 。 一一l 犷 低刚度区 y 1 一一2 0 0 图2 2 客车转向系统刚度特性 盘趋 客车转向系统的特性一般如图2 2 所示。转向盘处于小角度位置时的刚度比大转角时的刚度 小很多，而且纯在一个游隙区，在这个区域，转向盘刚度几乎为零。这就是转向系统刚度的非线 性特性，由此可以看出，用式( 2 1 0 ) 来估算运动时的阻尼会产生误差。 事实上，游隙区是一种低刚度区，在游隙区内的方向盘转角变化并不改变力矩，或者说力矩 的变化很小，也就是说游隙区是低刚度区内的刚度极低的部分。 行驶车速为y ，则前轮在游隙内摆动时可以造成的最大横向加速度为： 矿2v 2 a a = 二- 一= 二_ 一万 ( 2 - 1 1 ) rz 式中： 尺一转向半径。 若该客车行驶速度为2 0 m s ，则它在的侧向加速度0 7 7 m s 2 范围内飘摆时，转向系统的 刚度均是零。这时驾驶员基本感觉不到飘摆。 若该客车行驶速度为3 0 m s ，则它在的侧向加速度1 7 3 m s 2 范围内飘摆时，转向系统的 刚度均是零。这时驾驶员能感觉到轻微的飘摆。 若该客车行驶速度为4 0 m s ，则它在的侧向加速度3 0 7 m s 2 范围内飘摆时，转向系统的 刚度均是零。这时驾驶员能感觉到强烈的飘摆。 ( 2 ) 相对阻尼系数、轴距、侧偏刚度及车速等对“高速发飘”的影响 相对阻尼系数是影响汽车高速发飘的一项最基本的评价指标。图2 3 至图2 5 基于不同客车 的轴距下根据式( 2 1 0 ) 计算出的系统相对阻尼系数随后轮侧偏刚性系数及车速的变化曲线图。 9 客车高速发飘问题研究 0 8 莲0 6 婀 雩 圆 1 = ， 釜0 4 骨 0 2 0 01 02 03 04 05 0 车速( 】s ) 图2 3 客车力输入下的相对阻尼系数 图2 3 是力输入下的相对阻尼系数的计算，轴距为4 5 m ，车速为1 0 - - 4 0 肌s 2 。 0 8 甏o 6 嗖 四 扣 亲o 4 0 2 0 车速( m s ) 图2 4 客车力输入下的相对阻尼系数 图2 4 是力输入下的相对阻尼系数的计算，轴距为5 m ，车速为1 0 q o 肌s 2 。 i o ， d1 02 0了d4 05 0 车速( m s ) 图2 5 客车力输入下的相对阻尼系数 图2 5 是力输入下的相对阻尼系数的计算，轴距为5 5 m ，车速为l o - 4 0 m l s 2 。 由图2 3 至图2 5 可以看出，车速越高，系统的相对阻尼系数越小，越容易产生发飘现象。 适当地增大后轮的侧偏刚性系数和轴距，可以提高系统的相对阻尼系数，从而减轻车辆在高速情 况下的发飘现象。这与郭孔辉教授关于汽车二自由度力输入运动的高速发飘分析近似2 1 。 2 4 本章小结 本章介绍了二自由度力输入下客车的高速发飘现象产生的原因与影响因素。 ( 1 ) 当客车在转向游隙内飘摆时，相当于是取消了方向盘转角的力输入运动。此时，转向 系统的刚度为零。客车在游隙内的飘摆不能通过转向系统传递到方向盘，驾驶员就会失去路感。 减小转向系的游隙区和低刚度区，从而减小在游隙内飘摆的侧向加速度，是解决高速发飘现象的 一个重要途径。 ( 2 ) 二自由度力输入运动的相对阻尼系数主要与轴距、后轮侧偏刚性系数和车速有关。增 大轴距和后轮侧偏刚性系数可以提高相对阻尼系数。车速越高，相对阻尼系数越低。由于高速发 飘现象通常是由于相对阻尼系数过低，所以适当的增大轴距和后轮侧偏刚性系数可以降低高速发 飘现象。 客车高速发飘问题研究 第三章基于三自由度角输入模型的客车高速发飘分析 本章主要基于三自由度角输入模型研究客车高速发飘现象。三个自由度分别是前轮转角、横 摆角和侧偏角。与二自由度力输入运动相比，三自由度角输入运动主要考虑了由于转向系统存在 刚度，方向盘转角并不能简单的通过转向系统的传动比换算成前轮转角。而要根据前轮与转向系 的力矩平衡方程式来计算。运动微分方程不同，相对阻尼系数也不同。侧倾转向角、侧向力转向 角和轮胎侧偏角均以轮胎有效侧偏刚度的形式加以考虑。 3 1 三自由度角输入运动模型 3 1 1 坐标系与运动模型 y 0掣 图3 1 车辆三自由度运动模型 图3 1 是三自由度运动模型，由于转向系统无法反映在图中，所以其原理图与二自由模型相 同。x ，y 是固定在汽车上的相对坐标，原点与车身的重心重合，x 轴与车身的纵轴重合，】， 轴与车身的横轴重合。整个车辆的转向运动可以看成是以名义前轮转向角“为输入，以前轮转 角万、重心侧偏角和横摆角速度，为3 个广义坐标输出的三自由度系统。其它参数与二自由度 力输入模型相同。 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 k 5 一氐) = 只，d 。 式中： p r l = k , ( f l + 争万) k 8 一转向系的刚度； 占一名义前轮转向角。 铲i ( + 争氏) 石2 丐k 1 一k i 一前轮有效侧偏刚度： 由此可以看出，计入转向系刚度之后，使前轮的侧偏刚度由k 变成了石。 加矿+ ，) = 一( _ + k ：讼+ 了b k 2 - a k lr + 确 i z i = b k ：一口i 扮+ 华飘 3 2 运动特征 相对阻尼系数： 孝2 击2 - 百l ( a + r l b ) + c 2 ( b + r l a ) 互= 等一 驴南 式中： 百一前轮有效侧偏刚性系数。 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) 1 3 客车高速发飘问题研究 式中： 善 ( 3 - 1 0 ) ，：兰( 3 - 1 1 t )，= ；= = j _ c j 式中：