转向轮绕主销的振动

四、转向轮绕主销的振动 由于转向系统内存在的间隙，转向盘的游隙可以达到510。也就是说转向盘不动时，转向轮可以自由转动大约2040。考虑到系统内部某些部件的弹性变形，转向轮的自由转角还可能更大些。 转向轮的自由转动常带有振动的性质，其频率和角振幅则与转向轮上作用力的特性有关。引起转向轮振动的原因有：转向轮不平衡；前悬架和转向系统的运动学关系不协调；以及车轮与不平路面之间的相互作用。由于某种偶然激发，还可能引起转向轮的自激振动，在一定条件下，这种自激振动可以保持很长时间。 1)转向车轮不平衡引起的振动 车轮的质心如果不在旋转轴上，则称为静态不平衡；如果质心在旋转轴上，而其质量分布不对称于车轮旋转平面，那么离心力引起的合力矩不为零，这时车轮处于动态不平衡状态。 由于车轮不平衡，在旋转时形成对转向主销的力矩，引起转向轮绕主销的振动。而这一力矩的振幅与车速平方成正比，其频率与车速成正比。 2)前悬架与转向系运动学关系不协调引起的振动 图4-50是一种纵置半椭圆钢板弹簧前悬架与转向系布置简图。钢板弹簧固定吊耳在前轴前面，活动吊耳和转向器在前轴后面。板簧发生变形时，转向节上的球销。作为前轴上的一点绕点摆动（试验研究结果说明，点的位置如图4-51a)及4-52所示），由于和不重合，而点只能沿运动，结果转向节将相对于主销发生转动。这样，行驶在不平道路上时，由于车轮相对于车架的跳动，将同时引起转向轮的摆振。为减少这一振动，应将转向器与固定吊耳尽量靠近，使与轨迹贴近，见图4-51h)。 3)转向轮上作用的稳定力矩 前面已经谈到，在进人稳态偏离之后，车轮和地面接触的印迹上单元侧向反力的分布呈三角形，所以合力作用点显然位于印迹中点之后，如图4-53所示，偏距为。即为回正力矩。随车轮所受侧向力的增加，回正力矩随之增大。而在印迹后部的单元侧向反力达到附着极限以后，印迹上单元侧向反力的分布呈梯形，合力偏距。减小（图4-53)。侧向力继续增加，滑移区不断加大，分布由梯形趋于矩形，偏距趋于零。由此可见，回正力矩在达到最大值后，又开始减小（图4-53曲线）。随着法向载荷的增加，回正力矩也随之增大。 如果汽车在直线行驶时，转向轮偶然发生摆动，但汽车在这一瞬间由于惯性还继续向前直线行驶，结果，转向轮将产生偏离。如图4-54所示，左右车轮上作用的回正力矩将使车轮回到直线行驶位置。由于主销后倾，也会使轮胎印迹的反力合力作用点相对于主销轴线产生偏移，这就产生了一个稳定力矩凡（图4-55)。无论是弹性轮胎的回正力矩和主销后倾带来的稳定力矩，都与侧向力有关。因而这二者都是侧向力决定的稳定力矩。主销内倾带来的稳定力矩和轴荷有关。当轿车采用交叉布置的双管路制动系统时，要求增大主销内倾角，使前轮回转半径为负值（见图4-56)。因为正常情况下，轿车前轮制动力大于后轮，所以当一套管路失效时，容易造成制动时的方向偏离，而为负值，可通过前轮的转向来补偿制动偏转（图4-57)。五、操纵租定性试验操纵稳定性试验可以在试车场或实际路面上进行，定的参数是：车速、侧向加速度、侧倾角、侧倾角速度、车轮轨迹、航向角、转向盘操纵力等。采用第五车轮、侧力转向盘、加速度计以及陀螺测量仪等。1)稳态转向特性试验为判断汽车稳态转向特性常采用定圆转向试验。试验时固定转向盘转角，在水平场地上作等速圆周行驶，测定车速，二、转向盘转角B和横摆角速度。汽车速度由低逐级提高，直到侧向加速度值达到要求值为止。也可以把汽车连续加速，根据汽车行经轨迹判断其转向特性（图4-58)。也可通过定侧向加速度试验法。试验时车速分别为40km/h、80km/h、110km/h，调整转向盘转角使汽车的侧向加速度保持0.4g,汽车作等速圆周行驶。测定转向盘转角、车速。和横摆角速度。计算出前轮转向角(，转向系传动比），在图4-59所示的-曲线图上判断其转向特性。 2)瞬态横摆响应试验 在定侧向加速度试验中，我们已经知道了40km/h和110km/h车速下达到稳态圆周行驶侧向加速度为0.4g时的转向盘转角值。在此基础上，可用阶跃试验法来确定汽车瞬态横摆响应。试验时，汽车先以直线行驶，达到40km/h或110km/h时，突然以500deg/s的角速度转动转向盘到上述转角值，保持不变。测定从直线行驶过渡到稳态圆周行驶过程中的各瞬时横摆角速度和转向盘转角，求出瞬时的值，按图4-60所示曲线判断瞬态特性。 3)回正能力试验 在平坦场地上，汽车以40km/h和80km/h作等速圆周行驶，转向盘转角应使其侧向加速度保持0.4g.然后突然完全松开转向盘，汽车将从圆周行驶回复到直线行驶。按图4-61所示要求判断回正能力。第三节汽车被动安全性 一、车辆事故分析和被动安全性的评价方法 道路交通事故的统计和分析是研究汽车被动安全性的基础。根据事故统计，了解事故与气候、道路、时间与驾驶员和车外人员的年龄等的关系，并找出发生频数最多的那一部分事故（即所谓“典型事故”），便于集中力量进行研究。图4-62是轿车碰撞事故分布情况。前部碰撞占64%,而其中一半是车前左侧（右侧通行时）。侧部碰撞是第二种常发生的事故类型。大客车的后部被撞比例高于轿车，大客车的右后角更容易被碰撞。从撞车速度来看，前面撞车速度高于侧向撞车和后部相随撞车。有一半以上的前面撞车事故的速度高于印km/h，而90的后部相随撞车事故的速度低于30km/h。事故中致死伤害的主要是头、胸、下腹和脊椎等部分。图4-63、图4-64分别画出了纵向撞车事故中驾驶员和轿车前排乘客的伤害形成过程。而图4-65上具体表明了某轿车的乘员身体伤害部位分布情况。汽车和自行车碰撞时速度多在4050km/h，而与摩托车碰撞速度则高得多，往往超过65km/h。 大多数行人是在十字路口和道路人口处从侧面被汽车前部所撞。就轿车来说，平均撞车速度不超过35km/h。如果超过40 km/h，则往往导致死亡。而对于载货汽车，20km/h的速度已经会使行人头部受到致命伤害。 为了评价被动安全性，采用了不少指标。其中最简单的是事故的“严重性因素”： 式中：事故中的死亡人数（当场死亡或事故后存活不超过7昼夜的）； 事故中的受伤人数。 各国统计数据表明，一般在1/51/40范围内。常常还用每100万居民、每100万km行程、每100万部汽车的事故死伤人数来衡量道路交通事故的程度。考虑到事故中的伤亡情况的差异，前苏联学者.opakoB提出了“危险系数”的概念：危险系数 式中：轻伤人数（康复期不超过4周）； 重伤人数（康复期长于4周或丧失部分劳动能力）； 未受伤人数； 、,、加权系数，建议取 0.015, 0.36, 1二、内部被动安全性研究表明，事故中人体内伤和脑损伤与减速度直接有关，骨折与作用力有关，组织损伤与剪切应力有关。所以研究内部被动安全性的重要内容是降低人体的减速度。1安全车身在轿车发生迎面碰撞或碰到固定障碍物上时，前部出现特别大的平均减速度(300 400g），而向后逐渐降低。其质心位置的平均减速度为4060g ,瞬时值可达80100g（图4-66)。为了降低迎面碰撞时的减速度，必须在轿车前部做成折叠区（图4-67)。这样，在撞车时可提供400mm到700mm的变形行程，通过前部折叠区的变形来吸收撞车时的动能。折叠区的变形力应满足梯度特性，如图4-68所示。即可分为五个区段：行人保护、低车速保护、对事故伙伴的协调保护、自身保护（针对本车乘员）以及幸存空间。变形力从前向后逐渐增加，使得撞车力较小时，变形仅限于前部零件。后部撞车的速度较低，轿车后部折叠区的变形过程约为，300500mm（见图4-67)。备胎后置有助于减小冲撞加速度，而油箱位置则必须避开折叠区。行李箱盖边缘不能穿过后窗而撞人车内。侧向碰撞时，由于碰撞部位的装饰件和结构件允许的变形行程很小，吸引能量的能力远小于前部和后部，因而引起的车内的严重变形对乘客伤害的危险性很高。伤害危险性很大程度上取决于轿车侧部结构强度（支柱和车门的联接、顶部及底部与支柱的联接）、底板横梁和座椅的承载能力以及门内板的设计。应保证主撞车不致侵人被撞车的乘员室。翻车时，车门应保证不能自开。在活顶式轿车上，可装设展开式翻车保护杆，并约束乘员头部，见图4-69。2限制乘员位移在限位装置中，最简单有效的是安全带（图4-70)。轿车驾驶员和前排乘客多用三点式安全带（图c），后排乘客或载货汽车、大客车乘员也有用腰部安全带的。赛车上则用四点式（图d)。安全带的惯性式锁紧装置只要拉伸速度超过设计速度就可以把安全带紧固。腰部固定点承载能力不应低于22.7kN；肩部固定点则应高于22.9kN。在正常行驶时，安全带可以随意伸长而不妨碍驾驶员的操作和乘员的基本活动。 图471表明，无安全带时的死亡事故在使用了安全带以后可以转化为重伤或轻伤。50km/h撞墙试验时乘员头部的减速度如图4-72所示，可以看出三点式安全带可以使头部减速度降低一半。为了避免在严重事故时乘员过分前移，在安全带上增设了收紧器。在碰撞时，收紧器被触发，收紧作用的时间约为5ms，乘员最大前移距离约lcm，因而减小了汽车和乘员间的速度差。前部安全气囊在发生碰撞时，被以突然、爆炸方式充气，在乘员与气囊接触前充满。气囊与乘员接触时，立即部分放气，并以生理上可承受的表面压力和减速力，柔和地吸收能量，这样至少在很大程度上可以减小乘员头部和胸部损伤。驾驶员前部气囊容积5060L应在3035ms。时间内充满氮气；前排乘员前部气囊容积100140L,要求在50ms内充满。驾驶员的最大前移空间通常为12.5cm，气囊放气时间大约为100ms，碰撞和能量吸收全过程大约在150ms内完成，见图4-73。侧向安全气囊装在车门或座椅架上，由于乘员与向内移动的汽车部件之间距离很小，所以容积为12L的侧向气囊响应时间不得超过3ms,充满时间应小于10ms。影响安全带收紧器和气囊保护效果的决定因素是在准确的时间触发。就气囊来说，要使乘员在气囊仍然处于充满状态并开始放气时与其接触。汽车上的电子控制的触发装置通过加速度传感器来检测碰撞过程中减速力的大小，在识别碰撞类型后（如正面、横向、或成一定角度碰撞）、迅速准确触发气囊和安全带收紧器，引爆气体发生器。侧向气囊利用压力传感器来检测侧向碰撞造成车门变形引发的压力上升，触发气体发生器。两侧使用相互独立的传感器，分别检测各自的压力，决定是否触发。3消除部件致伤因素在乘坐区设计时必须保证在乘员幸存空间内设有致伤部件。在图4-74上画出了在撞车前和撞车后零件变形界限。界限1-1将引起轻伤，界限2-2导致重伤，而3-3将是致命的。由于人体尺寸的差异，乘员乘坐姿势的不同，幸存空间的形式也各不相同，图474上表示的是美国和意大利轿车生产厂家确定的幸存空间形式。仪表板下部、转向盘和挡风玻璃引起伤害的事故频数较高。仪表板下部应安装膝部缓冲垫。挡风玻璃应采用钢化玻璃或夹层玻璃。转向盘可采用弹性有波纹的结构，并且盘缘可以变形，转向柱能弯曲或伸缩。乘员室内各种部件应软化，材料的燃烧速度要小。三、外部被动安全性1桥车与行人的碰撞在轿车与行人碰撞过程中，首先行人腿部撞到保险杠上，然后骨盆与发动机罩前端接触，最后头部撞到发动机罩或挡风玻璃上。这时行人被加速到车速，这就是所谓的“一次碰撞。车速越高，头部撞击点越靠近挡风玻璃。由于汽车制动使行人与汽车分离，行人以与碰撞速度相近的速度撞到路上，这是“二次碰撞”。在有的事故中还发生行人被汽车辗压，这是“三次碰撞”（图4-75)。决定行人伤害严重程度的主要因素是一次碰撞的部位和汽车与人体碰撞的部件形状、刚度。图4-76所示为行人与轿车碰撞的统计结果。设计合理的保险杠应该不仅考虑到内部被动安全性，而且也顾及外部被动安全性。为此，要求一切在公路上行驶的车辆前后均应装有保险杠。从减轻事故中受伤程度看，行人与保险杠的碰撞部位在膝盖以下为好，希望保险杠降低。但保险杠过低，会加大头部在发动机罩或挡风玻璃上的撞击速度。所以保险杠高度取为330350mm是合适的，可以保证大部分行人的碰撞部位发生在膝盖以下。保险杠应该没有尖角和突出部，并且适当软化。从安全角度看，发动机罩前端圆角半径应大些，机罩高度低，挡风玻璃倾角小。在头部撞击区要求妥善软化，并且取消突出部，如雨刷在停止状态时应位于发动机罩下，不设雨沿等。 2载货汽车的外部被动安全性 载货汽车与轿车相比，其质量、刚度和尺寸都要大得多，在与轿车迎面相撞时，轿车损坏比载货汽车严重得多。特别是两者尺寸相差悬殊时，轿车往往“楔人”载货汽车下面，轿车的前部折叠区不能发挥作用，而导致乘坐区受到破坏。 特别是一般载货汽车后部不装保险杠，跟随行驶的轿车在事故中楔人的可能性大大增加。因此对于尾部离地高度不小于0.7m的车辆应装后保险杠，其离地高度为0.380.56m。现在正在研制装于载货汽车尾部的缓冲装置，以减小尾追的轿车相撞时的损坏。 载货汽车与行人相撞时造成的伤亡也远比轿车严重。这是因为一次碰撞中，无论是长头还是平头驾驶室载货汽车，都不可能存在轿车事故中的行人身体在发动机罩上翻转过程，而是在很短时间内行人被加速到货车速度，易于造成人的伤亡。驾驶室上突出的后视镜、驾驶员踏板以及保险杠也容易使行人头部、骨盆和大腿受伤。 四、被