由于轮胎的侧偏特性受地面切向反作用力的影响,所以操纵稳定性与传动系关系密切。不仅如此,近年来切向反作用力还成为改善极限工况下操纵稳定性的一项有效手段。本文主要对地面切向反作用力对稳态转向特性的影响等内容进行简单介绍。
一、地面切向反作用力与“不足-过多转向特性”的关系
主要包括四个方面:汽车在弯道上以大驱动力加速行驶、驱动力对侧偏角α的影响、前轮受驱动转矩的影响和驱动力增加时轮胎回正力矩的影响。
1、汽车在弯道上以大驱动力加速行驶,此时由于质心转移,前轴垂直载荷减小、侧偏刚度减小、侧偏角增加;后轴垂直载荷增大、侧偏刚度增大、侧偏角减小。因此,汽车有增加不足转向的趋势。
2、驱动力Ft对α的影响,以图1的附着椭圆进行说明。
可见,当驱动力增大时,要保持侧向力不变,则必须使侧偏角增大。即,节气门开度变大、汽车在弯道上加速行驶时,为了能提供所要求的侧偏力,前轮侧偏角必然增大。这是前驱汽车有不足转向趋势的另一个原因。
3、前轮受半轴驱动转矩的影响,会产生不足变形转向,增加了前驱动汽车不足转向的趋势。如图2所示。
Tk为作用于前轮绕主销的力矩,其推导如图3所示。
其中,FX为切向力,rσ为接地面上的主销偏置距,σ为主销内倾角,τ为主销后倾角,ξ为半轴与水平线的夹角(半轴水平时为0),r为车轮半径。
汽车在弯道上行驶时,车厢侧倾,外侧车轮的ξ角减小,内侧的增加。因此,作用于外侧车轮的Tk减小,内侧的增加。这两个力矩之差使前轮受到一个令转向角变小的力矩,增加了汽车的不足转向趋势。
4、随着驱动力的增加,轮胎回正力矩通常也会有所增加,这也增加了前轮驱动汽车的不足转向趋势。
综上所述,驱动力的作用是增加前驱动汽车的不足转向趋势。
显然,当用发动机制动时,上述1、3、4项的影响将使汽车有增加过多转向的趋势。正因为这个原因,大功率的前驱动汽车在大油门加速中若突然松开油门踏板,汽车的转向特性会发生明显变化,甚至成为过多转向,发生“卷入”。
后轮驱动的汽车在进行发动机制动时,由于制动力的作用增大了后轴侧偏角,产生了过多转向的趋势,也常有“卷入”现象。
二、地面切向反作用力控制转向特性
三种不同驱动形式的汽车,在冰雪路面上以一定初速度圆周行驶,固定转向盘转角,然后以不同纵向加速强度加速行驶1s后,汽车的横摆角速度变化曲线如图4所示。
可见,前轮驱动的汽车有强不足转向特性,后轮驱动的汽车有过多转向的特性,四轮驱动(4WD)的汽车横摆角速度无明显变化,有不足转向特性。
制动力对轮胎侧偏特性的影响与驱动力相似,改变制动力在前后轴上的分配比例,同样可以起到控制汽车曲线运动的作用。因此,下面讨论切向反作用力控制汽车曲线运动的基本概念。切向力控制的方法主要有三种:总切向反作用力控制、前后轮间切向力分配比例控制和内外侧车轮间切向力分配的控制。
1、总切向反作用力控制,主要包括ABS和TCS。
ABS是总制动力控制,保证较佳的滑动率,提高制动时汽车的方向稳定性;TCS是总驱动力控制,防止出现过大的滑转率,提高驱动时汽车的方向稳定性。
2、前后轮间切向力分配比例控制,如图5所示。
可见,越是前驱车,不足转向量越大;越是后驱车,不足转向量越小。因此,可以通过电子控制前后驱动力分配系统,实现一定的转向特性。
3、同一根轴内外侧车轮间切向力分配的控制。由于改变内外侧驱动力分配的比例,与在装有普通差速器的汽车上再施加一定数值的横摆力偶矩是一样的,因此,这种驱动力的控制方式也称为横摆力偶矩控制。由二自由度汽车模型可得:
FY1+FY2=m*ay
FY1*a-FY2*b=IZ*横摆角加速度
汽车稳态圆周行驶时,横摆角加速度为0,侧向力与质心位置相关。而当后轴左右车轮施加不同切向力时,则可改变前后侧向力的变化趋势,从而影响转向特性,如图6所示。
四轮驱动汽车(4WD)在不同内外侧驱动力分配比例时、固定转向盘加速行驶的路径如图7所示。
图5所示为内外侧车轮的驱动力相等、而观察前后轴驱动力变化的影响;图7所示为前后轴驱动力相等,而观察内外侧车轮驱动力变化的影响。
可知,随着外侧车轮驱动力的增大,汽车越来越趋向于过多转向。直接横摆力偶矩控制提高弯道加速行驶的机理如图8所示。
也就是说此时的横摆角加速度不一定为0。通过控制后轴左右车轮不同的切向力,改变前后侧向力的变化趋势,从而影响转向特性。
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