前后驅(qū)汽車低速轉(zhuǎn)向受力分析對比研究

1、第7期2016年7月機(jī)械設(shè)計(jì)與制造MachineryDesign＆Manufacture201前后驅(qū)汽車低速轉(zhuǎn)向受力分析對比研究廖林清1，陳榮中2，任志鵬2，李楠2(1重慶理工大學(xué)汽車零部件制造及檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400054；2重慶理工大學(xué)車輛工程學(xué)院，重慶400054)摘要：建立了前、后驅(qū)汽車低速轉(zhuǎn)向時(shí)的受力模型并用解析法列出其方程。運(yùn)用圖解法對其進(jìn)行分析得到了前、后驅(qū)汽車的驅(qū)動(dòng)力、軸向力的表達(dá)式；表明運(yùn)用圖解法比運(yùn)用解

2、析法去解各力更簡單、更直接、更易懂，得到了各力隨轉(zhuǎn)向角的變化規(guī)律；從各力的研究分析表明前驅(qū)汽車轉(zhuǎn)向?qū)?huì)引起轉(zhuǎn)向不足，后驅(qū)汽車轉(zhuǎn)向會(huì)有轉(zhuǎn)向過度。前后驅(qū)汽車側(cè)偏剛度相等時(shí)后驅(qū)汽車的側(cè)偏程度比前驅(qū)汽車更嚴(yán)重；得到了汽車低速轉(zhuǎn)向時(shí)的側(cè)偏力和轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，為求低速狀態(tài)下的汽車轉(zhuǎn)向中心奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：受力分析；力學(xué)模型；圖解法中圖分類號(hào)：THl6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001—3997(2016)07—0201—04TheLowSpeedS

3、tressComparisonStudyoftheFrontandAfterDrivenSteeringCarLIAOLinqin91，CHENRongzhon92，RENZhipen92，LINan2(1ChongqingUniversityofTechnologyKeyLaboratoryofManufactureandTestTechniquesforAutomobilePaasofMinistryofEducation，Chon

4、gqing400054，China；2ChongqingUniversityofTechnologySchoolofVehicleEngineering，Chongqing400054，China)Abstract：ThestressmodelsoffrontwheeldriveCOFandofterwheeldrivecarasestablishedrespectivelywhenthecarweresteeringatlowspee

5、d，theirequationswerelistedbyanalyticmethodUsingthegraphicalmethodtoanalyzethestress，gotthedrivenforceexpressionsandtheaxialforceHavingaconclusionthatthegraphicalmethodismoresimple，moredirectandmoreeasiertoknowthanthegrap

6、hicalmetho&Gottheruleoftheforcewhenitchangeswiththes把ering礎(chǔ)AnalyzingforcesleadtheconclusionthatthefrontwheeldriveCavhavethetendencyofundersteerandtheafterwheelCarismorelikelytobeoversteeringTheafterwheeldrivecarhasamores

7、eriousdegreeofcorneringthan脅efrontonewhentheyhavetheS021記corneringstiffnessTherelationshipbetweencorneringforoeandsteeringangelisobtainedunderthesituationwhentheCarissteering謝lowspeed1ayingthefoundationforautomotivesteer

8、ingcenterKeyWords：StressAnalysis；MechanicalModel；Graphic1引言汽車轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)是汽車行駛過程中最基本的運(yùn)動(dòng)。研究汽車轉(zhuǎn)向特性需先從較簡單的汽車轉(zhuǎn)向開始然后不斷地施加條件(轉(zhuǎn)向的側(cè)向力、離心力等)來滿足或者接近實(shí)際轉(zhuǎn)向的狀態(tài)。汽車構(gòu)造ftJ書中講了最理想的汽車轉(zhuǎn)向條件阿克曼原理，但是書中并沒有講汽車在有側(cè)偏后的汽車轉(zhuǎn)向中心怎么求。文獻(xiàn)12。3對轉(zhuǎn)向阿克曼原理進(jìn)行了詳盡地幾何分析與實(shí)際驗(yàn)證

9、，并基于級(jí)數(shù)展開建立近似運(yùn)動(dòng)綜合方程，得到的四桿機(jī)構(gòu)只能在很小的范圍內(nèi)較精確滿足轉(zhuǎn)向條件；但是他們并沒有發(fā)現(xiàn)汽車側(cè)偏后并不會(huì)滿足理想阿克曼轉(zhuǎn)向定理，而且并未對其進(jìn)行修正。文獻(xiàn)陽分析了汽車滾動(dòng)輪胎的靜力學(xué)受力特性，但是他并沒有分析低速下汽車的受力情況以及汽車側(cè)偏后的汽車的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向中心如何求的問題。文獻(xiàn)嗡提出并定義了什么是汽車最簡轉(zhuǎn)彎態(tài)的概念，此概念也是基于低速轉(zhuǎn)向的狀態(tài)。因此基于汽車低速轉(zhuǎn)向時(shí)對汽車的受力進(jìn)行分析研究，為對考慮汽車有側(cè)偏的

10、研究打下基礎(chǔ)。2汽車前后驅(qū)力學(xué)模型研究汽車在忽略離心力、車輪外傾角、空氣阻力以及懸架作用時(shí)汽車在低速轉(zhuǎn)向時(shí)可以視為汽車在作平面圓弧運(yùn)動(dòng)，可以視為平面任意力下的一個(gè)力平衡；所以在此狀態(tài)下汽車轉(zhuǎn)向時(shí)所受的合外力為零。以左轉(zhuǎn)向?yàn)槔?，假設(shè)汽車的幾何中心和汽車的質(zhì)心重合rr0tg許以汽車質(zhì)心為原點(diǎn)建立汽車前驅(qū)受力模型，如圖1所示。如圖2所示，汽車后驅(qū)受力模型；圖中參數(shù)，如表1所示。來稿日期：2016一叭一24基金項(xiàng)目：重慶市應(yīng)用開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(cs

11、tc2014yykfB70008)；重慶理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(Ycx2014203)作者簡介：廖林清，(1966一)，男，四川仁壽人，碩士研究生碩士生導(dǎo)師，教授，主要研究方向：汽車現(xiàn)代設(shè)計(jì)及理論研究萬方數(shù)據(jù)No71竺!：：壟!!機(jī)械設(shè)計(jì)與制造203—————————————————————————————————————————————————————一sin單軸向力：I黜l=lDcI：Jo，J—丟(1)cos等BaCOS—■■一驅(qū)動(dòng)

12、力：lDH『=loDI=JD，l—丟(2)cos等對于后驅(qū)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，已知驅(qū)動(dòng)力為0A方向且受力的箭頭指向0；汽車內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪滾動(dòng)阻力大小為IOHI：IODIIOHI：IOOl=F4；^：。內(nèi)輪滾動(dòng)阻力方向?yàn)镈D方向且受力箭頭背離0；夕p輪滾動(dòng)阻力方向?yàn)?Ⅳ方向力的受力方向背離0。連接DH并延長交0一于點(diǎn)，，交／_HOD的角平分線于點(diǎn)G。由滾動(dòng)阻力IOHI=IODI得滾動(dòng)阻力的方向?yàn)锳HOD的角平分線朋方向，受力箭頭方向指向D。由圖易得，

13、GJ()G，滾動(dòng)阻力合力的一半為IOCll)I及軸向力的合力的方向垂直滾動(dòng)阻力的合力的方向。由力的作圖法可得汽車轉(zhuǎn)向時(shí)所需驅(qū)動(dòng)力的大小的一半為1011；過，作垂直于伽的直線分別交過點(diǎn)H作垂直于DH的直線于點(diǎn)B，交過點(diǎn)D作垂直于OD的直線于點(diǎn)c，所1以IDCI、IBHl分別表示汽車轉(zhuǎn)向時(shí)的內(nèi)外軸向力的大小，軸向力的方向分別為D點(diǎn)指向c點(diǎn)的方向和H點(diǎn)指向B點(diǎn)的方向。同前驅(qū)應(yīng)用等弦所對的圓周角相等證明可得軸向力IDCI=IBHI；由圖也可得到

14、：軸向力：lDcf：I刪I=JDHltan篾竺(3)Zcost8O—t驅(qū)動(dòng)力：Io，I=『o日I—(4)cos學(xué)4汽車前后驅(qū)各作用力圖解法分析由式(1)一式(4)可知不管是前驅(qū)汽車還是后驅(qū)汽車其所受的驅(qū)動(dòng)力和軸向力與汽車轉(zhuǎn)向的兩轉(zhuǎn)角之和或者與兩轉(zhuǎn)角之差有關(guān)，因此建立如圖4、圖5所示圖解分析：由圖4可知／_HOD表示兩轉(zhuǎn)角之差；汽車前驅(qū)時(shí)滾動(dòng)阻力013已知如圓咖p變化。當(dāng)兩轉(zhuǎn)角之差不變時(shí)，我們從圖可以知道汽車所需的驅(qū)動(dòng)力OH和水平軸線的交

15、點(diǎn)、軸向力(方向與驅(qū)動(dòng)力垂直)均隨著轉(zhuǎn)角之和的增大而增大。后驅(qū)汽車時(shí)已知前輪的滾動(dòng)阻力OH、OD以及軸向力方向分別與OH、DD垂直；當(dāng)兩轉(zhuǎn)角差不變時(shí)即／_HOD不變，我們可以看出轉(zhuǎn)角之和即不同的I點(diǎn)和縱軸的夾角逐漸增大汽車所需的軸向力OC和驅(qū)動(dòng)力觀而增大。由圖5可知當(dāng)前驅(qū)汽車的轉(zhuǎn)角之和／_10G不變兩轉(zhuǎn)角之差／liOD變化時(shí)，從圖中我們可以得出驅(qū)動(dòng)力D‘軸向力D：c。隨著轉(zhuǎn)角之差的減小而減小。一I，一。瓣／V：|一一|一一／n≈。姜≯a

16、一，／’D14網(wǎng)4汽車前后驅(qū)兩轉(zhuǎn)角之差不變Fig4TheDeviationInvariantoftheTwoSteeringAngeloftheFrontandAfterWheelCarf，√除。甏羅1一c圖5汽車前驅(qū)兩轉(zhuǎn)角之和不變Fig5TheSumlnvariantoftheTwoSteeringAngeloftheFrontandAfterWheelCar5汽車前后驅(qū)各作用力分析基于前面的圖解法分析得到式(1)式(4)，下面根據(jù)某

17、車型帶入具體參數(shù)進(jìn)行分析I“I。某車型的具體參數(shù)，如表2所示。表2某車型參數(shù)Tab2TheParameterofOneCar其中，汽車整車質(zhì)量為車體質(zhì)量和駕駛員質(zhì)量(75，kg)之和；可以得到整車質(zhì)量m為1865kg。假設(shè)汽車所受的滾動(dòng)阻力均勻分配給各個(gè)車輪且滾動(dòng)阻力系數(shù)用p表示，所以滾動(dòng)阻力可以表示為：前后驅(qū)：％=％=午0018x18654kgx98k#N一822465N將上數(shù)據(jù)帶入式(1)一(4)、(1)和(3)可以得到變化規(guī)律，如

18、圖6、圖7所示，圖6汽車前后驅(qū)各力隨內(nèi)輪轉(zhuǎn)角關(guān)系Fig6TheRelationshipofFrontandMterWheelCar’sForcesandInnerWheelAngel圖6中線1和2表示汽車的驅(qū)動(dòng)力隨內(nèi)輪轉(zhuǎn)角的變化趨勢；線3和4表示汽車軸向力隨內(nèi)輪轉(zhuǎn)角的變化趨勢；虛線l和3表示后驅(qū)汽車實(shí)線2和4表示前驅(qū)汽車。從圖中我們可以看出后驅(qū)汽車的驅(qū)動(dòng)力和軸向力均是隨內(nèi)輪轉(zhuǎn)角的增大而增大；前驅(qū)汽車的驅(qū)動(dòng)力隨內(nèi)輪的轉(zhuǎn)角增大而減小，軸向力