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第五章 汽车性能、结构与安全,袁 媛,安全：回归社会公众利益本位的品牌诉求,当中国的客车市场新产品迷炫人眼、新造型层出不穷之时，客车产品同质化也日益严重、客运企业营运利润不断下降。于是，急功近利甚嚣尘上，客车事故接连发生7月11日，公安部召开新闻发布会，公安部交通管理局副局长王金彪在会上指出：今年上半年，全国共发生道路交通事故190270起，造成41933人死亡、221838人受伤，直接财产损失7.1亿元。其中，营运车辆交通肇事55939起，造成16102人死亡，分别占总数的29.4%和3.4。在一次死亡10人特大交通事故中，营运车辆肇事20起，占76.9%。在这些交通事故中，除人为因素外，客车本身的安全性也是重要的原因之一。8月3日，由中国汽车工程学会主持的中国客车安全调查结果在北京公布。在被调查统计的12大项中，就有五项调查结果属于客车本身的安全因素，主要是（百分比为选择比例）制动性能（33.36%）、缺少乘客安全带（31.80%）、驾驶员视野受阻（29.71%）、发动机自燃（23.01%）、爆胎（20.52%）。,第一节 汽车使用性能与交通安全,买车考虑因素：动力、安全、操控、舒适、外观、价格、油耗、排量、进口/国产.选什么？为什么？一、汽车动力性能指标汽车动力是汽车最基本的性能1。汽车动力性指标1）最高车速满载、良好水平路面能达到的最高行驶速度条件：水平路面，无风、良好天气,一般小车：3000rpm 120Km（5档）5500rpm 220Km（5档）2）加速时间衡量汽车加速能力原地起步加速时间 0100Km/h所用时间，620秒超车加速时间3040km/h至某一高速,3）最大爬坡度 满载、良好路面能上坡的最大坡度轿车无爬坡指标货车imax30，16.70越野车imax60，310,2。汽车行驶受力分析,3.汽车驱动力,发动机扭矩经多级传输，驱动轮扭矩：,发动机特性曲线发动机输出力矩、功率、油耗 与转速 关系测试条件：发动机供油门一定，发动机扭矩随转速关系,传动系统的机械效率驱动轮输出功率与发动机输出功率之比,4.汽车行驶阻力,1）滚动阻力车轮滚动，轮胎在路面上产生切向力和轴向力，力的相互作用使轮胎和路面变形。,轮胎变形 与轮胎结构、压力、载重等有关,影响滚动阻力因素 轮胎结构、气压、载荷、车速、驱动转矩2）空气阻力汽车行驶与空气形成相对运动，空气作用在汽车外表面上的法向分力称压力阻力摩擦阻力：具有粘度的空气作用在汽车外表面上的切向分力称摩擦阻力,形状阻力 58干扰阻力 14内循环阻力 12诱导阻力 7摩擦阻力 9,3）上坡阻力,4）加速阻力Fj 汽车加速需克服其质量加速运动的惯性力即为加速阻力,5.汽车行驶的驱动和附着条件,汽车行驶驱动力必须满足条件,动力因素 汽车动力性能与什么有关？,驱动力质量,7.汽车加速性能,第二节 汽车安全行驶性能,一、汽车制动安全性1。汽车制动基本原理制动过程制动器制动力Fu,地面制动力,制动器作用在车轮上力,地面作用在车轮上力,2.路面附着系数,地面制动力、制动器制动力、附着力关系地面制动力线性变化地面最大制动力与 地面附着系数有关,车轮滚动状态,附着系数随滑动率变化,附着系数随滑差变化O A 段A B 段B 段以后影响附着系数的因素道路材料、轮胎材料、结构、气压等环境影响，水作用，路面污染,3.制动过程,汽车制动过程（4个阶段）,4.前后制动力分配,探讨汽车前后轴制动力大小和制动时间先后不同对制动性能的影响,5.制动性能评价指标,汽车制动性能评价指标 制动效能、制动效能恒定性、方向稳定性、操纵轻便和反应灵敏性制动效能指汽车迅速降低行驶速度，直至停车能力汽车制动效能评价指标 制动距离、制动减速度、制动力、制动时间,（1）制动减速度,制动器减速度要合理应用？,（2）制动距离 直接直观反映汽车制动性能,（3）制动力和制动协调时间制动效能与制动器制动力，制动器协调时间有关检测、评价较方便制动力间接反应制动效能,2）制动方向稳定性（1）制动跑偏：制动力不等、前轮定位失准、机械运动干涉（2）制动侧滑：附着系数、车轮抱死、载荷不均,前后轮不同抱死侧滑情况,后轮先抱死，前轮无制动：V25km/h轻微侧滑，V=50km/h侧滑严重,曲线a后轮无制动，前轮有足够制动力：侧滑小,曲线b前后都有制动力：后轮先于前轮抱死时间短于0.5秒，侧滑小；大于0.5秒，严重侧滑,前轮先抱死侧滑分析,后轴不抱死，无侧滑，速度Vb,前轮抱死，无足够侧向力，产生侧滑，速度V侧,质心C惯性力Fj垂直方向分力与前轴侧滑力V侧相反，阻止侧滑进一步加大,后轮先抱死侧滑分析,Fj与后轮侧滑方向相同，加剧了侧滑,不能保证制动稳定性,3）制动效能恒定性 制动器抗热衰退和水湿恢复能力热衰退：汽车频繁制动，制动器温度300400度，制动器温度上升，摩擦力矩下降热衰退与制动器材料、结构有关水衰退汽车涉水，水进入制动器，摩擦表面浸水使制动器短时失效，制动效能降低,4）ABS防抱死系统,ABS发展:70年代 分立、模拟电路、可靠性差80年代 汽车上开始使用95年50车辆用ABS04年 国产轿车大部分有了ABS,ABS工作原理,组成：传感器、控制器与制动压力调节器制动过程：半抱死半滚动优点：缩短制动距离(冰雪、湿滑路面除外）提高制动稳定性（不侧滑、不甩尾）保持制动时方向可控改善轮胎磨损状态,ABS防抱死系统,实现ABS控制关键技术：附着系数检测，判别车轮稳定工作区、非稳定工作区参数检测：轮速、角加速度、车辆速度参考车速和移滑率计算路面附着状态识别ABS的组成：普通制动系统车轮速度传感器ABS电控单元制动压力调节装置制动控制电路,二、汽车操纵稳定性,含义操纵性：汽车能按驾驶员要求，维持、改变原行驶方向能力稳定性：驾驶过程受到各种外部干扰，能尽快恢复原行驶状态而不失去控制的能力,1.汽车保持操纵稳定性的重要性,操纵稳定性不好的表现：发飘、反应迟钝、丧失路感、失控,2.影响汽车操纵稳定性的主要因素,1）轮胎侧偏影响：产生一个不由驾驶员控制的附加转向力，影响汽车操纵特性2）车辆悬架弹性系统影响3）车辆倾斜效应4）空气动力影响：测向力、升力、轮胎侧偏刚度,3.汽车稳态转向特性,1）轮胎的侧偏特性：刚性车轮：测向力没有超过车轮与地面的附着极限，没有侧向滑移。超过车轮与地面的附着极限，存在侧向滑移。,弹性车轮：不转静止状态有侧向力情况：没有达到地面附着极限，行驶方向为AA侧偏角与侧偏力有关,2)刚性车轮转向几何关系,结论：刚性车轮，只要侧偏力小于测向附着力，车轮不会移滑，转向稳定,3)弹性车转向几何关系,图略,4）汽车稳态转向特性,试验方法：保持汽车方向盘转角不变，汽车以不同速度作圆周运动，测定车速和横摆角速度，判断汽车转向稳定性中性转向、不足转向和过度转向,4.汽车行驶稳定性的极限,(1)汽车抗侧滑性车轮移滑：汽车侧向力 路面附着力,重力与离心力在路面方向上分力同相，符合取“-”。反之取“+”。,(2)汽车抗横向倾覆当一面车轮法向反作用力为零，车辆将发生倾覆,5.汽车操纵稳定性试验和评价,1）常用的操纵性稳定试验和评价试验方法：角阶跃、角脉冲、正弦角输入回正试验、蛇行、移线、8字型行驶稳态圆周试验、风扰动反应、横摆动角速度评价方法：客观评价：仪器检测主观评价：人工体验和感受 客观评价法是通过测试仪器测出表征性能的物理量如横摆角速度、侧向加速度、侧倾角及转向力等来评价操纵稳定性的方法。主观评价法就是让试验评价者根据试验时自己的感觉来进行评价。汽车操纵稳定性仿真试验,2）人机紧急状态操纵稳定性试验,人、机统一考虑，自成一个闭环系统躲避试验：模拟突遇障碍物，要求车辆快速并入另一车道。蛇行穿杆试验,A级车是1997年9月份在欧洲率先推出的紧凑式微型车。由于重心过高以及无ESP等问题容易发生翻车事故，被全部招回进行轮胎及部件设置的修改A级车的总布置具有十分新颖的特点，有人称是轿车设计的一次革命。它的车身短小，车长只有3.58米，而乘员厢长度达1.835米，相于奔驰C级车的乘员厢总长及空间（参阅两车乘员舱尺寸对照表）。尤其突出的是它的安全性能高，在碰撞试验中，车内乘员安全保护与奔驰E级车相当。这些优点都是A级车创造性总体布置的结果。,6。提高操纵稳定性主要措施,1)动力转向普通转向不能满足安全、舒适、灵活要求，采用动力转向解决。2）自适应感应控制：自动纠偏3）报警与自动控制：防超速、追尾4）四轮转向：转向更灵活、自如5）制动转向控制：提高制动中转向准确性6）驱动力自动调节：提高转向和直线行驶稳定性,第三节 汽车安全装置与结构,汽车结构优劣对行车安全意义重大本节内容：视野，灯光，仪表与显示，驾驶环境，汽车安全防护装置一、驾驶视野1.视野种类和要求前方（直接）视野后方（间接）视野存在视野盲区，尽量避免和弥补,2.汽车最佳驾驶视野1）前上方视野区域前上方视野区域大 小要合适,制动距离与前上方最小视角a，表58,2）汽车前下方视野区域下方视野合理取舍，过大或过小都不利3）汽车间接视野通过后视镜间接看到汽车侧后方区域，但存在盲区。后视镜位置：人的视野有限，需转动头部扩大视区，安装后视镜位置有明确规定采用变曲率大视野后视镜减少盲区,3）汽车视野检测眼椭圆法、投影目测法、计算机测量和模拟、经纬仪法,二、汽车灯光,1.前照灯组成：灯泡组件、反光罩和透光玻璃。采用双丝灯泡：远光灯丝位于反光罩的焦点上，近光灯丝位于焦点上方。在近光灯丝下方加有金属遮罩，下部分的光线被遮罩挡住，以防止光线向上反射及直接照射对方驾驶员而引起眩目。反光罩的形状是一旋转抛物面，将灯泡远光灯丝发出的光线聚合成平行光束，并使光度增大几百倍。透光玻璃是许多透镜和棱镜的组合体，其上有皱纹和棱格。光线通过时，透镜和棱镜的折射作用使一部分光束折射并分散到汽车的两侧和车前路面上，以照亮驾驶员的视线范围。,前照灯配光标准,I区,表示路面的光照度的区,产生眩目方面较为危险的区,主要的测试点有约50 m 距离处的迎面汽车驾驶员眼睛的位置B50L、约50 m距离及75 m距离处的车道右边线光照度两点50R 及75R,路面的附近(距离汽车前面1025 m)的区,汽车灯具新技术主动式弯道照明灯,三、车辆信号和仪表,1。车辆仪表检测数据：车速、发动机转速、水温、油压、电压、燃油量等显示和警示信号：制动、转向、远光等要求：准确、突出主要有用信息、设计满足使用要求2。信号显示信号显示在安全中的重要性,四、驾驶员工作环境,1.减少噪音措施车内噪声来源：发动机、传动系统、排气、轮胎、风扇噪音1）降噪方法：降低噪声源噪声低噪音结构设计、发动机噪声改善、改善结构振动特性，降低辐射噪声、降低排气噪音、降低轮胎噪音隔声方法将声源与周围环境隔离，使其辐射不能直接传输到周围区域，达到降低噪声目的。,吸声方法在空间布置吸声材料，降低声能反射，降低噪音阻尼方法汽车壳体金属薄板受激振动，涂贴阻尼材料，抑制振动降低噪声主动噪声控制方法根据两个声源相干性和声波辐射抑制原理，人为地制造一个控制声源，使其发生的声音与原来噪声大小相等，相位相反的声波，二者作用相互抵消，降低噪音。,2.驾驶室空气调节 汽车空气调节系统是通过调节温度、湿度、风速和换气等，来达到营造车厢内舒适环境。为了维持舒适条件必须要有最小限度的换气量，这种换气量也就是当车门及车窗闭合时仍能从车外引入新鲜空气的程度。车内换气一般采用动压通风及强制通风方式，在适当位置开设进风口及排气口，实现自然通风；强制通风是采用小型电动风扇强制将外界新鲜空气引入。,3.驾驶室活动空间 空间影响舒适性“大肚量”小车应运而生中低档汽车市场上，东风日产颐达、一汽丰田花冠、上海通用凯越、北京现代伊兰特、东风标致307、哈飞赛马等车型其内部空间上的设计上都迎合了身材不同消费者的需求。,五、汽车安全防护装置,1。减轻行人受害措施汽车与行人相撞的三次碰撞汽车正面碰撞行人头等身体部位碰撞发动机罩或风挡玻璃与路面碰撞或受碾压伤害程度:表511主要集中在头部，下肢和胸部,保护措施,吸收式保险杠 为实现降低行人下肢伤害目的，多采用吸能式保险杠，它由保险杠外板、吸能体和骨架构成。利用泡沫材料作为吸能体，这种装置具有结构简单、重量轻、成本低，对上下左右各方向的碰撞均有吸能能力等特点。其吸能元件一般采用聚胺脂类或聚丙烯类发泡树脂材料。,保护行人的发动机盖改进措施：增加空间，留出发动机罩下碰撞距离头部碰撞区域改善调整发动机罩硬度发动机下安装弹出机构行人保护安全气囊,2.减轻乘员伤害的结构措施汽车的碰撞形式：正面、侧面、后面碰撞,正面碰撞安全结构 提高驾驶室变形强度加强车身吸能防止发动机、变速箱等刚性部件侵入驾驶员仓,1）保护乘员生存空间的结构措施,发动机采取较低位置的安装方式，使汽车在遭受正面撞击时，发动机直接滑向汽车中央通道的下方,侧面碰撞安全结构 侧面碰撞时车身变形空间小，所以侧面碰撞受伤的危险性比正面碰撞高得多。为了加强乘员保护，车门、门槛和立柱都要设计成刚性结构，并且越来越多地采用防侧碰安全气囊，来减轻乘员因二次碰撞造成的伤害,1）提高驾驶室的变形刚度,撞车变形的理想区域 考虑撞车安全性的车身结构设计的基本思想是利用车身的前、后部有效地吸收撞击能量，驾驶员仓要坚固可靠，确保乘员的有效生存空间。,正面撞击,40偏侧撞击,侧面撞击,尾部撞击,2)减轻乘员二次碰撞结构措施（1）安全带安全、可靠、防止乘员二次碰撞，减小损伤安全带分类：两点式、三点式、全背带安全带作用和效果安全带正确使用：使用前检查安全带技术性能 正确使用：牢靠、不压在坚硬物品上安全带使用误区：事故后会将使用者困在车内 只有前排乘客需系安全带 有了气囊就不需要安全带,（2）安全气囊安全气囊工作基本设想汽车发生一次碰撞后，二次碰撞前，迅速打开乘员和汽车内部之间的一个充满气体气囊，让乘员扑到气囊上，通过气囊排气节流阻尼，缓冲猛烈碰撞，达到保护乘员作用安全气囊结构和组成关键技术：碰撞判断准确性，点火时刻准确性 抗粗糙路面干扰，高可靠与工作稳 定性,传感器,气囊,气体发生器,控制器,3）减轻乘员的其他结构措施安全转向柱防止或减少方向盘作用与驾驶员，有效吸收碰撞能量安全玻璃：保证视野、破碎时不应对乘员造成大的伤害头枕：限制乘员头部后移，防止或减轻对颈部伤害座椅：足够强度、刚度，乘坐舒适，仪表板：弹性材料，吸收能量,4）防止汽车火灾事故原因：汽车碰撞、油路系统故障、电路系统故障、机械摩擦产热、其他防止方法：防燃油泄漏、防油箱损坏合理设计加油口、布置油管阻燃材料做油箱阻燃内饰材料,第四节 人体耐冲击性与伤害基准,一、人体全身耐冲击性能力全身耐冲击性随作用时间延长而降低,二、人体各部位耐冲击性与伤害基准1。头部耐冲击能力以头部落到刚性平面上，颅骨产生线状骨折，获得的有效减速度GE值GE与减速度、作用时间T有关T越大，危险性越大,汽车碰撞中,人的头部主要会受到两种伤害,头盖骨骨折和脑损伤(脑震荡)。由于在事故中,头盖骨骨折的情况有80%都伴有脑震荡,所以以头盖骨骨折为准来判定脑损伤。美国韦恩州立大学生物力学研究室经过对死尸头部的大量试验研究,于60 年代初得出了一条人体头部承受能力的极限曲线,后来通过数学变换的方法得到了HIC 的计算公式,将HIC=1 000 定为头部伤害指标,对积分的时间间隔没有限制。,3。颈部耐冲击性4。胸部耐冲击性5。大腿极盆骨耐冲击性,鼓、盘式制动器,动力转向,汽车直线行驶时，转向控制阀将转向油泵泵出来的工作液与油罐相通，转向油泵处于卸荷状态，动力转向不工作。汽车需要转弯时，如右转：驾驶员向右转转向盘，转向控制阀将转向油泵泵出来的工作液与R腔接通，将L腔与油罐接通，在油压的作用下，齿条活塞移动，通过扇齿使摇臂抽逆时针转动，拉动主拉杆通过转向节、转向梯形使左有轮向右摆动，从而实现右转向。左转弯则相反。,驾驶者眼睛与后视镜的距离、后视镜的尺寸大小、后视镜的曲率半径三要素，确定后视镜视野后视镜反射率：反射率越大镜面反映的图像越清晰高，高反射率副作用，例如夜间行车在后面汽车前大灯的照射下，经内后视镜的反射会使驾驶者产生眩目感，影响行车安全。,紧急锁止式卷收器，当拉出带速超过某一数值，带子立刻锁住，不能再拉出，目前被广泛使用,安全带类型：两点式、三点式、全背带,安全带作用,当车辆仅以40 km/h的速度行驶发生碰撞时，人身体前冲的力量就相当于从4层楼上扔下一袋50 kg重的水泥块工况类型:头部伤害值(HIC)胸部ms加速度 安全带安全气囊 485 34g 仅使用安全带 570 54g 仅使用安全气囊 592 46g 不使用安全带和安全气囊 1 000 60g 美国和中国的相关法规中规定，HIC值小于1 000时是人体的忍受上限。胸部伤害指标是指在碰撞过程中胸部受伤害的程度。胸部3 ms加速度的上限是60g。,座椅,汽车的瞬态响应，它具有如下几个特点：反应时间：汽车横摆角速度需要经过时间后才能第一次达到反应时间短，则驾驶员感到转向响应灵敏，否则就会觉得转向迟钝。最大横摆角速度r1常大于稳态值r0。r1/r0100%称为超调量，它表示执行指令误差的大小。横摆角速度r在r0值附近波动，波动频率与汽车动力学系统的结构参数有关，表征汽车操纵稳定性的一个重要参数。稳定时间，它表明进入稳态响应所经历的时间。汽车出现汽车横摆角速度r不能收敛的情况，即r值越来越大，转向半径越来越小，而导致汽车产生侧向滑动或翻车的危险。,一般两轮转向（2WS）汽车在中、高速作圆周行驶时，车身后部甩出一点，车身以稍稍横着一点的姿态作曲线运动，增加了驾驶员在判断与操作上的困难。电控4WS汽车转弯行驶时，后两轮也随着前两轮有相应的转向运动。质心侧偏角总接近于零，车厢与行驶轨迹方向一致，汽车自然流畅地作曲线运动，驾驶员能方便地判断与操作，显著地改善了操纵稳定性。,电子稳定性程序（Electronic Stability Program，简称ESP,这类系统是以ABS为基础发展而成的，系统主要在大侧向加速度、大侧偏角的极限工况下工作。它利用左、右两侧制动力之差产生的横摆力偶矩来防止出现难以控制的侧滑现象，如在弯道行驶中因前轴侧滑而失去路径跟踪能力的驶出(Drift Out)现象及后轴侧滑甩尾而失去稳定性的激转(Spin)现象等危险工况。ESP主要控制处于极限工况下的汽车运动，使驾驶员可以按正常驾驶方法顺利通过原本令人难以驾驭的危急状况。ESP根据驾驶员开车时的转向盘角度、油门踏板位置与制动系油压，判断驾驶员的行车意图；又根据汽车横摆角速度、侧向加速度，判断汽车的真实行驶状况；ESP调节发动机功率、由左右侧制动力差构成的横摆力矩及总制动力，以操纵汽车，使汽车行驶状况尽可能地接近驾驶员的行车意图。,ESP结构示意图,(1)紧急制动，猛打方向盘，车辆转向不足。(2)车辆继续冲向障碍物，驾驶员反复打方向盘，以求控制车辆，车辆避开障碍物。(3)当驾驶员尝试恢复正常的行驶路线时，车辆产生侧滑,紧急制动，猛打方向盘，车辆有转向不足的倾向。增加左后轮制动压力车辆按照转向意图行驶。(3)恢复正常的行驶路线，车辆有转向过度的倾向，在左前轮上施加制动力。(4)车辆保持稳定。,避让障碍物,无ESP,有ESP,急转弯,无ESP：出现甩尾，企图通过方向盘来调整方向，可惜为时已晚，车辆侧滑。,有ESP：(1)车辆有甩尾的倾向，自动在右前轮上施加制动力。(2)车辆保持稳定。(3)车辆有甩尾的倾向，自动在左前轮上施加制动力。(4)车辆保持稳定。,在多变的路面上行驶,(1)车辆跑偏（转向不足），即前轮向外偏离弯道，车辆失去控制。(2)一旦驶入干燥的沥青路面，车辆就开始打滑。,(1）车辆表现出转向不足的趋势，即将跑偏。增加右后轮制动力的同时降低发动机输出扭矩。(2)车辆保持稳定,无ESP,有ESP,MSC.Software公司的MSC.ADAMS软件能快速、准确的建立整车动力学模型 整车动力学仿真模型的建立分别建立了各个子系统的模型 整车操纵稳定性仿真对国标GB6323.16规定了考察汽车操纵稳定性各项性能指标的试验,采用虚拟试验技术对汽车的性能进行预测，提出改进有主观评价和客观评价两种意见，达到提高设计质量和加快设计速度的目的,稳态回转仿真 汽车的稳态转向特性是汽车操纵稳定性中最基本和最重要的方面，决定了汽车作为一个动力学系统在转向输入下是否稳定的充分条件，稳态回转不及格的车辆，其操纵稳定性的总评价为不及格。稳态回转仿真模拟仿真试验的工况设定：稳定起步沿半径为15m的圆周行驶，固定转向盘不动缓缓连续而均匀地加速（纵向加速度不超过0.25m/s2），直至汽车的侧向加速度达到6.5m/s2（或汽车出现不稳定状态）为止。稳态回转仿真结果评价 仿真完成后，获得的汽车前后轴侧偏角差值1-2，车身侧倾角与车身侧向加速度ay关系。同时可知汽车的不足转向度U=0.05(/(m/s2)，车身侧倾度K=0.97/(m/s2)，按照QC/T-480的计分方法，该车的侧倾度K的计分值为82分，而不足转向度U未达到计分的下限，即计分值为零分，表明该车的不足转向特性不合格国标要求必须进行改进。,操稳改进及分析 由于稳态转向特性不合格，因此必须采取措施进行改进。由于整车的布置结构形式不可更改，因此主要通过调整整车力学参数，如悬架弹簧刚度和横向稳定杆的直径，来改善操稳性能。前、后悬架弹簧刚度由原来的22N/mm、20N/mm分别增加到28N/mm，26N/mm，横向稳定杆直径由22mm增加到28mm，此时仿真运动轨迹，汽车前后轴侧偏角差值1-2，车身侧倾角与车身侧向加速度ay关系曲线。,制动系工作原理,1.制动踏板 2.推杆 3.主缸活塞 4.制动主缸 5.油管 6.制动轮缸 7.轮缸活塞 8.制动鼓 9.摩擦片 10.制动蹄 11.制动底板 12.支承销 13.制动蹄回位弹簧,盘式制动器,