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考研《汽车理论》重难点
这是一篇关于汽车理论的思维导图，凝聚了一位20余年教龄教授的心血。从学习方法、学习主线、学习思路及学习内容逐一展开，课程内容包括：汽车动力性，燃油经济性，动力装置参数选定，汽车制动性，操纵稳定性，汽车平顺性，汽车通过性。供汽车理论爱好者、在读大学生及汽车系统动力学工程师学习、参考、珍藏。
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汽车理论
汽车动力性
动力学定义
汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决定的、所能达到的平均行驶速度
道路——良好路面：水平或坡路，不是地面 运动——直线行驶，并非实际行驶路线 外力——纵向外力决定的运动，忽略横向和垂向 能力——所能达到的 有效性——运输效率——最基本、最重要的性能
环境及条件
按照对汽车动力性的基本定义，如何评价汽车的动力性？从哪几方面评价会比较全面？不同车型对动力性的要求是否相同？
动力性评价指标 衡量性能优劣的 定量参数
最高车速uamax
定义：在水平良好的路面（混凝土或沥青路面）上 汽车能达到的最高行驶车速 u，km/h；v，m/s
讨论：现在的各类汽车的最高车速大约多少？ 在高速公路上可以得到充分发挥吗？
加速时间t
原地起步加速时间 汽车由I档或II档起步，并以最大的加速强度（包括选择恰当的换档时机）逐步换至最高档（不一定是最高档）后到某一预定的距离（一般用0—400m）或车速（0—100km/h）所需的时间。
超车加速时间 汽车用最高档或次高档由某一较低车速（30km/h 或 40km/h）全力加速至某一高速所需的时间
最大爬坡度imax
定义：汽车依靠其自身动力能匀速向上行驶的最大坡度 代表了汽车的极限爬坡能力，它应比实际行驶中遇到的道路最大坡度超出很多。 采用坡度，而非角度。直观性、方便计算附着能力。不考虑间隙失效等通过性指标
测试方法
室内台架试验 GB/T 18276—2017
规定了台架试验的基本原理、试验内容、试验方法和试验结果计算方法等
在室内台架试验中，车辆底盘测功机测控系统通过对车辆驱动轮速度和扭矩进行测量，计算出需要加载的实时载荷，控制加载装置对滚筒进行加载，模拟车辆在道路上的行驶
问题
车辆驱动轮输出功率动力 性检测方式不足的问题
解决方案：采用发动机功率达标法原理，使用底盘测功机，通过功率吸收装置加载检测驱动轮轮边稳定车速，与发动机额定功率车速相比该方法可有效评价营运车辆动力性衰退程度 刘元鹏，仝晓平.基于达标法的柴油车辆动力性台架检测方法[J].公路交通科技，2018, 35(6):131-136
如何对滚筒实现精准加载
目前常采用比例积分微分(Proportion Integration Differentiation, PID)对滚筒加载实现车辆速度稳定控制系统偏差调节，从而使被控变量实际值与工艺要求的预定值一致。
Shi等提出了一种基于Q学习算法的自适应PID控制器，在控制过程中根据系统状态改变线性PID控制器的增益以平衡系统。 SHI Q,LAM H K,XIAO B,et al.Adaptive PID controller based on Q-learning algorithm [J].CAAI Transactions on Intelligence Technology,2018,3 (4):235-244 在控制性能方面存在着微小振荡和明显的超调和欠调，可能导致系统不稳定。
乔通等提出了一种基于强化学习的底盘测功机控制策略，以解决底盘测功机控制系统在动态控制时出现较大延迟的问题。 乔通，周洲，程鑫，等.基于Q-学习的底盘测功机自适应PID控制模型[J].计算机技术与发展，2022,32(5):117-122
Zhang等设计了一种模糊PID控制策略以辅助驱动加载控制设备，在传统PID控制上增加了模糊推理模块以进行实时调节，从而加快对试验车的响应。 ZHANG X,ZHOU Z.Speed control strategy for tractor assisted driving based on chassis dynamometer test [J].International Journal of Agricultural and Biological Engineering,2021,14 (6):169-175
道路试验
原理：将车辆放到实际路面上进行动力性测试。该试验方法对测试系统的可靠性依赖程度较高，对传感器的安装位置、物理体积、信号采样同步性等因素均存在更高的要求。
驱动力-行驶阻力 驱动动力学分析
汽车行驶方程
汽车驱动力
各部分解析
发动机转矩Ttq
发动机（转速）特性曲线 将发动机的功率、转矩以及燃油消耗率与发动机曲轴转速之间的关系以曲线表示，则此曲线称为发动机转速特性曲线，简称为发动机特性曲线。
外特性曲线 节气门全开(或高压油泵在最大供油量位置)的发动机特性曲线
部分负荷特性 节气门部分开启(或部分供油)的发动机特性曲线
使用外特性曲线 带上全部附件设备时的发动机外特性曲线
转矩曲线的多项式描述 常采用多项式来描述由试验台测得的接近于抛物线的发动机转矩曲线
系数用最小二乘法确定
传动系的机械效率ηT
主要损失部件 变速器和主减速器(含差速器)
主要损失形式 液力损失和机械摩擦损失。液力损失, 如搅动和磨擦, 它与润滑油品种、温度、转速、油面高度等有关
直接挡（IV挡）工作时，啮合齿轮不传递转矩，其效率比超速挡（V挡）高； 同一挡位转矩增加时，润滑油功率损失所占比例减少，传动效率较高； 转速低时搅油损失小，传动效率较高。
汽车传动系机械效率 轿车ηT=0.90~0.92 商用车ηT=0.82~0.85 越野车ηT=0.80~0.85
车轮半径 r
存在不同的概念，分别对应不同的场合
自由半径 车轮处于无载时的半径
对于正常装配于车轴上、承受载荷的车轮来说，该参数没有意义
静力半径 rs 汽车静止时，车轮中心至轮胎与道路接触面间的距离
亦称“动负载半径”。无论车轮静止还是运动，静力半径的概念都是存在的。 静力半径也就是地面纵向力（无论是驱动还是制动）作用线至轮心的距离。
静力半径用于受力分析，也就是在力和力矩之间转换时使用
滚动半径 rr rr=S/(2πnW) S—行驶距离；nW—转动圈数
滚动半径用于运动分析，也就是在速度和转速（角速度）之间转换时使用
欧洲车轮委员会 rr=CR /(2π) = F×d/(2π) CR –滚动圆周长；F——计算常数。 其中:子午线轮胎 F=3.05, 斜交轮胎 F=2.99
通常：rs= rr= r
计算
例：某型汽车发动机最大转矩为140Nm，其四挡变速器的传动比分别为：6.09、3.09、1.71、1.00，主传动比为5.8，传动系效率为0.88，车轮半径为380mm，试计算汽车各挡的最大驱动力。
可借助AI帮助，尝试将此练习解题过程采用MATLAB或者Pathyon编程实现
从这些不同档位的驱动力大小，可以发现什么？ 哪个档位的加速性能更好？为什么？
汽车的驱动力图 根据发动机外特性确定的汽车各挡驱动力与车速之间的函数关系曲线图
1)确定发动机外特性Ttq-n数据表（或曲线转化为数据表，或回归公式）
2)选定第1挡，根据已经确定的发动机外特性Ttq-n数据表（或回归公式），以发动机转速n为参数，按下面两式计算求出在不同发动机转速下的驱动力Ft及对应的车速ua，构成一系列数据点（ua，Ft），将这些点在直角坐标系中连成曲线，即得到第1挡的驱动力曲线。
3)按第2)步的方法绘制其它挡的驱动力曲线，各挡的驱动力曲线即构成汽车的驱动力图
整车驱动力分层控制策略结构
何德峰,侍宇洁.四驱电动汽车驱动力分配阶梯式模型预测控制[J].浙江工业大学学报,2020,48(01):7-12+24.
车辆纵向动力学方程：M为车重;Fw是空气阻力;CD为空气阻力系数;Av为迎面面积;vx为纵向速度;ax为纵向加速度,满足ax=dvx-vyγ,其中dvx为纵向速度偏导,vy为横向速度,γ为横摆角速度;Ff是车体滚动阻力,δ是方向盘输入角;Fxi(i=1,2,3,4)分别是右前轮、左前轮、左后轮、右后轮的纵向力;Fyi(i=1,2,3,4)分别是右前轮、左前轮、左后轮、右后轮的侧向力
车辆横向动力学方程：ay是车辆横向加速度,满足ay=dvy+vxγ
车辆横摆动力学方程：Iz为横摆转动惯量;La和Lb分别为车辆重心到前后轴距离;d是车轮间距
练习： 一辆货车的车轮半径为0.367m，传动系效率为0.85，主减速器传动比为5.83，五挡变速器的变速比分别为：5.56、2.769、1.644、1.00、0.793，发动机最低转速为600r/min，最高转速为4000r/min，发动机使用外特性曲线的拟合公式为 其中，Ttq为发动机转矩（Nm），n为发动机转速（r/min）。试绘制汽车的驱动力图。
可借助AI帮助，尝试将此练习解题过程采用MATLAB或者Pathyon编程实现
讨论
驱动力的影响因素/参数 如何影响？
汽车的行驶阻力
滚动阻力
定义：轮胎在路面上滚动时所受到的阻力。源于轮胎的弹性迟滞效应
轮胎的弹性迟滞效应：指的是轮胎承受垂直载荷时，由于材料内部存在摩擦和阻尼等因素，加载过程的受力-变形关系和卸载过程的受力-变形关系之间存在一定滞后的效应。
滚动阻力偶矩：轮胎滚动时，由于存在弹性迟滞效应，接地区域内任意一对对称点的地面法向反力必然成“前大后小”的分布，则地面法向反力的合力FZ必然相对于重力G偏前一距离a。FZ与G构成滚动阻力偶，其大小即滚动阻力偶矩Tf=Ga。
受力分析
真正驱动车轮前进的力是地面切向反力FX2， 其在数值上等于汽车驱动力Ft与滚动阻力Ff2之差。
计算
滚动阻力系数计算 及影响因素分析
由试验确定
经验公式
影响因素
速度ua
轮胎的结构、帘线和橡胶的品种、轮胎的充气压力
子午线轮胎 f 小，天然橡胶 f 低
行驶工况
最新研究文献
[1]赵又群,郭硕,王峰,等.汽车轮胎滚动阻力研究综述[J].重庆理工大学学报(自然科学),2024,38(01):1-8.
[2]周涛,官声欣.轮胎滚动阻力性能的影响因素和仿真优化[J].汽车制造业,2024,(06):43-44+54.
[3]张玉明,沙洲.整车行驶阻力系数插值计算方法研究[J].汽车实用技术,2024,49(23):61-65.DOI:10.16638/j.cnki.1671-7988.2024.023.012.
[4]李傲,王强.低温工况轮胎滚动阻力对电动汽车能耗影响[J/OL].交通科技与经济,1-7[2025-02-07].https://doi.org/10.19348/j.cnki.issn1008-5696.2025.01.009.
[5]Park Jong Won; Jeong Hyun Yong.Finite Element Modeling for the Cap Ply and Rolling Resistance of Tires [J]. International Journal of Automotive Technology. Volume 23 , Issue 5 . 2022. PP 1427-1436
[6]Sharma, A. K., Bouteldja, M., & Cerezo, V. (2020). Multi-physical model for tyre–road contact – the effect of surface texture. International Journal of Pavement Engineering, 23(3), 755–772. https://doi.org/10.1080/10298436.2020.1769844
空气阻力
定义：汽车直线行驶时受到的空气作用力在汽车行驶方向上的分力。
分类：压力阻力和摩擦阻力 压力阻力分为四部分：形状阻力、干扰阻力、内循环阻力、诱导阻力。 压力阻力（压差阻力）—源于空气与车身的法向作用力。 摩擦阻力—源于空气与车身的切向作用力。
形状阻力：主要与汽车的形状有关，约占58％。 干扰阻力：汽车突出部件，如后视镜、门把手、导水槽、驱动轴、悬架导向杆等，约占14％。 内循环阻力：发动机冷却系、车身通风等气流流过汽车内部，占12％。 诱导阻力：空气升力在水平方向的分力，占7％。 摩擦阻力力：9％。
计算公式
其中，CD空气阻力系数； 迎风面积A(m2)； 车速ur(m/s)。
问题讨论
环境风速较大时，利用实际的汽车与空气的相对速度ur 环境空气密度与标准值相差较大时，根据实际的气压、温度和重力加速度等参数进行修正 汽车轮廓复杂多样，A实际值不易确定，而CDA相对固定，可由风洞试验确定。 如何降低CD值？
降低轿车CD值应遵循下列要点： （1）车身前部，动力系统盖板下倾 （2）整个车身向前倾斜 （3）汽车后部采用舱背式或直背式 （4）车身底部 平整、中后部稍稍升高 （5）动力装置冷却进凤系统 选好进风口与出风口位置
打开天窗换气和打开侧窗换气有何不同？ 夏季在高速公路上开空调经济性好还是开窗通风经济性好？ F1方程式赛车为什么不用车轮盖？ 对于轿车和超级跑车，哪种车型的空气阻力系数更大？为什么？
[1]邵景峰,左辉辉,胡兴军.某SUV气动减阻优化及其流场机制[J].汽车工程,2024,46(02):356-365.DOI:10.19562/j.chinasae.qcgc.2024.02.018. [2]姜丰,李卓,汪怡平.基于GA-BP神经网络的汽车空气阻力系数预测研究[J].汽车工程学报,2023,13(05):730-738. [3]Mukut, A. N. M. M. I., & Abedin, M. Z. (2019). Review on Aerodynamic Drag Reduction of Vehicles. International Journal of Engineering Materials and Manufacture, 4(1), 1–14. [4]Baek, SW., Lee, S.W. Aerodynamic drag reduction on a realistic vehicle using continuous blowing. Microsyst Technol 26, 11–23 (2020)
坡度阻力
其中，α为坡道角；i为坡度。
道路阻力
道路阻力系数
加速阻力
定义：汽车加速行驶时，需要克服其质量加速运动时的惯性力。
公式
汽车旋转质量换算系数
汽车动力传递路线
发动机→离合器→变速器→副变速器→传动轴→ 主减速器→差速器→半轴→轮边减速器→车轮
思考：电动化之后的传递路线如何变化？
将行驶方程具体化，以便研究汽车的动力性
汽车行驶方程仅表示各个物理量之间的数量关系 汽车行驶方程有些项并不是外力 Ft不是作用于车轮的地面（切向）反作用力，仅为了计算方便才将其定义为驱动力 滚动阻力也不是作用于汽车上的阻力，而是以滚动阻力偶矩的形式作用于车轮上 作用在汽车上的惯性力是mdu/dt而不是mδdu/dt 飞轮的惯性力矩作用在汽车的横截面上，而不作用于车轮上 Fj只是代表惯性力和惯性力矩的总效应
驱动力-行驶阻力平衡图
行驶方程
反映了汽车行驶时，驱动力和 外界阻力之间的普遍情况。
若已知
可分析汽车在附着条件良好路面上的动力性，即在油门全开时，汽车可能达到最高车速、加速能力和爬坡能力。
驱动力与行驶阻力平衡图
意义：为了清晰地描述汽车行驶时受力情况及其平衡关系，通常将平衡方程式用图解方式进行描述，即将驱动力Ft和常见行驶阻力Fw和Ff 绘在同一张图上。
案例：
动力特性图
根据动力特性图，可获得最高车速、最大加速度
动力因数
将动力因数D画成车速u的函数，并画上滚动阻力系数f，于是得到汽车的动力特性图。
行驶阻力中滚动阻力、坡度阻力和加速阻力都与车重成正比 去除唯一与车重无关的空气阻力，其结果就与重力成正比 再除以车重，即得“单位汽车重力所具有的动力性能参数” 即动力因数
动力因数是一个较为简单且能够全面反映汽车动力性的参数 研究单位及车企进行汽车动力性（包括经济性）分析评价及优化设计时 常用该参数作为动力性的一个设计指标或约束参数，尤其是最低档和最高档
附着条件，附着力
附着力
定义：地面对轮胎切向反作用力的极限值（最大值）即为附着力。
FZ—地面作用在车轮上的法向反力；
—附着系数，与路面和轮胎都有关。
思考：为什么汽车在湿土路上容易出现打滑现象？
附着系数
定义：附着力Fϕ与轮胎-路面法向力FZ的比值称为附着系数
光面胎和带花纹的轮胎在干燥硬路面上的附着系数有何不同？ 轮胎花纹起什么作用？
附着条件
定义：汽车以某种工况行驶所需要的路面施加于驱动轮的纵向力，不能超过实际路面能提供给驱动轮的附着力。
后轮驱动时，附着条件是
驱动条件—由发动机输出、传至驱动轮的驱动力，足以克服行驶阻力； 附着条件—地面与驱动轮之间的附着能力足以提供所需的纵向推力。 只有同时满足这两个条件，汽车才能实现所期望的行驶工况。
驱动轮上的切向反力主要与哪些因素有关？ 其大小可否通过驾驶员合理控制？
附着率
定义：驱动轮的地面纵向力与地面法向力的比值
后轮驱动时 由附着条件可得
—后轮驱动汽车驱动轮的附着率；
后轮驱动汽车的附着条件也可以表达为
前轮驱动时 由附着条件可得
—前轮驱动汽车驱动轮的附着率
前轮驱动汽车的附着条件也可以表达为
附着率是汽车为了实现某种预期的行驶工况，对驱动轮-路面的附着能力提出的最低要求。 附着率的数值取决于车辆结构参数（主要是质量和几何两方面）和行驶工况，与实际路面条件无关。 附着率越大，就是对路面附着系数的要求越高，附着条件就越差。 附着率越小或路面附着系数越大 ，附着条件越容易满足。
讨论
汽车行驶的附着条件与汽车的附着率
附着力： 汽车的附着力决定于附着系数以及地面作用于驱动轮上的法向反作用力。
法向反作用力 汽车加速上坡（后轮驱动）
静态轴荷的法向反作用力
动态分量
空气升力
滚动阻力偶矩产生的部分
作用在驱动轮上的地面切向反作用力 后轮驱动汽车加速上坡行驶时驱动轮、从动轮与车身的受力
附着率
加速、上坡行驶时的附着率
后轮驱动的附着率
前轮驱动的附着率
四轮驱动的附着率
不同驱动形式汽车的等效坡度
附着率曲线
高速行驶时的附着率
功率平衡
档位不同时车速的范围不同，但是功率的大小不变，只是各档的功率曲线对应的车速位置不同。低档时车速低，速度变化区域窄；高档时车速高，所占速度变化区域大。 滚动阻力功率在低速时近似为直线，而在高速时是二次曲线（低速、货车！） 空气阻力功率曲线为三次函数 在低速时以滚动阻力功率为主，而在高速时以空气阻力功率为主。
后备功率
汽车后备功率越大，汽车的动力性越好。 利用后备功率也可确定汽车的爬坡度和加速度。 功率平衡也可描述汽车行驶时的发动机负荷率，有利于分析汽车燃油经济性。
思考：后备功率与所使用的挡位是否有关？
电动车动力性及评价
基本原理与传统燃油车相同
电动机的输出特性与内燃机不同； 电动汽车的动力传动系统与燃油汽车不同； 考虑到电系统的特点，电动汽车的动力性试验评价指标与燃油汽车有所不同。
总结
如何计算汽车动力性
图解法
驱动力-行驶阻力平衡图
动力特性图
功率平衡图
可得到最高车速、加速时间及最大爬坡度
理论计算
最高车速
思考：电动车的最高车速如何计算？
加速时间 加速时间是加速度的倒数 在速度区间上的定积分
最大爬坡度
燃油经济性
引子
回顾：汽车动力性基本概念
思考：这些年环境变化带给人类什么？有哪些影响？汽车保有量增加在环境变化中的“贡献”？正面的还是负面的？
定义：在保证动力条件下，车辆以尽量少的燃油消耗量经济行驶的能力。 燃油经济性是燃油车基本性能之一，它反映了车辆在使用过程中燃油消耗水平。
前提：满足动力性要求 汽车在限定行驶工况下的百公里燃油消耗量。
为什么要在一定运行工况下评价汽车的燃油经济性？
评价指标
百公里燃油消耗量 Qs，L/100km
等速百公里燃油消耗量：汽车在一定载荷(我国标准规定轿车为半载、货车为满载)下，以最高挡在水平良好路面上等速行驶100km的燃油消耗量。
单纯等速行驶没有反映汽车在实际使用环境中的全部行驶工况， 对汽车动力性的需求不够真实，得到的油耗值一般来说低于实际水平， 尤其是对于经常在市区拥堵路段行驶的汽车来说。
等速百公里燃油消耗量曲线：测出每隔10km／h或20km／h速度间隔的等速百公里燃油消耗量，然后在图上连成曲线
ECE混合燃油经济性指标：1/3混合百公里燃油消耗量
EPA综合燃油经济性指标
中国货车6工况综合燃油经济性
中国客车4工况综合燃油经济性
单位油耗量行驶里程 mile/USgal
计算
基本思路
工况
等速行驶工况燃油消耗量
1) 确定发动机万有特性图
2) 确定发动机转速n，r/min
3) 确定发动机功率P，kW
4) 确定燃油消耗率b，g/kW.h
5)确定以车速ua等速行驶 单位时间的燃油消耗量Q，mL/s
6)等速行使s(m)行程的燃油消耗量Q，mL
7) 折成百公里燃油消耗量Q，L/km
等加速行驶工况燃油消耗量
1) 汽车加速行驶时,发动机提供的功率p，kW
2）发动机单位时间燃油消耗量Qt，mL/s
3) 将加速过程以1km/h间隔等分为若干区间， 每个区间的时间间隔为
4) 每个区间的燃油消耗量Qi，mL
5) 整个加速过程的燃油消耗量Qa，mL
6）整个加速过程的行驶距离sa，m
等减速行驶工况燃油消耗量
1) 减速时间t，s
2) 减速过程的燃油消耗量Qd，mL
3) 减速区段内汽车行驶的距离sd，m
怠速停车时的燃油消耗量
1）怠速停车时间ts，s
2) 怠速停车的燃油消耗量Qid，mL
整个循环工况的百公里燃油消耗量Qs，L/100km
测试方法
通过测试车辆速度与时间来评估燃油车动力性，记录并分析其加速度、转速、路程和时间等参数。但国内外在测试标准和程序、数据处理与表达方式、标准和法规要求等方面存在一定差异。
影响因素
等速百公里燃油消耗量正比于等速行驶时的行驶阻力与燃油消耗率，反比于传动效率。
1.燃油消耗率b
燃油消耗率与发动机负荷率及发动机自身有关。
2.行驶中消耗的发动机功率 （或行驶阻力∑F ）
3.怠速油耗、附件油耗、制动能量损耗
4.使用方面
1) 行驶车速
2) 挡位选择
3) 挂车的应用
4) 保养与调整
（1）制动器间隙要合适
间隙过小，容易出现“自刹”现象，损耗发动机功率，导致制动器发热，消耗燃油；
间隙过大，制动反应“迟钝”，导致制动距离加长。
（2）轮毂轴承预紧度调整要正常
预紧度过低，轮胎打摆，直线行驶性差；
预紧度过大，轴承发热，轴承磨损加快。
行驶中紧急制动（急刹车）、高速行车中猛打转向盘都会造成轴承早期磨损。
（3）轮胎气压要合适
气压过低，导致车辆操控性降低，燃油消耗增大，轮胎磨损加剧；
轮胎气压过高，接地面积减小，轮胎中部出现异常磨损。
5.设计方面
1) 汽车的尺寸和质量
2) 发动机
1）提高现有发动机的热效率和机械效率（热损失占化学能65％左右）； 2）扩大柴油发动机的应用范围； 3）增压化； 4 ）广泛采用电子计算机控制技术。
3) 传动系
挡位越多，油耗越低； 无级变速最理想。
为什么挡位越多越省油？
目前很多轿车采用的是带液力变矩器的自动换挡变速器，挡位一定时可依靠液力变矩器实现无级变速，其效率仍需进一步提高才能做到真正省油。
4) 汽车外形与轮胎
电动车经济性
能量经济性 评价指标
能量消耗率
定义：电动汽车经过规定的试验循环后对动力蓄电池重新充电至试验前的容量，从电网上获得的电能除以行驶里程所得的值，单位为W.h/km。
续驶里程
定义：电动汽车在动力蓄电池完全充电状态下，以一定的行驶工况，能连续行驶的最大距离，单位为km。（“能连续行驶”是指直至车辆无法完成规定的行驶工况，其具体含义参看有关标准。）
评价方法
试验法
《GB/T 18385-2005 电动汽车 动力性能 试验方法》 《GB/T 18386-2005 电动汽车 能量消耗率和续驶里程试验方法》
总结
经济性定义及评价指标
经济性评价指标测试方法
经济性计算方法
经济性影响因素
电动车经济性
动力装置参数选定
复习
动力装置，指的是发动机和传动系统。 特性—如外特性、万有特性、换挡规律； 参数—如发动机最大功率、变速器传动比数目与数值。
动力装置应具有的理想特性 —特性场边界
1）在尽可能大的速度范围内具有恒功率特性
2）该功率值至少可以满足设计最高车速
当前车用发动机的局限性
研究动力装置的特性场： 动力装置可能的工作区域
不满足1），需要配置传动系
满足2），则对该最大功率进行选取
发动机参数
最大功率Pemax
定义：使用外特性的最大功率值，即最大净功率
选取的基本依据： 设计最高车速
满足设计 最高车速要求
如果发动机最大功率Pemax刚好等于Peu，umax可能无法实现。因为传动系可能没有一个理想的传动比，使得发动机的额定转速np刚好与设计最高车速umax相对应
结论：为了确保设计最高车速umax，发动机最大功率Pemax应比以umax匀速行驶所要求的功率值Peu大一些。（超出的程度，需结合各挡传动比数值确定。）
参照同种类 汽车的比功率
比功率（功率利用系数），是单位汽车总质量所具有的发动机最大功率，通常以kW/t为单位。
比功率与（乘用车）的加速能力大致成正比
按比功率选取的出发点仍然是设计最高车速
不同车型比功率主要 影响因素各有特点
轿车：随umax和CDA/m的增大而增大， 一般来说，umax的影响更大
货车：认为f 、 ηT 、CD和umax固定， 而A/m随m增大而减小。 货车的比功率值随总质量m的增大而减小
根据参比车型的比功率，结合本设计车型与参比车型间整车参数的差异，按上述规律进行调整，初选本设计的发动机最大功率。
外特性曲线形状
在很多情况下，希望发动机能在低转速区发挥出较高的转矩（亦即在低转速区发挥出较高的功率）。这主要是出于降低油耗、噪音以及减小发动机自身振动和磨损等考虑。
发动机油耗特性
以万有特性图表示，就是燃油消耗率数值尽可能低、 等燃油消耗率曲线组的分布和形状尽可能合理。
传动系传动比
原则：在确定整车参数和发动机的前提下， 以动力性和燃油经济性等为目标选取传动系参数与特性。
传动系统的匹配功能及其理想要求
匹配的宗旨：优化汽车的动力性和燃油经济性
传动系统的动力性匹配功能
具有多档传动比的传动系，可以令汽车功率输出更接近于恒功率
传动系的燃油经济性匹配功能
采用以功率（便于同时考虑动力性）为纵坐标的万有特性图进行分析。
传动比数目增加、或者说传动比间隔缩小，发动机工作点的选择更加精密， 更易实现给定功率条件下较低的燃油消耗率
总结：从理论上说，传动系统的传动比数目越多、传动比间隔越小， 对汽车的动力性和燃油经济性就越有利
理想目标：任意工况（即任意发动机功率）下后备功率最大或燃油消耗率最低。
如何实现？
对于有级式传动系，传动比的确定 包括两部分工作
传动系的传动比数目是多少、传动比之间的间隔如何？
最大传动比和最小传动比的数值是多少？
传动比数目和分配
传动比数目n 和速比范围Rt
传动系的速比范围
通常主减速比i0固定，n和Rt取决于变速器。
速比范围Rt越大，对发动机工作点的调节范围就越大， 越有可能实现较高的后备功率和较低的燃油消耗率。
另一方面，相邻挡位的传动比数值间隔不能过大
速比范围Rt较大，一般就意味着传动比数目n较多。
结合不同车型的特点、传动元件的种类以及对速比范围的要求等因素
从汽车种类、级别、变速器类型、空间布置和成本控制等方面出发，确定传动系的传动比数目、通常也就是变速器的前进挡位数目n，以及大致的速比范围Rt
传动比分配
原则：应大致成等比级数关系
简化换挡操作，减轻离合器的冲击
便于主、副变速器结合，可以构成更多的传动系统传动比
增大发动机的平均输出功率， 提高汽车的动力性
不同分配方式分析
各挡对应的发动机工作转速范围都相同， 且都在发动机最大功率附近。
高挡对应的发动机转速范围大
高挡对应的发动机转速范围小。
最大传动比
原则
主要从汽车的动力性和燃油经济性等使用要求出发
同时也应结合速比范围、传动比数目等因素，综合考虑
主要考虑因素
保证最大爬坡度
满足最低稳定车速要求
满足附着条件
思考
最小传动比
原则
主要考虑汽车以最高档行驶时的动力性、燃油经济性、驾驶感受以及最高档的使用率等因素
主要因素
动力性 经济性 后备功率 驾驶性能
换挡规律分析
定义：传动比随行驶工况和驾驶员操作的变化规律。 基本出发点：汽车的动力性和燃油经济性。
动力性换挡规律
定义：当匹配的目的是提高汽车的动力性时，匹配的原则就是： 尽量使发动机工作于功率较大的工作点。
经济性换挡规律
定义：当匹配的目的是提高汽车的燃油经济性时，匹配的原则就是：尽量使发动机工作于燃油消耗率较小的工作点。
C曲线
定义：“最低燃油消耗率”特性（C曲线）是燃油经济性加速时间曲线。 可用于研究理想的变速器调节特性：变速器理想传动比与车辆行驶工况的关系。
总结
前三章：以汽车的直线驱动动力学研究为基础，进行了动力性和燃油经济性的评价分析以及基于这些性能的动力装置特性与参数的选取。
按“评价指标 = f(驾驶人操作，车辆结构，行驶环境)” 涉及各方面因素
车辆结构因素主要在于发动机和传动系的特性与参数、整车的质量参数、轮胎的滚动阻力特性以及车身的空气动力学参数等
行驶环境主要是路面条件和坡度
驾驶因素则主要在于加速踏板操作和换挡动作等
汽车制动性
引子
回顾：汽车制动系统的构造、原理、功能
思考：如果没有制动系统将会有哪些问题？
课外作业：查找一些制动失效的交通事故案例，分析其结构设计、材料、制造、装配、调试测试等方面的问题。
再思考：汽车行驶安全包括哪些方面？
主动安全
具体技术措施有哪些？
被动安全
具体技术措施有哪些？
拓展
查阅《GB 7258-2017 机动车运行安全技术条件》相关项目及限值要求
定义：汽车行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向稳定性和在下长坡时能维持一定车速的能力。 汽车能够按照驾驶人意图，安全、可靠地降低车速并且在足够短的距离内停车。
评价指标
制动效能
定义：制动时汽车能够以足够高的速率降低车速、并且在足够短的距离内停车 即：制动距离和制动减速度
制动距离：制动器起作用和持续制动两个阶段汽车驶过的距离
制动效能恒定性
定义：即抗热衰退性能 经长时间、高强度的制动后，或者制动器涉水以后，制动效能不致过分降低的能力。 体现“可靠”
制动时汽车方向稳定性
制动时汽车按给定路径行驶的能力。 即在制动中不发生跑偏、侧滑或失去转向能力的性能。 体现“安全”
思考：如何使汽车在保证方向稳定性的前提下，获得最好的制动效能。
制动时车轮 受力分析
地面制动力
定义：由制动力矩所引起的、地面作用在车轮上的切向力。
计算公式
制动力矩Tµ
地面附着力约束
略去滚动阻力偶矩和惯性力偶矩的作用
受到两个摩擦副限制
制动器内部摩擦副。该摩擦副产生制动器制动力Fμ，在给定制动系参数的条件下，Fμ取决于制动踏板力Fp
轮胎—地面摩擦副。两者之间的纵向力不会超过附着力Fϕ (FZ ϕ)。 换言之，地面制动力FXb等于制动器制动力Fμ与附着力Fϕ二者中的较小者。
制动器制动力
定义：在轮胎周缘克服制动器摩擦力矩所需的切向力。 其本质，是将制动器内部法向力FN的作用充分发挥出来。 与附着力无关
计算公式
取决于制动器的类型、结构尺寸、制动器摩擦副 的摩擦因数及车轮半径，并与踏板力成正比。
思考：地面制动力和制动器制动力 计算公式中的Tu有何不同？
FXb计算中，Tμ是制动时制动器摩擦副之间真实存在的
Fμ 计算中，Tμ是假定“外力迫使制动器打滑”条件下得到的
真正使汽车减速的是地面制动力FXb
附着力的影响
当制动踏板力Fp不大时，车轮未抱死（地面附着力Fϕ足以迫使车轮转动、即制动器内部打滑），FXb= Fμ 。 当Fp达到一定程度后，车轮抱死（Fϕ无法满足充分发挥Fμ的要求），FXb= Fϕ 。显然，Fμ始终随Fp增大而增大。
车轮的两种运动状况
车轮未抱死，地面制动力未达到附着极限， FXb随Fμ（即Fp）同步增长。
车轮抱死，地面制动力已达到附着极限， FXb= Fϕ = FZ ϕ，不再变化。 不考虑车轮垂直载荷的变化。
地面附着系数
实际上：汽车在路面上制动时，车轮的实际运动状况和地面制动力的真实变化规律并非简单的“两态”，而是较复杂的、成渐变的
滑动率影响附着系数 （ ϕ-s关系）
滑动率：车轮接地处的滑动速度与车轮中心运动速度的比值。车轮运动中滑动成分所占的比例
制动时车轮的实际运动状况，通常是介于纯滚动和抱死拖滑之间的，可以用滑动率s描述滑动成分所占比例
影响因素
重要——道路
良好干燥的沥青或混凝土路面上，ϕp大致在0.8~0.9的范围
道路条件、轮胎状况和滑动率都很理想时，ϕp可能超过1.1， 但这是很少见的情况。
不同路面的ϕp差异很大
轮胎
轮胎结构
胎面花纹
胎面材料
车速
随着车速的提高，附着能力下降，且峰值滑动率sp减小。
注意“滑水”现象：高速行驶的汽车经过有积水层的路面，易出现。 水层越厚、车速越高，越容易出现滑水。 轮胎花纹和气压对滑水的出现也有一定影响。
定义：在某一车速下, 在胎面下的动水压力的升力等于垂直载荷时, 轮胎将完全漂浮在水膜上面而与路面毫不接触, 过渡区B区、直接接触区C 区不复存在。这就是滑水现象。
注意：良好干燥路面上的附着系数，不随轮胎结构及气压的不同而显著变化
两种附着能力很小的危险情况
一种情况是刚开始下雨, 路面上只有少量雨水时, 雨水与路面上的尘土、油污相混合, 形成黏度高的水液, 滚动的轮胎无法排挤出胎面与路面间的水液膜; 由于水液膜的润滑作用, 附着性能大为降低, 平滑的路面有时会同冰雪路面一样滑溜。
一种是滑水现象
滑水车速与路面结构、积水层厚度、水液黏度和密度、 轮胎充气压力、垂直载荷、花纹形式及轮胎磨损程度有关。
制动力系数
定义：地面制动力与作用在车轮上的垂直载荷的比值。
计算公式
随着滑动率的变化，轮胎的纵向和侧向附着能力都随之变化 制动力系数ϕb：地面制动力与垂直载荷之比，影响汽车的制动效能； 侧向力系数ϕl：地面侧向力与垂直载荷之比，影响制动时汽车的方向稳定性。 s达到峰值滑动率sp， ϕb达到峰值附着系数ϕp， ϕl亦较高，制动效能和方向稳定性 …； 车轮抱死（s=100%）， ϕb降至滑动附着系数ϕs， ϕl亦降至极低，…ABS的作用
侧向力系数
定义：地面作用于车轮的侧向力与车轮垂直载荷之比。
计算公式
思考
滑动率
滑动率：车轮接地处的滑动速度与车轮中心运动速度的比值。 车轮运动中滑动成分所占的比例
峰值附着系数
制动力系数的最大值称为峰值附着系数φp， 一般s =15%～20%
滑动附着系数
s = 100%的制动力系数称为滑动附着系数φs
制动效能及 其恒定性
定义：汽车迅速降低车速直至停车的能力。 评定制动效能的指标是制动距离s 和制动减速度ab
制动距离
定义：汽车速度为u0 时, 从驾驶员开始操纵制动控制装置(制动踏板) 到汽车完全停住为止所驶过的距离
影响因素：与制动踏板力、路面附着条件、车辆载荷、发动机是否接合等
制动过程分析
制动过程的三个运动状态：匀速、变减速、匀减速
制动器起作用阶段
持续制动阶段
制动总距离
影响因素
制动器起作用的时间 制动系统结构
最大制动减速度即附着力(或最大制动器制动力) 主要与路面附着系数有关
起始制动车速
制动减速度
定义：制动时车速对时间的导数, 即du/dt
本质：反映了地面制动力的大小
制动过程中，制动减速度ab (t)是一个随时间变化的参数， 为了直观和方便，经常按一定的原则和方法对其进行平均
充分发出的平均减速度， 符号为MFDD，单位为m/s2
影响因素：制动器制动力(车轮滚动时) 及附着力(车轮抱死拖滑时)
制动效能 的恒定性
主要指的是 抗热衰退性能 此外，抗水衰退性
定义：在繁重的制动工况下，制动器或汽车的制动效能下降得尽量小。 一般用一系列连续制动时制动效能的保持程度来衡量。
繁重工况下，制动器温度通常达到300℃以上，甚至600-700 ℃
评价标准：以一定车速连续制动15 次, 每次的制动减速度为3m/ s2, 最后的制动效能应不低于规定的冷试验制动效能的60% (在制动踏板力相同的条件下)。
影响因素
制动器摩擦副材料
制动器结构
常用制动效能因数与摩擦因数的关系曲线来说明各种类型制动器的效能及其稳定程度。
常见结构
通风盘式
钻孔通风盘式
法拉利跑车采用的 特殊材料的钻孔通风盘
布加迪跑车制动 冷却空气流动示意图
提升措施
选用合适的制动器摩擦副材料
降低温升、加强散热
降低温升：提高材料的比热容、增大吸热体的质量。
加强散热：制动器工作元件上制出肋板、开槽或钻孔等
制动时汽车 方向稳定性
定义：制动时汽车维持预期的行驶路径和方向的能力。
内涵：辨析“路径” 与“方向”的关系
“路径”强调的是汽车（可视作质点）的运动轨迹；
“方向” 强调的是车辆坐标系x轴的指向，亦即“车头指向”。
汽车失去方向稳定性时，两者可能并不“同步”。
三种现象
制动跑偏
制动侧滑
前轮失去 转向能力
前轮失去转向能力与后轴侧滑的联系: 如果后轴不发生侧滑，前轮可能失去转向能力； 后轴侧滑，前轮常仍有转向能力。
制动跑偏
定义：制动时汽车自动向左或向右偏驶
原因
前轴左、右车轮的制动器制动力不相等 根源：在于制造过程中的个体差异或使用、维修环节的调整不当， 相对于车辆设计而言，其跑偏方向是不固定的
悬架导向杆系与转向系拉杆在运动学上不协调 根源：设计造成的, 制动时汽车总是向左(或向右) 一方跑偏。
思考
前轮的制动力不相等度大容易导致跑偏， 还是后轮制动力不相等度大容易导致跑偏？ 为什么？
为什么转向盘锁住对制动跑偏有明显的抑制作用?
为什么转向盘锁住对制动跑偏的抑制作用不明显了？
侧滑
定义：制动时汽车的某一轴或两轴发生侧向滑动。
制动时若后轴车轮比前轴车轮先抱死，则可能发生后轴侧滑
若前后轴车轮同时抱死或者前轴车轮先抱死，后轴车轮再抱死 或不抱死，则防止后轴侧滑。此时，前轴车轮抱死失去转向能力
失去转 向能力
定义：制动时转动转向盘，汽车无法转向， 或者在转弯过程中施加制动，汽车沿瞬时速度 方向驶出预期路径。
前后制动力比例分配
三种制动过程
前轮先抱死拖滑，然后后轮抱死拖滑；稳定工况，但丧失转向能力，附着条件没有充分利用
后轮先抱死拖滑，然后前轮抱死拖滑；后轴可能出现侧滑，不稳定工况，附着利用率低
前、后轮同时抱死拖滑；可以避免后轴侧滑，附着条件利用较好。
前、后制动器制动力的分配比例，将影响制动时前后轮的抱死顺序，从而影响汽车制动时的方向稳定性和附着条件利用程度。 工况2和工况3在方向稳定性方面是相同的，区别在于工况3对于路面附着条件的利用更充分，制动效能更好（为什么）。 所以，本节将制动时前、后轮同时达到抱死称为理想制动工况。
地面对前、后车轮的法向反作用力
理想的前后制动器 制动力分配曲线
思考：
真正使汽车减速制动的力是地面制动力FXb， 为何重点研究制动器制动力Fμ
地面制动力FXb取决于制动器制动力Fμ和附着力Fϕ二者中的较小者。其中 Fϕ由汽车质量参数和地面条件决定。
本研究的逻辑在于：为了使汽车在给定路面条件下实现尽可能好的制动性，应如何设计质量参数和制动系统参数，重点是前、后制动力的分配。（如，各轮的附着力都尽量发挥且尽量都不抱死。）
对“汽车制动性”哪方面的影响？
不考虑抗制动衰退的性能
制动力在前、后轮的分配，会影响车轮的抱死次序。这主要涉及汽车制动时的方向稳定性，以及（失去方向稳定性之前的）制动效能。
制动强度
定义：制动减速度与重力加速度之比
思考：为什么有些轿车采用前盘后鼓的制动系统配置？ 制动管路为什么采用交叉布置？
I 曲线：使汽车制动时前、后车轮 同时抱死的前、后轮制动器制动力 的关系曲线称为理想的前、后制动器 制动力分配曲线。
取决于汽车的质量参数
思考：I曲线的若干种表达式中，哪些适于编程绘图、哪些适于手绘？
讨论
增大附着系数ϕ，由于轴荷转移，前轮所需的制动器制动力增速高于后轮的，I曲线的斜率逐渐变小，当ϕ很大时，曲线将下降
I曲线是前、后轮同时抱死时 Fμ2 - Fμ1 、 FXb2 - FXb1 、 Fϕ2 - F ϕ 1的关系曲线。（重点还是看做Fμ2 - Fμ1关系）
具有固定比值的前、后制动器 制动力与同步附着系数
制动器制动力分配系数
前、后轮制动器制动力的分配线，称为β线
对于固定β值的汽车，β线为一斜率固定的射线
特点
β线上的点，直观的解释就是：随着制动踏板力的变化… β线仅取决于车辆的制动系统设计，与路面条件和汽车的质量参数等无关。
同步附着系数
给定汽车，同步附着系数ϕ0是前、后轮同时抱死所要求的路面附着系数。 ϕ0取决于汽车结构参数，与实际路面附着系数ϕ无关。
思维训练
小结
汽车具有固定的前、后制动器制动力分配比例，得到一条β线； 在不同的附着系数条件下追求前、后轮同时抱死，轴荷转移不同，则所需的前、后制动器制动力数值不同，得到一条I曲线； β线与I曲线相交，意味着这种附着系数可以满足“理想”，就是同步附着系数ϕ0 ，其数值取决于β线和I曲线信息。
前、后制动器制动力具有固定比值的汽车 在各种路面上制动过程的分析
思想与体系
制动时前、后轮哪个先抱死，取决于哪个车轮的制动器制动力Fμ先达到附着力Fϕ 。 （“轮”=“轴”）
研究次序
实际的前、后轮制动器制动力如何变化？—β线问题
理想的前、后轮制动器制动力如何变化？—I曲线问题
当实际符合理想，会怎样？—β线与I曲线相遇问题
思考
f线组
求解思路
梳理需要的条件：制动力分配、质量参数、附着条件、制动强度
思路：条件均已知，且前轮抱死、后轮未抱死，计算FXb1 、FXb2 …
r线组
I曲线
过程分析
思考：全力制动时，各车轮的制动力变化，运动状况变化 给定车辆与道路，开始施加制动踏板力： 当制动踏板力不大时，车轮均未抱死，沿…变化 当制动踏板力增大到一定程度，开始有车轮抱死，沿…变化 制动踏板力继续增大，另一车轮也抱死，制动强度与稳定性… 哪个车轮先抱死，取决于— 车辆与道路的匹配，即ϕ0与ϕ的关系。
利用附着系数 与制动效率
利用附着系数
定义：对于一定的制动强度z，不发生车轮抱死所要求的最小路面附着系数。
FXbi——对应于制动强度z，汽车第 i 轴产生的地面制动力； FZi——制动强度为 z 时，地面对第 i 轴的法向反力； ——第 i 轴对应于制动强度 z 的利用附着系数；
利用附着系数与制动强度的关系曲线
计算
前轮先抱死
后轮先抱死
车轮不抱死条件下的
车轮不抱死条件下能达到 的最大制动减速度
前轮或后轮制动管路失效时的
总结
术语辨析：“利用附着系数”和“附着系数”可以认为是同一参数。研究框架不同，称呼有所区别。类似“附着率”与 “附着系数”之关系
制动效率
定义：车轮将要抱死时的制动强度与被利用的附着系数之比，E
对前、后制动器 制动力分配的要求
ECE制动法规
具有变化值的前、后制动器 制动力的分配特性
通过使用比例阀或载荷比例阀等制动力调节装置， 根据制动强度、载荷等因素，改变前、后制动器 制动力的比值，使之接近于理想制动力分配曲线， 满足制动法规的要求。
制动力分配曲线的设计兼顾制动稳定性和 最短制动距离但优先稳定性的原则。
转折点的选择一般低于 I 曲线。
制动器制动力 的调节与ABS
变比值的制动器 制动力分配
用限压阀、比例阀、感载比例阀等结构设计， 追求“无论在何种路面上，β线都在I曲线下方， 且β线尽量靠近I曲线”
防抱死制动系统（ABS）
ABS则是追求“真正的理想工况”， 其理论基础是[附着系数—滑动率]关系
基本控制原理与过程：根据实时采集的 车轮运动状况参数（一般不直接测量滑动率）， 对各车轮制动压力进行“加-保-减…”等调节。
两者关系
前者仍然存在β线，只是变得更“曲折”。 【制动踏板力-主缸压力-前、后轮缸压力】机制是预设好的。
后者则根据车轮运动状况，依照控制规律灵活、 实时地调节各车轮制动力了。突破了“预设分配”
思考：能否认为“具有ABS汽车的制动力分配问题就不重要了”？
汽车必然有预设的制动力分配方案（科学合理的“β线”），ABS是以此为基准进行“松紧调节”，而且这种调节多数时间是不介入的。
从构造角度看，ABS相当于在各种“常规”调节阀的基础上，增加一个电控的电磁阀，调节轮缸压力。
制动性试验
操纵稳定性
定义：在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的情况下， 汽车能遵循驾驶者通过转向系统及转向车轮给定 的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗 干扰而保持稳定行驶的能力。
汽车侧向力学
稳定行驶”包括直线行驶，或者是按驾驶员预期的路径做稳定的曲线运动
两方面内容
操纵性—根据道路、地形和交通状况等限制，汽车确切地响应驾驶人的意图，按照驾驶人通过操纵机构所给定的方向行驶的能力。“想去哪里就去哪里”的能力。
稳定性—汽车在行驶过程中抵抗各种意图改变其行驶方向的外界干扰，并保持稳定行驶而不致发生失控、侧滑或侧翻的能力。“不想去哪里就不去哪里”的能力。
注意点
“驾驶者不感到过分紧张和疲劳”，实际上指的是汽车操纵的轻便性和可知性问题。
“不过分降低车速”
如何评价？
复杂
概述
汽车操纵稳定性 包含的内容
转向盘角阶跃输入下的响应
横摆角速度频率响应特性
转向盘中间位置操纵稳定性
回正性
转向半径
评价参量：最小转向半径
转向轻便性
直线行驶性能
典型行驶工况性能
三辆轿车在做蛇形绕桩性能对比测试。
极限行驶能力
控制系统模型和 性能评价方法
开路与闭路系统 将汽车操纵稳定性的研究， 看做一个控制系统问题
主观评价法 与客观评价法
本课程侧重于理论分析，通过建立汽车的性能指标与结构参数之间的数学模型（通常是动力学方程）来研究汽车的使用性能，主要采取的是客观评价法
时域响应
稳态转向特性
汽车直线行驶时，急速转动转向盘至某一转角时， 停止转动转向盘并维持此转角不变，即给汽车以转向盘角阶跃输入。
转向盘角阶跃输入经短暂时间后，汽车进入等速圆周行驶， 称为转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应。
三种类型
过多转向
中性转向
不变
不足转向
瞬态转向特性
转向盘角阶跃输入前后，直线行驶与等速圆周行驶这两个稳态运动之间的过渡过程是一种瞬态，相应的瞬态运动响应称为转向盘角阶跃输入下的瞬态响应。
侧偏特性
定义
弹性轮胎发生侧偏现象时，侧偏力、 回正力矩与侧偏角间的关系, 它是研究汽车操纵稳定性的基础。
广义而言，也包括侧偏时轮胎受到的回正力矩等问题。
轮胎的侧偏特性是轮胎力学特性的一个重要部分
本节将讨论轮胎的侧偏现象与侧偏特性
理想的汽车 转向运动关系
坐标系
车辆坐标系
车轮坐标系
由于车轮有外倾角γ（或上下跳动），车轮平面不一定垂直于地面； 由于轮胎有侧偏角α，X轴未必指向车轮速度方向。 沿轮胎坐标系三根坐标轴的力和绕三根坐标轴的力矩，常被称作轮胎六分力。（在动力学研究中，六分力指的是轮胎与地面之间的相互作用。例如，TY指的是滚动阻力偶矩、而不是驱动转矩。）
理性刚性汽车的 转向运动关系
含义： 除车轮可以滚动、前轮可以绕主销偏转外，整辆汽车视作刚体； 前轮转角与转向盘转角之间存在确定的一一映射关系； 前、后轴相互平行，都垂直于车辆坐标系的x轴，后轮均垂直于后轴； 汽车转向时左、右前轮的转角，完全符合理想的阿克曼转向关系； 所有车轮沿着自身坐标系的X轴方向运动，都具有足够的侧向附着能力。 车轮的“名义指向”：前轮方向遵从转向盘转角，后轮朝正前方。
轮胎的侧偏现象和 侧偏力-侧偏角曲线
侧偏力
定义：汽车在行驶过程中, 由于路面的侧向倾斜、侧向风 或曲线行驶时的离心力等的作用,车轮中心沿Y 轴方向将作用 有侧向力Fy , 相应地在地面上产生地面侧向反作用力FY , 侧偏力。
只有当侧向力FY大于（或等于）车轮与路面间侧向附着力时，车轮运动方向才会改变。
刚性轮产生侧偏力 的两种情况
当地面侧向反作用力FY 未超过车轮与地面间的附着极限时, 车轮与地面间没有滑动, 车轮仍在其自身平面cc 内运动
当地面侧向反作用力FY 达到车轮与地面间的附着极限时, 车轮发生侧向滑动, 若滑动速度为Δu, 车轮便沿合成速度u′的方向行驶, 偏离了cc 平面。
在弹性轮上作用侧向力
轮胎的侧偏现象：对于具有实际机械特性的弹性轮胎来说， 即使地面侧向力没有达到附着极限，其行驶方向也会偏离车轮平面的指向。
受力情况
关系曲线
侧偏特性主要指：侧偏力与侧偏角的函数关系 FY =f (α)
在侧偏特性曲线的初段、即侧偏角α较小的区域， 侧偏力FY与侧偏角α具有良好的线性关系。
一般希望k的绝对值尽量高些，这有利于提高汽车的操纵稳定性
经验：侧偏特性的线性范围是侧偏角不超过3°~5°，对于正常行驶的汽车，对应的侧向加速度大致在0.3g~0.4g以下。
回正力矩，外倾角
回正力矩是由于轮胎接地印迹内地面侧向作用力的纵向分布不对称形成的 轮胎发生侧偏时，会产生作用于轮胎绕OZ轴的力矩，该力矩称为回正力矩。
有外倾时轮胎的FY与外倾角γ、侧偏角α的关系
汽车两个前轮有外倾角γ, 具有绕各自旋转轴线与地面的交点O′ 滚动的趋势
若不受约束, 犹如发生侧偏一样, 将偏离正前方而各自向左、右侧滚动。
实际上,由于前轴的约束, 两个车轮只能一起向前行驶。因此, 车轮中心必作用有一侧向力Fy ,把车轮“拉” 回至同一方向向前滚动。
同时, 轮胎接地面中产生一与Fy 方向相反的侧向反作用力, 这就是外倾侧向力FYγ 。
影响因素
扁平率小，k大
垂直载荷大，k大
轮胎气压高，k大
一定侧偏角下, 驱动力增加时, 侧偏力逐渐有所减小, 这是由于轮胎侧向弹性有所改变的关系。当驱动力相当大时, 侧偏力显著下降, 因为此时接近附着极限, 切向力已耗去大部分附着力, 而侧向能利用的附着力很少。作用有制动力时, 侧偏力也有相似的变化。 这组曲线的包络线接近于一个椭圆, 一般称为附着椭圆。它确定了在一定附着条件下切向力与侧偏力合力的极限值
FX 越大，FY 越小
路面干湿状态
滑水现象
路面有薄水层时，会出现完全丧失侧偏力的情况。
轮胎胎面、路面粗糙程度、水层厚度与滑水现象的关系
轮胎模型 描述轮胎的力学特性
理论模型
理论上探讨侧偏力、回正力矩产生的机理, 提出各种假设进行力学分析, 也有采用有限元方法进行计算的
经验模型
依靠轮胎的试验数据, 拟合而成为计算公式
历史
从1930 年德国的Fromm 和法国的Broulhiet 分别发现了汽车充气轮胎的侧偏现象后才开始的
1941 年, Fromm 将轮胎胎体简化成弹性梁, 这是最早的描述轮胎侧偏特性的理论模型
1954 年, Fiala 在弹性梁模型的基础上, 假定轮胎仅在接触区内发生侧向变形, 此时轮胎可视为受到侧向集中力作用的弹性支撑梁, 推导了侧向力和回正力矩与侧偏角和外倾角的关系
1966 年, Pacejka 将轮胎简化成拉伸的弦
1989年, Pacejka 等人提出了魔术公式轮胎模型, 该模型是一种经验模型, 以三角函数的组合来表示轮胎纵向力、侧向力和回正力矩
1968 年, 日本桥石轮胎厂发表了对Fiala 理论表达式的试验修正表达式。
1990 年, Gim 等人在刷子模型的基础上, 推导了完整的轮胎模型
1990年，郭孔辉建立了轮胎侧偏特性的一般理论模型, 适用于任意轮胎压力分布和胎体变形假设, 在此基础上提出了“统一轮胎模型” (UniTire Model), 该模型能够由纯滑移试验数据预测联合滑移轮胎力学特性、由低速试验数据预测高速轮胎力学特性。
总结
在众多轮胎模型中, 魔术公式轮胎模型精度高、形式统一、鲁棒性强。而且开发魔术公式的团队有成熟的商业运作模式, 会经常对魔术公式参数进行更新。魔术公式正在成为轮胎行业的标准, 轮胎厂向整车厂提供魔术公式系数以代替轮胎试验数据的表格或图形。因此,很多人选用魔术公式轮胎模型作为汽车操纵稳定性模型中的轮胎模型。
线性二自由度汽车模型
模型类型
理想模型
完全忽略轮胎的弹性侧偏，过于简化
全面模型
全面考虑轮胎侧偏特性的所有影响因素，模型过于复杂
折中方案
线性二自由度汽车模型=理想刚性汽车+线弹性轮胎侧偏特性
忽略转向系统的影响, 直接以前轮转角作为输入;
忽略悬架的作用, 认为汽车车厢只做平行于地面的平面运动, 即汽车沿z 轴的位移, 绕y 轴的俯仰角与绕x 轴的侧倾角均为零
汽车沿x 轴的前进速度u 视为不变
建立模型
以假设与简化为基础，确定研究对象的物理特性，或者说建立物理模型；
对建立的模型运用物理定理，进行数学描述， 对于机械系统来说，通常是建立动力学微分方程（组） ——牛顿第二定律：力=质量×加速度
选定质量（研究对象）—整车质量和转动惯量
约定受力分析的方向—哪些自由度
研究外力特性—汽车受哪些力、这些力的特性如何（简化）
驱动力不大, 不考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的影响, 没有空气动力的作用, 忽略左、右车轮轮胎由于载荷的变化而引起轮胎特性的变化以及轮胎回正力矩的作用
模型分析
运动学分析
动力学分析
前轮角阶跃输入下汽车的稳态响应 —等速圆周行驶
稳态响应
三种类型
中性
不足
汽车的稳态横摆角速度增益曲线
过多
横摆角速度增益
表征稳态响应的参数
前、后轮侧偏角绝对值之差 (α1 -α2 )
思考：前、后轮侧偏角对转向运动的效果？影响因素？
静态储备系数S.M.
“储备”：例如S.M.=10% ，就意味着在维持不足转向的前提下，允许调整汽车的转载状况，只要质心向后移动不超过0.1倍的轴距即可。
思考：汽车做匀速圆周行驶时，实际侧向力作用点位于质心C。 如果质心C位于中性转向点Cn之前，那么: 相对于中性转向，前轮分配的侧偏力就更 ？→汽车就是 ？转向…
前轮角阶跃输入下的 瞬态响应
对匀速直线行驶的汽车施加转向盘角阶跃输入，其时域响应分为瞬态和稳态两个阶段。首先进入的是瞬态响应。
瞬态响应的稳定条件—瞬态响应横摆角速度ωr(t)的时间历程曲线是否收敛于稳定值、以及单调收敛还是衰减振荡收敛
瞬态响应品质的评价—ωr(t)时间历程曲线的特性
瞬态响应的数学描述
表征响应品质好坏的 4个瞬态响应的参数
瞬态响应的 稳定条件
横摆角速度 频率响应特性
频响函数
幅频特性
输出、输入的幅值比是频率f 的函数, 记为A(f) , 称为幅频特性
相频特性
相位差也是f 的函数, 记为Φ(f) , 称为相频特性
评价参数
汽车操纵稳定性 与悬架的关系
汽车的侧倾
车厢侧倾轴线
悬架的侧倾刚度
悬架的线刚度
悬架的侧倾刚度
车厢的侧倾角
侧倾时垂直载荷在左右侧车轮的重新分配 及其对稳态响应的影响
侧倾外倾
侧倾转向
变形转向——悬架导向装置 变形引起的车轮转向角
总结：侧倾与操纵稳定性
影响因素
侧倾轴线，悬架侧倾角刚度，车厢侧倾角
垂直载荷
传动系
汽车操纵稳定性 与转向系的关系
转向系的功能 与转向盘力特性
不同工况下对 操纵稳定性的要求
评价高速公路行驶操纵稳定性的试验 转向盘中间位置操纵稳定性试验
转向系与汽车横摆角速度 稳态响应的关系
汽车操纵稳定性 与传动系的关系
电子控制系统
ABS、TCS、VSC
汽车的侧翻
汽车操纵稳定性的路上试验
汽车平顺性
定义
保持汽车在行驶过程中乘员所处的振动环境 具有一定舒适程度和保持货物完好的性能。
振动影响人的舒适性、工作效能、身体健康， 影响货物的完整性以及零部件的性能和寿命。 平顺性研究的目的是有效控制汽车振动系统的动态特性。
平顺性问题 基本描述 研究方法 需解决问题
汽车以一定速度在某种路面上行驶，遭遇路面不平度激励；该激励作用于汽车系统，引起某些部位（如车身总成或具体到某一个座椅）的振动输出，以若干振动响应量作为评价指标。即平顺性指标=f(车辆，道路，速度)
需解决的问题
建立一个合理的且便于应用的路面输入模型，并研究这种输入特性与哪些因素有关。
对于由大量真实零部件组成的汽车实体，构建足够真实且便于进行平顺性动力学分析的汽车系统模型。
选取能够合理评价汽车平顺性优劣的输出指标，并研究其定量求解方法。
人体对振动的反应 和平顺性评价
基本评价方法
路面不平度 的统计特性
功率谱密度
空间频率功率谱密度
振动系统简化
本节将汽车振动系统简化为单质量的振动系统；分析单质量系统的自由振动和频率响应特性；分析单质量系统对路面随机输入的响应及其响应量特性参数的计算，分析悬架系统固有频率f0和阻尼比ζ对振动响应的影响；介绍悬架系统固有频率f0和阻尼比ζ的选择范围。
汽车振动系统的简化 简化思想 汽车各性能的研究，都需要根据研究目的、 研究条件和汽车的运行工况等，对实体汽车 进行简化，得到供性能评价使用的系统模型。 平顺性汽车模型的建立，主要在于自由度 数量的确定和质量—弹性—阻尼元件的选取。
单质量系统自由振动
单质量系统频率响应特性
单质量系统对路面随机输入的响应
正态分布下超过标准差计算
车身加速度功率谱
悬架动挠度
悬架固有频率选择
车身车轮双质量系统振动
运动方程振动分析
双质量系统传递特性
平顺性振动响应自谱
振动响应量均方根值计算
系统参数对振动 响应均方根值影响
主动与半主动悬架
双轴汽车振动
振型分析
欧雷准则
双轴汽车求解
人体座椅系统
传递特性
力学特性
平顺性实验，影响参数
汽车通过性
汽车通过性评价指标及几何参数
汽车支承通过性评价指标
牵引系数TC
牵引效率（驱动效率）TE
燃油利用指数Ef
汽车通过性几何参数
最小离地间隙h
汽车满载、静止时，支承平面 与汽车上的中间区域最低点之 间的距离。反映了汽车无碰撞 地通过地面凸起的能力。
纵向通过角β
汽车满载、静止时，分别通过前、 后车轮外缘作垂直于汽车纵向对称 平面的切平面，两切平面交于车体 下部较低部位时所夹的最小锐角。 它表示汽车能够无碰撞地通过小丘、 拱桥等障碍物的轮廓尺寸。
接近角γ1
汽车满载、静止时，前端突出点向前轮所引切线与地面间的夹角。 γ1越大，越不容易发生触头失效。
离去角γ2
汽车满载、静止时，后端突出点向后轮所引切线与地面间的夹角。 γ2越大，越不容易发生托尾失效。
最小转弯直径
转向盘转到极限位置、汽车以最低稳定车速转向行驶时，外侧转向轮的中心平面在支承平面上滚过的轨迹圆直径。 它表征了汽车能够通过狭窄弯曲地带或绕过不可越过的障碍物的能力。
转弯通道圆
转向盘转到极限位置、汽车以最低稳定车速转向行驶时， 车体上所有点在支承平面上的投影均位于圆周以外的最大内圆，称为转弯通道内圆； 车体上所有点在支承平面上的投影均位于圆周以内的最小外圆，称为转弯通道外圆。
学习方法
基本概念
对汽车理论研究（动力学分析）的一种理解： 评价指标 = f(驾驶人操作，车辆结构，行驶环境) 或 汽车性能 = f(结构参数，使用参数)
一条主线
1）定义性能；2）选取评价指标（包括具体参数）；3）建立理论模型（如运动学模型）；4）求解评价指标（参数），即“这辆车多么好）；5）利用模型指导汽车设计（参数对性能的影响机理或性能对参数的要求），即”如何设计汽车“。 此外，性能评价方法—性能参数测试方法/技术，相当重要
一个逻辑
对整车/系统进行受力分析，包括纵向、横向、垂向， 建立运动学或动力学方程，根据所分析的性能指标参数进行求解
变与不变
电动化、网联化、智能化、共享化是现代汽车发展主题和趋势 车辆行驶动力学仍然是现代汽车的基础，是高性能新能源车辆不可逾越、不可忽视的研发基础 AI、控制、网联等技术推动汽车发展、快速迭代，甚至变革
例：没有车辆动力学基础难以开发出优秀的线控转向、线控制动、线控悬架等智能部件
参考资料
《汽车理论》，机械工业出版社，杨志华
Vehicle Handling Dynamics，Elsevier Science，ISBN： 9780081003732，2015
Fundamentals of Vehicle Dynamics, Thomas D. Gillespie, 赵六奇翻译
著名期刊
Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering
汽车工程
汽车技术
汽车工程学报
汽车文摘
交通运输工程学报
相关高校学报
行业网站