第四章车辆的蛇行运动稳定性PPT课件
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汽车理论课件：汽车的操纵稳定性共54页文档
汽车理论课件：汽车的操纵 稳定性
31、别人笑我太疯癫，我笑他人看不 穿。(名 言网) 32、我不想听失意者的哭泣，抱怨者 的牢骚 ，这是 羊群中 的瘟疫 ，我不 能被它 传染。 我要尽 量避免 绝望， 辛勤耕 耘，忍 受苦楚 。我一 试再试 ，争取 每天的 成功， 避免以 失败收 常在别 人停滞 不前时 ，我继 续拼搏 。
33、如果惧怕前面跌宕的山岩，生命 就永远 只能是 死水一 潭。 34、当你眼泪忍不住要流出来的时候 ，睁大 眼睛， 千万别 眨眼!你会看到 世界由 清晰变 模糊的 全过程 ，心会 在你泪 水落下 的那一 刻变得 清澈明 晰。盐 。注定 要融化 的，也 许是用 眼泪的 方式。
35、不要以为自己成功一次就可以了 ，也不 要以为 过去的 光荣可 以被永 远肯定 。
谢谢你的、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
31、别人笑我太疯癫，我笑他人看不 穿。(名 言网) 32、我不想听失意者的哭泣，抱怨者 的牢骚 ，这是 羊群中 的瘟疫 ，我不 能被它 传染。 我要尽 量避免 绝望， 辛勤耕 耘，忍 受苦楚 。我一 试再试 ，争取 每天的 成功， 避免以 失败收 常在别 人停滞 不前时 ，我继 续拼搏 。
33、如果惧怕前面跌宕的山岩，生命 就永远 只能是 死水一 潭。 34、当你眼泪忍不住要流出来的时候 ，睁大 眼睛， 千万别 眨眼!你会看到 世界由 清晰变 模糊的 全过程 ，心会 在你泪 水落下 的那一 刻变得 清澈明 晰。盐 。注定 要融化 的，也 许是用 眼泪的 方式。
35、不要以为自己成功一次就可以了 ，也不 要以为 过去的 光荣可 以被永 远肯定 。
谢谢你的、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
工程机械底盘理论课件--车辆的稳定性
第八章 车辆的稳定性
4
稳定性是保证机器安全作业的一项重要性能，车辆因失去 稳定性而造成事故的统计数字表明，大部分事故发生在纵坡或 横坡上，个别也发生在平地上。
第一节 车辆的静稳定性
5
一、车辆上坡行驶时的纵向稳定性 （一）轮式车辆
8-1 轮式车辆等速上坡时受力简图
第一节 车辆的静稳定性
6
第一节 车辆的静稳定性
21
第二节 车辆的动稳定性
22
第二节 车辆的动稳定性
23
汽车撞击到沟渠或筑堤翻车
第二节 车辆的动稳定性
24
高速行驶时车辆侧滑出道发生翻车
第二节 车辆的动稳定性
25
高速行驶过度转舵可能使车辆失控
第二节 车辆的动稳定性
26
应该逐渐减速再将车开回到道路上
第二节 车辆的动稳定性
27
图8-6 紧急制动时车辆的动稳定性(受力情况)
工程机械底盘理论课件--
1
第八章 车辆的稳定性
第八章 车辆的稳定性目录
2
第一节 车辆的静稳定性
一、车辆上坡行驶时的纵向稳定性 二、车辆下坡时的纵向稳定性 三、车辆在坡道上横向行驶的稳定性
第二节 车辆的动稳定性 第三节 本章重点
第八章 车辆的稳定性
3
车辆的稳定性是指车辆行驶或工作时不发生侧滑和失稳倾翻 而保持正常工作的性能。因此，车辆的稳定性是用滑移和失稳角 来评价。
近年来，由于人机工程学的发展，在车辆稳定性方面，不 仅用滑移和失稳角来评价车辆的稳定性，甚至在影响稳定性的工 况下，还把驾驶员的安全感或不安全感也作为稳定性判别的依据。 车辆的稳定性可分为静稳定性和动稳定性两种情况，研究静稳定 性时只考虑作用在机器上的稳定载荷，研究动稳定性则需考虑机 器上稳定载荷和动载荷的联合作用。
汽车操纵稳定性测试实验课件
•汽车操纵稳定性测试实验
•15
操稳性测试
五、实验方法和步骤
4．实验步骤
(5) 处理试验数据
① 蛇行车速为 ua 3.6L(N 1) / ti
式中，ua为第i次试验的蛇行速度(km/h)；L为标桩间距 离(m)；N为有效标桩区起始至终了标桩数， N=6；为 第i次试验通过有效标桩区的时间(s)。
•汽车操纵稳定性测试实验
•汽车操纵稳定性测试实验
•3
操稳性测试
一、理论基础
2．汽车操纵稳定性的基本内容 ：
(1) 方向盘角阶跃输入下进入的稳态响应 表征汽车操纵稳定性的转向盘角位移输入的时域响应。 (2) 横摆角速度频率响应特性 在转向盘正弦输入下，频率由0～∞时，汽车横摆角速度
与转向盘角的振幅比及相位差的变化曲线图形。 (3) 回正性 一种转向盘输入下的时域响应。 (4) 转向半径 评价汽车机动灵活性的物理参量。
•汽车操纵稳定性测试实验
•2
操稳性测试
一、理论基础
1、操纵稳定性定义：
操稳性好的表现：
(1) 根据道路、地形和交通情况的限制，汽车能 够正确地按驾驶员通过操纵机构所给定的方向 行驶。
(2) 汽车在行驶过程中具有抵抗力图改变其行驶 方向的各种干扰，并保持稳定性的适当能力。
差的表现：速度达到一定值时发“飘”， 转向迟钝，过多转向，丧失路感等方面。
•18
操稳性测试
五、实验方法和步骤
4．实验步骤
(5) 处理试验数据
④ 平均车身侧倾角为
i
1 44 j1源自ij车身侧倾角变化过程•汽车操纵稳定性测试实验
•19
操稳性测试
五、实验方法和步骤
4．实验步骤
(5) 处理试验数据
第七章 车辆系统运动稳定性
36
整车蛇行失稳特性
装有刚性转向架或自由轮对的车辆，其蛇行运 动在本质上就是不稳定的。 轮对弹性定位的转向架式车辆，即使转向架与 车体之间不存在回转阻尼或回转复原弹簧，车 体在低速范围内也是稳定的。 采用轮对弹性定位的转向架是抑制车体蛇行的 措施之一，同时对提高转向架的临界速度也极 为有效。
37
第三节 提高车辆系统稳定性方法
6
3 y/mm
0
-3
-6 0
2 Time/s
4
6
7
蛇行运动稳定性
车辆沿直线轨道运动时，一直存在着蛇行运动。 由于车辆走行部分的状态及线路的横向不平顺 所引起的随机激扰，使车辆不断地产生蛇行运 动，同时又由于轮轨间存在蠕滑及车辆结构中 的各种阻尼，又使这种运动的振幅不断地衰 减，故这时候的运动是稳定的。 只有当车辆的运动速度超过其临界速度，蠕滑 及各种阻尼所产生的作用不足以衰减不断增长 的振幅时，车辆才开始失稳，于是就出现了不 稳定的蛇行运动。
32
①在初始时刻，相对于轨道中心坐标系统，车辆系统有 一横移量，其他初始量为零。 ②如果在以某一速度运行一定时间后，车辆系统的横向 位置回复到零位置附近并且随着时间的延长始终保持稳 定，那么车辆系统在该速度下是收敛的。 ③如果车辆系统的横向位移随着时间延长，其横移量越 来越大（轮对最大横移量为始终为轮轨最大间隙量）， 那么车辆系统在该速度下是不稳定的或发散的。 ④如果车辆系统的横向位移随着时间延长，车辆系统横 移呈既不增大也不缩小、始终维持在初始横移位置状 态，那么此时对应的速度即为车辆系统非线性临界速度。
第七章 车辆系统运动稳定性
稳定性的含义包含静态平衡稳定性和动态稳 定性两大类。 在车辆工程中所讨论的车体在弹簧上的抗倾 覆稳定性、车辆抗倾覆稳定性以及轮对抗脱 轨稳定性等，一般是从静力平衡条件来确 定，因此属于静态稳定的范畴。 动态稳定性通常称为运动稳定性， 则必须从 运动方程或其解的特征来判断。
汽车理论——汽车的稳定性共149页
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
33、如果惧怕前面跌宕的山岩，生命 就永远 只能是 死水一 潭。 34、当你眼泪忍不住要流出来的时候 ，睁大 眼睛， 千万别 眨眼!你会看到 世界由 清晰变 模糊的 全过程 ，心会 在你泪 水落下 的那一 刻变得 清澈明 晰。盐 。注定 要融化 的，也 许是用 眼泪的 方式。
35、不要以为自己成功一次可以了 ，也不 要以为 过去的 光荣可 以被永 远肯定 。
汽车理论——汽车的稳定性
31、别人笑我太疯癫，我笑他人看不 穿。(名 言网) 32、我不想听失意者的哭泣，抱怨者 的牢骚 ，这是 羊群中 的瘟疫 ，我不 能被它 传染。 我要尽 量避免 绝望， 辛勤耕 耘，忍 受苦楚 。我一 试再试 ，争取 每天的 成功， 避免以 失败收 常在别 人停滞 不前时 ，我继 续拼搏 。
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临界速度： 蛇行运动由稳定运动过渡到不稳定运动时的速度就称为临界速度。
.
2
不稳定的蛇行运动的危害： 高速车辆的蛇行运动失稳后，不仅会使车辆的运行性能恶
化，旅客的舒适度下降，作用在车辆各零部件上的动载荷增 大，并且将使轮对严重地打击钢轨，损伤车辆及线路，甚至 会造成脱轨事故。所以蛇行运动是机车车辆实现高速运行的 一大障碍。
在轮对载荷不变时，横向合力△ P的大小仅与横向位移量y成 正比，因此 的意义犹如一等效刚度。
.
15
（三）轮对产生摇头转动时的状态
图4—5表示出轮对产生逆时针方向的摇头角位移Ψ时的状态。当轮对产生 逆时针方向的角位移时，轮轨接触点就从中央位置时的A 、 B移至A’、B’。作A’A” ∥B’B” ∥ AB（轮对中心线），且使AA”⊥A’A”、BB” ⊥ B’B”。由于Ψ角很小，所 以：
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12
（二）轮对有横向位移时的状态（图4一4）
.
13
若轮对产生如图4一4所示的向右横向位移y，这时接触点A、
B 在横向铅垂平面内的法向反力分别为N1 、N2 ，法向反力 与铅垂线之间的夹角为a1 、 a2 。
2 b为轮轨接触点间的横向距离即左右车轮滚动圆之间的距离
.
14
水平分力的合力△P自右向左，因此有使轮对回复至其中央位 置的作用。如果轮对向左偏移，也会产生同样的效果，这 就是所谓重力刚度效应。
轮对静止地停放在钢轨上，如果要使轮对在钢轨上作横向位移, 那么 作用在轮对上的横向力必须大于摩擦力。但当轮对在钢轨上滚动时，即 使作用的横向力很小, 轮对沿力的方向也会产生微小的横向位移，这种现 象就称为横向蠕滑。
横向蠕滑力F和横向蠕滑率γ的关系，与公式（4—1）所示的完全 一样，不过这时的△V为横向蠕滑速度，而V仍为轮对的前进速度，相 应地△V/V=γ为横向蠕滑率。这时的f为横向蠕滑系数，在进行蛇行运 动稳定性计算时，可以认为横向蠕滑系数与纵向蠕滑系数大致相等。
因为蠕滑力的方向和滑动的方向总是相反的，故取负号。蠕滑系数f具有力的量纲。
.
7
计算蠕滑系数的公式，经理论推导和实验研究,由B.S.Cain发展成为下列形式：
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8
.
9
上面所讨论的是轮对沿着钢轨（纵向）滚动时的蠕滑现象（称为纵向 蠕滑），并表明了蠕滑力F（纵向）与蠕滑率 γ的关系。如果蠕滑力F存 在着横向分量时，那么在横向也会产生蠕滑。
定的定位刚度，各悬挂参数匹配适当，在某一速度范围内运行，这时所产 生的蛇行运动的振幅是随着时间的延续而衰减的，这种运动称之为稳定的 蛇行运动。
不稳定的蛇行运动： 而只有当车辆的运行速度超过某一临界数值时，才产生一种称为不稳
定的蛇行运动，此时它们的振幅随着时间的延续而不断地扩大，使轮对左 右摇摆直到轮缘碰撞钢轨，对于转向架或车体，则出现大振幅的剧烈振动， 这种现象称为失稳，此时的运动称为不稳定运动。
自激振动： 指一个系统在运动中，如果引起振动的激振源是由于系统结构本身
所造成，而不是由于外界强迫输入的，当运动停止时，这种激振力也就 随之消失，那末这种振动就称为自激振动。自激振动的频率通常是系统 的自振频率（或接近自振频率），自激振动所消耗的能量取源于外界给 予系统的能量。
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1
稳定的蛇行运动： 机车车辆在理想的平直道上运行时，在特定的条件下，如轮对具有一
下面将依次讨论自由轮对和转向架蛇行运动。
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3
第一节 自由轮对的蛇行运动
在研究自由轮对的蛇行运动之前，首先需要阐明蠕滑 的基本概念并给出重力刚度及重力角刚度的物理意义及其 数学关系表达式。
一、蠕滑的基本概念
“蠕滑”这个物理现象，在任何两个相互滚动接触的 弹性体之间是始终存在着的。当它们之间没有相对运动时， 蠕滑现象无法显示出来，只是在两物体之间产生相对滚动 或有相对滚动的趋势时，才产生了蠕滑效应。
第四章 车辆的蛇行运动稳定性
前言: 转向架蛇行运动和车体蛇行运动：
带有锥形踏面的轮对沿着直线轨道滚动时，它会产生一种特有的自 激振动——一面横向移动，一面又绕通过其重心的铅垂轴转动，这种运 动就是轮对的蛇行运动。由轮对的蛇行运动而引起转向架和车体在横向 平面内的振动，就称为转向架蛇行运动和车体蛇行运动。
.
10
二、重力刚度和重力角刚度
1.重力刚度和重力角刚度含义: 由于铁路车辆使用锥形踏面的轮对，所以当轮对作横向移动时，轮
轨之间的接触反力就随之发生变化，因此，轮轨接触点A、B在横向铅垂 平面内的法向反力各产生一横向水平分力，其合力将阻止轮对横向位移。 当轮对作摇头转动时，则在轮轨接触点所在的水平平面内产生一对力偶， 来推动摇头角位移。在轮对位移很小的情况下，这些力和力偶与位移之 间的关系是成正比的，其比例系数即称为重力刚度和重力角刚度。
例如，带有锥形踏面轮对的机车车辆在平直轨道上运 行时所产生的蛇行运动，就是由于轮轨接触点接触表面通常是一个椭圆，椭圆的形状与 轮轨的材质和接触部位的外形、正压力的大小有关，一般情况下，椭圆的 长轴沿车轮的前进方向。由图4—1可见，轮轨接触区域分为两部分，前面
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11
轮对与钢轨间的相互关系，可分为三种基本状态来讨论, 由此推导重 力刚度和重力角刚度的计算公式。
（一）轮对在中央位置时的状态（图4—3）
这时轮对置于平直道上，并且左、右两轮以相同半径的滚动圆与 钢轨相接触，又假定通过轮对重心的纵向中心线与线路中心线完全一 致。
在图4—3中，左、右轮轨接触点为A、B，它们在横向铅垂平面 内的法向反力分别为N1、N2 。法向反力与铅垂线之间的夹角分别为 a1 、a2 。 N1 、 N2 的水平分力为P1 、P2 。，铅垂分力为R1 、R2 。 在上述假定条件下，a1＝a2 ； N1=N2 ；P1=P2 ； R1 =R2 。因此，当 轮对在中央位置时，并不产生附加的横向水平力。
阴影部分为粘着区，后面部分为滑动区。
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5
车轮在钢轨表面上产生的蠕滑，是由于轮轨之间作用有切向力的缘故，因此这个切向
力就称为“蠕滑力”。 自提出了蠕滑理论后，进行了大量的理论研究和实验工作，得到了蠕滑力F和蠕滑率γ之
间的关系。
.
6
从图 4—2可以看出：蠕滑力F和蠕滑率γ之间的变化规律不全是线性的，只 是在较小的γ，也就是在较小的蠕滑速度△V范围内，其变化规律才是线性的，在 线性范围内该直线的斜率称之为蠕滑系数f。因此，可用下式来表示：
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不稳定的蛇行运动的危害： 高速车辆的蛇行运动失稳后，不仅会使车辆的运行性能恶
化，旅客的舒适度下降，作用在车辆各零部件上的动载荷增 大，并且将使轮对严重地打击钢轨，损伤车辆及线路，甚至 会造成脱轨事故。所以蛇行运动是机车车辆实现高速运行的 一大障碍。
在轮对载荷不变时，横向合力△ P的大小仅与横向位移量y成 正比，因此 的意义犹如一等效刚度。
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15
（三）轮对产生摇头转动时的状态
图4—5表示出轮对产生逆时针方向的摇头角位移Ψ时的状态。当轮对产生 逆时针方向的角位移时，轮轨接触点就从中央位置时的A 、 B移至A’、B’。作A’A” ∥B’B” ∥ AB（轮对中心线），且使AA”⊥A’A”、BB” ⊥ B’B”。由于Ψ角很小，所 以：
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（二）轮对有横向位移时的状态（图4一4）
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13
若轮对产生如图4一4所示的向右横向位移y，这时接触点A、
B 在横向铅垂平面内的法向反力分别为N1 、N2 ，法向反力 与铅垂线之间的夹角为a1 、 a2 。
2 b为轮轨接触点间的横向距离即左右车轮滚动圆之间的距离
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14
水平分力的合力△P自右向左，因此有使轮对回复至其中央位 置的作用。如果轮对向左偏移，也会产生同样的效果，这 就是所谓重力刚度效应。
轮对静止地停放在钢轨上，如果要使轮对在钢轨上作横向位移, 那么 作用在轮对上的横向力必须大于摩擦力。但当轮对在钢轨上滚动时，即 使作用的横向力很小, 轮对沿力的方向也会产生微小的横向位移，这种现 象就称为横向蠕滑。
横向蠕滑力F和横向蠕滑率γ的关系，与公式（4—1）所示的完全 一样，不过这时的△V为横向蠕滑速度，而V仍为轮对的前进速度，相 应地△V/V=γ为横向蠕滑率。这时的f为横向蠕滑系数，在进行蛇行运 动稳定性计算时，可以认为横向蠕滑系数与纵向蠕滑系数大致相等。
因为蠕滑力的方向和滑动的方向总是相反的，故取负号。蠕滑系数f具有力的量纲。
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计算蠕滑系数的公式，经理论推导和实验研究,由B.S.Cain发展成为下列形式：
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上面所讨论的是轮对沿着钢轨（纵向）滚动时的蠕滑现象（称为纵向 蠕滑），并表明了蠕滑力F（纵向）与蠕滑率 γ的关系。如果蠕滑力F存 在着横向分量时，那么在横向也会产生蠕滑。
定的定位刚度，各悬挂参数匹配适当，在某一速度范围内运行，这时所产 生的蛇行运动的振幅是随着时间的延续而衰减的，这种运动称之为稳定的 蛇行运动。
不稳定的蛇行运动： 而只有当车辆的运行速度超过某一临界数值时，才产生一种称为不稳
定的蛇行运动，此时它们的振幅随着时间的延续而不断地扩大，使轮对左 右摇摆直到轮缘碰撞钢轨，对于转向架或车体，则出现大振幅的剧烈振动， 这种现象称为失稳，此时的运动称为不稳定运动。
自激振动： 指一个系统在运动中，如果引起振动的激振源是由于系统结构本身
所造成，而不是由于外界强迫输入的，当运动停止时，这种激振力也就 随之消失，那末这种振动就称为自激振动。自激振动的频率通常是系统 的自振频率（或接近自振频率），自激振动所消耗的能量取源于外界给 予系统的能量。
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稳定的蛇行运动： 机车车辆在理想的平直道上运行时，在特定的条件下，如轮对具有一
下面将依次讨论自由轮对和转向架蛇行运动。
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第一节 自由轮对的蛇行运动
在研究自由轮对的蛇行运动之前，首先需要阐明蠕滑 的基本概念并给出重力刚度及重力角刚度的物理意义及其 数学关系表达式。
一、蠕滑的基本概念
“蠕滑”这个物理现象，在任何两个相互滚动接触的 弹性体之间是始终存在着的。当它们之间没有相对运动时， 蠕滑现象无法显示出来，只是在两物体之间产生相对滚动 或有相对滚动的趋势时，才产生了蠕滑效应。
第四章 车辆的蛇行运动稳定性
前言: 转向架蛇行运动和车体蛇行运动：
带有锥形踏面的轮对沿着直线轨道滚动时，它会产生一种特有的自 激振动——一面横向移动，一面又绕通过其重心的铅垂轴转动，这种运 动就是轮对的蛇行运动。由轮对的蛇行运动而引起转向架和车体在横向 平面内的振动，就称为转向架蛇行运动和车体蛇行运动。
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二、重力刚度和重力角刚度
1.重力刚度和重力角刚度含义: 由于铁路车辆使用锥形踏面的轮对，所以当轮对作横向移动时，轮
轨之间的接触反力就随之发生变化，因此，轮轨接触点A、B在横向铅垂 平面内的法向反力各产生一横向水平分力，其合力将阻止轮对横向位移。 当轮对作摇头转动时，则在轮轨接触点所在的水平平面内产生一对力偶， 来推动摇头角位移。在轮对位移很小的情况下，这些力和力偶与位移之 间的关系是成正比的，其比例系数即称为重力刚度和重力角刚度。
例如，带有锥形踏面轮对的机车车辆在平直轨道上运 行时所产生的蛇行运动，就是由于轮轨接触点接触表面通常是一个椭圆，椭圆的形状与 轮轨的材质和接触部位的外形、正压力的大小有关，一般情况下，椭圆的 长轴沿车轮的前进方向。由图4—1可见，轮轨接触区域分为两部分，前面
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轮对与钢轨间的相互关系，可分为三种基本状态来讨论, 由此推导重 力刚度和重力角刚度的计算公式。
（一）轮对在中央位置时的状态（图4—3）
这时轮对置于平直道上，并且左、右两轮以相同半径的滚动圆与 钢轨相接触，又假定通过轮对重心的纵向中心线与线路中心线完全一 致。
在图4—3中，左、右轮轨接触点为A、B，它们在横向铅垂平面 内的法向反力分别为N1、N2 。法向反力与铅垂线之间的夹角分别为 a1 、a2 。 N1 、 N2 的水平分力为P1 、P2 。，铅垂分力为R1 、R2 。 在上述假定条件下，a1＝a2 ； N1=N2 ；P1=P2 ； R1 =R2 。因此，当 轮对在中央位置时，并不产生附加的横向水平力。
阴影部分为粘着区，后面部分为滑动区。
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车轮在钢轨表面上产生的蠕滑，是由于轮轨之间作用有切向力的缘故，因此这个切向
力就称为“蠕滑力”。 自提出了蠕滑理论后，进行了大量的理论研究和实验工作，得到了蠕滑力F和蠕滑率γ之
间的关系。
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从图 4—2可以看出：蠕滑力F和蠕滑率γ之间的变化规律不全是线性的，只 是在较小的γ，也就是在较小的蠕滑速度△V范围内，其变化规律才是线性的，在 线性范围内该直线的斜率称之为蠕滑系数f。因此，可用下式来表示：