lecture05汽车操纵动力学.ppt
主讲：王文林 教授,南昌大学机电工程学院-车辆工程技术研究中心,汽车操纵动力学,汽车操纵稳定性的定义,汽车系统坐标系及运动形式,汽车操纵稳定性输入、输出,汽车时域响应分为稳态响应和瞬态响应。1、转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应：等速直线行驶，急剧转动转向盘，然后维持转角不变，即对汽车施以转向盘角阶跃输入，汽车经短暂的过渡过程后进入等速圆周行驶工况。2、转向盘角阶跃输入下的瞬态响应：等速直线行驶和等速圆周行驶两个稳态运动之间的过渡过程所对应的瞬间运动响应。,汽车系统时间域的响应：,汽车系统时间域的响应：,稳态响应特性分类：不足转向、中性转向、过度转向。转向盘保持一个固定转角不变，缓慢加速或以不同车速等速行驶时，不足转向的汽车转向半径逐渐增大，中性转向的汽车转向半径不变，而过度转向的汽车转向半径逐渐减小。,汽车系统时间域的响应：,驾驶员-汽车闭环系统,汽车时域响应：把汽车作为开环控制系统的控制特性。驾驶员汽车系统闭环控制系统：在汽车行驶过程中，驾驶员根据需要，操纵转向盘使汽车做转向运动。路面的凹凸不平、侧风、偏载等干扰因素会影响汽车的行驶。驾驶员则根据道路、交通等情况，通过眼、手及身体感知的汽车运动状况（输出参数），经过头脑的分析、判断（反馈），修正其对转向盘的操纵。如此不断地反复循环，使汽车能稳定行驶。,驾驶员-汽车闭环系统,汽车操纵稳定性的评价方法,1、客观评价法：通过道路试验，用测试仪器测量转向时的汽车系统的物理参数。,试验项目：(1)、蛇形试验：评价汽车的随动性、收敛性、方向操纵轻便性和事故可避性等。(2)、转向瞬态响应试验(转向盘转角阶跃输入)：评价汽车的动态特性。(3)、转向瞬态响应试验(转向盘转角脉冲输入)：评价汽车的动态特性。(4)、转向回正性能试验：评价汽车从曲线行驶自行回复到直线行驶的过渡过程和能力。(5)、转向轻便性试验：通过测定汽车在低速大转角时的转向轻便性，来评价驾驶员操纵汽车转向盘的轻重程度。(6)、稳态回转试验。(固定转向盘转角连续加速、定转弯半径法等。),汽车操纵稳定性的评价方法,常用测试仪器：(1)、五轮仪或非接触式车速仪：测定车速、时间。(2)、转向盘测力计：转向盘作用转矩、转角。(3)、加速度计：测定汽车作曲线行驶时的侧向和纵向加速度。(4)、角速度陀螺仪：汽车横摆角速度。(5)、垂直陀螺仪：汽车车身侧倾角、俯仰角。(6)、现场数据处理系统。,2、主观评价法：凭借主观感觉的评价。如转向盘阶跃输入下进入的稳态响应等。,轮胎坐标系、侧偏特性,侧偏特性：侧偏力、回正力与侧偏角的关系。,侧偏现象、侧偏力、侧偏角、侧偏特性,侧偏现象、侧偏力、侧偏角、侧偏特性,保证汽车具有良好的操纵稳定性要求：轮胎具有较大的侧偏刚度和侧偏力，这样汽车的极限性能越好。譬如按圆周行驶的极限侧向加速度就越高。,侧偏现象、侧偏力、侧偏角、侧偏特性,最大侧偏力的影响因素,1、附着条件及垂直载荷FZ2、轮胎胎面花纹、材料、结构、充气压力3、路面材料、结构、潮湿程度4、车轮外倾角,轮胎结构、工作条件与侧偏刚度,1、尺寸的轮胎，k；2、子午线轮胎接地面宽，k大；3、钢丝比尼龙轮胎k大；4、扁平率：轮胎断面高度与断面宽度之比H/B，k；5、在一定范围内，载荷（FZ），k。但载荷太大时，k；6、轮胎充气压力，k；7、行驶车速对k影响较小；8、潮湿特别在积水时，k 很大。,轮胎结构、工作条件与侧偏特性,轮胎结构、工作条件与侧偏特性,一定侧偏角下，驱动力或制动力增加时，侧偏力逐渐有所减小，这是由于轮胎侧线弹性有所改变的所至。当纵向力相当大时，侧偏力显著下降。接近附着极限时，切向力已耗去大部分附着力，而侧向力能利用的附着力很小。,附着椭圆,回正力矩,回正力矩,轮胎外倾角对侧偏力的作用,轮胎外倾角对侧偏力的作用,线性二自由度汽车模型的运动微分方程,忽略转向系的影响，以前轮转角作为输入；汽车只进行平行于地面的平面运动，而忽略悬架的作用；汽车前进（纵轴）速度不变，只有沿y轴的侧向速度和绕z轴的横摆运动(ay0.4g)；驱动力不大，对侧偏特性无影响；忽略空气阻力；忽略左右轮胎因载荷变化引起轮胎特性的变化；忽略回正力矩的变化。,线性二自由度汽车模型的运动微分方程,线性二自由度汽车模型的运动微分方程,Y向力平衡,对质心取矩,线性二自由度汽车模型的运动微分方程,前轮角阶跃输入下进入的汽车稳态响应等速圆周运动,稳态响应的评价指标：稳态横摆角速度增益或转向灵敏度。,前轮角阶跃输入下进入的汽车稳态响应等速圆周运动,稳态横摆角速度增益,汽车稳态响应的三种类型,过度转向Over-Steering,不足转向Under-Steering,中性转向Neutral-Steering,汽车稳态转向的特征车速,特征车速：表示不足转向的一个参数。当不足转向量增加时，K增大，特征车速降低。,汽车稳态转向的临界车速,临界车速：表示过多转向的一个参数。临界车速越低，过多转向量越大。,汽车稳态转向的特征车速、临界车速,过度转向特性的问题,过度转向汽车车速达到临界车速时将失去稳定性。因为只要一个很小的转角，横摆角速度增益r/就趋于无穷大。因为假设纵向速度为优先值，根据纵向速度与角速度的关系可知，汽车的转向半径极小，这样汽车必定发生激转而发生侧滑或侧翻。,电子稳定控制,汽车的侧倾,无侧向力,有侧向力,汽车的侧倾,车身侧倾轴线：车厢相对地面转动时瞬时轴线。侧倾中心：侧倾轴线通过车厢在前后轴处横断面的瞬时转动中心。侧倾中心的位置由悬架的导向机构所决定。可用解析和图解两种方法获得侧倾中心。图解方法是利用可逆原理，即假设车厢不动而地面相对车厢发生转动，求出地面相对车厢的瞬时转动中心，它也是车厢的侧倾中心。,汽车的侧倾,汽车的侧倾,汽车的侧倾,汽车的侧倾,商用车,轿车,车厢的侧倾角,车厢的侧倾角：车厢在侧向力的作用下绕侧倾轴线的转角。车厢侧倾角是操纵稳定性和汽车平顺性的重要参数。侧倾角r 影响汽车r 动态和稳态响应，是操纵稳定性的重要评价指标。r 过大，会使驾驶员感觉不稳定、不安全、不舒服。r 过小，在不平路面车厢冲击大。汽车稳态圆周运动时，车厢的侧倾角为：,悬架的侧倾角刚度,悬架的侧倾角刚度,悬挂质量离心力引起的侧倾力矩,侧倾后悬挂质量重力引起的侧倾力矩,独立悬架中非悬挂质量的离心力引起的侧倾力矩,汽车作稳态圆周运动时其侧倾力矩,汽车作稳态圆周运动时其侧倾力矩,在侧倾力矩的作用下，汽车左右车轮的垂直载荷发生变化，这将导致轮胎的侧偏特性变化而使汽车稳态转向特性发生变化。左右车轮垂直载荷差别越大，侧偏刚度越小。若前轴左右车轮的垂直载荷变化大，则趋于不足转向。后轴左右车轮的垂直载荷变化大，则为趋于过多转向。车轮左右载荷的变动取决于：侧倾角刚度、悬挂质量、非悬挂质量、质心位置、前后悬挂侧倾中心位置等。,车厢侧倾时车轮外倾角的变化,侧倾转向,侧倾转向,回正力矩变形转向角,转向系刚度：由转向盘至转向车轮之间，包括转向器、传动杆系、固定座在内的刚度。在一定的转向盘转角下，转向系刚度低，前转向轮的变形转向角大，增加了汽车的不足转向趋势；反之，若刚度大，则不足转向的趋势变小。为了获得良好的路感，转向系的刚度应高一些。特别是在转向盘在中间位置小转角范围内应有尽可能高的刚度。,转向系刚度与变形转向,复习题,1.什么是轮胎的侧偏特性？保证汽车具有良好的操纵稳定性要求轮胎具有什么样的侧偏刚度和侧偏力？2.汽车操纵稳定性系统的输入、输出是什么？汽车转向响应特性分为几类？哪一种是实际操作中稳定的特性？,
