第五章汽车操纵稳定性课件.ppt

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1、汽车的操纵稳定性,第五章,第五章 汽车操纵稳定性5.1 概述,定义： 1）在驾驶员不感觉过分紧张、疲劳的条件下，汽车能按照驾驶员通过转向系及转向车轮给定的方向（直线或转弯）行驶的能力； 2）当受到外界干扰(路面不平、侧向风、货物或乘客偏载)时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。意义高速车辆的生命线操纵方便性；高速行驶安全性；,第五章 汽车操纵稳定性5.1 概述,一、操纵稳定性的基本内容 表5-1 汽车操纵稳定性的基本内容及评价所用的物理量,第五章 汽车操纵稳定性5.1 概述,续表5-1,第五章 汽车操纵稳定性5.1 概述,研究方法： 角输入 时域响应 力输入 频域响应 实际上，汽车应为一个具

2、有惯性、弹性、阻尼等动力学特性的多自由度动力学系统。主要动力学元件有轮胎、悬架、转向系等，是一个非线性系统。 当侧向加速度不超过0.4g，可看作线性系统。本章研究内容：转向盘脚阶跃输入下的稳态响应和瞬态响应；汽车侧翻原理,汽车,第五章 汽车操纵稳定性5.1 概述,2 车辆坐标系与转向盘角阶跃输入下的时域响应 图4-34 车辆坐标系,第五章 汽车操纵稳定性5.1 概述,汽车时域响应分为稳态响应和瞬态响应。 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。 转向盘角阶跃输入下的瞬态响应：等速

3、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。,第五章 汽车操纵稳定性5.1 概述,稳态转向特性（稳态响应） 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。见下图所示：,第五章 汽车操纵稳定性5.1 概述,稳态转向特性,第五章 汽车操纵稳定性5.1 概述,瞬态响应特性曲线,第五章 汽车操纵稳定性5.1 概述,几个特性参数：,第五章 汽车操纵稳定性5.1 概述,3.人汽车闭环系统,第五章 汽车操纵稳定性5.1 概述,4.试验评价方法分

4、为主观评价和客观评价两种方法。客观评价法：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：让试验评价者根据试验时自己的感觉来进行评价。最终评价方法。 汽车本身特性的开环系统只能采用客观评价法。人车闭环系统的试验常同时采用客观评价与主观评价两种方法。,第五章 汽车操纵稳定性5.2 轮胎的侧偏特性,一、轮胎侧偏特性定义：侧偏力、回正力矩与侧偏角的关系1.轮胎坐标系,第五章 汽车操纵稳定性 5.2 轮胎的侧偏特性,2.轮胎侧偏现象侧偏角：汽车行驶过程中，因路面侧向倾斜、侧向风或曲线行驶时离心力等的作用，车轮中心沿y轴方向将作用有侧向力F

5、y，在地面上产生相应的地面侧向反作用力FY，FY也称为侧偏力。 当有Fy时，若车轮是刚性的，则可以发生两种情况：1）车轮沿直线行驶（ ）2）车轮偏离原来的行驶方向,轮胎侧偏现象：指当车轮有侧向弹性时，即使FY没有达到附着极限，车轮行驶方向也将偏离车轮平面的方向。,第五章 汽车操纵稳定性 5.2 轮胎的侧偏特性,轮胎的侧偏特性：,在侧偏角5时，侧偏力和侧偏角成线性关系。这时，式中，k称为侧偏刚度（N/rad或N/()。为曲线在=0处的斜率。按轮胎坐标系，侧偏力和侧偏角总是反号，故侧偏刚度总是负值。,第五章 汽车操纵稳定性 5.2 轮胎的侧偏特性,3.轮胎的坐标系轮胎结构、工艺条件与侧偏特性的关系

6、1）采用扁平率（H/B）小的宽轮胎，可提高侧偏刚度；2）垂直载荷适当增大，会提高侧偏刚度；3）适当提高轮胎的充气压力，可提高侧偏刚度；4）行驶车速对轮胎的侧偏刚度影响较小；5）路面及其粗糙程度、干湿状况对轮胎的侧偏特性影响较大，特别是最大侧偏力,第五章 汽车操纵稳定性 5.2 轮胎的侧偏特性,附着椭圆: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，这是由于轮胎侧向弹性有所改变的关系。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。,第五章 汽车操纵稳定性 5.2 轮胎的侧偏特性,4.回正力矩定义：轮胎侧偏时产生作用于绕oz轴的回

7、正力矩TZ。该力矩是使转向车轮恢复到直线行驶位置的主要恢复力矩之一。形成过程如下图所示：,4 回正力矩的形成过程,第五章 汽车操纵稳定性 5.2 轮胎的侧偏特性,影响因素：1）侧偏角；2）垂直载荷；3）地面切向反作用力；（图见下页）,第五章 汽车操纵稳定性 5.2 轮胎的侧偏特性,第五章 汽车操纵稳定性 5.2 轮胎的侧偏特性,5.有外倾角时轮胎的滚动外倾侧向力：当前轮有外倾角时，车轮中心必作用有侧向力Fy，把车轮约束至同一方向向前滚动。与此同时，轮胎接地面中产生一个与Fy方向相反的侧向反作用力，这就是外倾侧向力FYr。其中，Kr为外倾刚度，负值小侧偏角时，有,第五章 汽车操纵稳定性 5.2

8、轮胎的侧偏特性,第五章 汽车操纵稳定性 5.2 轮胎的侧偏特性,结论：1.小侧偏角时不同外倾角对应的侧偏刚度不变；2.侧偏角为零、外倾角不为零时的地面侧向力，即为外倾侧向力。3.侧偏角不为零、外倾角为零时的地面侧向力，即为侧偏力。4.外倾角增大会影响最大地面侧向反力，降低极限侧向加速度，故高速汽车转弯时应使前外轮尽量垂直于地面。5.车轮有外倾角时还产生外倾回正力矩。,第五章 汽车操纵稳定性 5.2 轮胎的侧偏特性,第五章 汽车操纵稳定性 5.2 轮胎的侧偏特性,轮胎特性参数的正负规定,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,简化假设：*忽略转向系统的影响，直接以前轮

9、转角为输入。*不考虑振动、侧倾、俯仰运动，认为汽车只作平行 于地面的平面运动；*不考虑轮胎切向力、外倾角、空气阻力的影响；*忽略左、右轮胎载荷变化引起的侧偏特性变化；*忽略轮胎回正力矩；*认为轮胎侧偏特性处于线性范围；*认为汽车沿x轴速度不变。,二自由度模型,Y,X,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,代入化简、整理得到,2 前轮角阶跃输入下进入的汽车稳态响应

10、等速圆周运动1） 稳态响应的评价指标：稳态横摆角速度增益或转向灵敏度,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,2）稳态响应的三种类型按K值不同（1）中性转向当汽车以很低的速度/或很大转向半径行驶时，侧偏角很小，即则有,图4-56 横摆角速度增益曲线,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,(2)不足转向K0称为不足转向。稳态横摆角速度增益较小，即r较小。但因 ，故不足转向汽车转向半径随车速增大而增大。,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,(

11、3)过渡转向 K0称为过渡转向。此时，横摆角速度增益为向上弯曲的一条曲线,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,总结： 1）过度转向汽车车速达到临界车速时将失去稳定性。即使一个很小的转角，横摆角速度增益r/ 就趋于无穷大。（横摆角速度极大） 2）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侧滑或侧翻。 3）在选用时，一定要避免采用过渡转向；且汽车都应该保持一定的不足转向量。,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,3.几个表征稳态响应的参数（1）前、后轮侧偏角绝对值之差1）与汽车稳

12、定性因素K的关系由于，侧向加速度与侧偏角符号相反,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,则有,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,2）与转向半径R的关系,由于,得到,代入，有,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,（2）转向半径之比R/Ro,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,(3)静态裕度,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,瞬态响应,汽车平面运动方程为,第五章 汽车操纵

13、稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,式中0、B1、 B0是与车速u和汽车参数有关的常数，详见p153。为输入（前轮转角），设其为阶跃函数：,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,其解为：,只考虑t0的情况，上式变为：,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,式中,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,表征瞬态响应的几个参数,小轿车的固有频率f0(=0/2)在

14、0.8-1.2Hz之间。固有频率高些较好。,1、波动的固有频率0,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,2、阻尼比,小了超调量大，故大些较好。,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,3、反应时间,反应时间 指r第一次到达稳定值的时间。小些较好。,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,4、达到第一峰值的时间,达到第一峰值的时间小些较好。,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,瞬态响应的稳定条件,瞬态响应对应的齐

15、次方程为,对应的特征方程为,根为：,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,方程稳定性理论指出，上式中s的实部如为正数，则方程的解不稳定，因为解中总是有一项ereal(s)t存在。可以证明，当稳定性因数K0(过多转向)且车速,第五章 汽车操纵稳定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,四、汽车操纵稳定性与悬架的关系由二自由度模型可知前、后轮侧偏角（绝对值）是很重要的汽车运动学参数。回顾二自由度模型的简化假设： 忽略了前、后轴及左、右轮的载荷变化；忽略了车轮外倾角、悬架导向杆系的运动及变形对轮胎侧偏角的影响；忽略了驱动力的影响。 这时，轮胎的弹性侧偏角绝对值的

16、大小只取决于整车质心位置。 但是，这些影响因素都是存在的；且车身在转弯时将发生侧倾运动，由所有的因素一起决定汽车的转向运动。,第五章 汽车操纵稳定性5.1线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,1.侧倾时垂直载荷在左右侧车轮上的重新分配及其对稳态响应的影响 汽车曲线行驶时，由于侧倾力矩的作用，垂直载荷在左右车轮上不相等。改变了轮胎的侧偏特性，甚至改变稳态响应的状态。结论：1)前轴车轮垂直载荷变动越大，汽车趋于增加不足转向量；后轴车轮垂直载荷变动越大，汽车趋于减少不足转向量； 2)取决于侧倾角刚度、悬挂质量、（非）悬挂质量、质心位置、侧倾中心位置。,第五章 汽车操纵稳定性5.1 概述,侧倾中心,

17、第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性,第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性,2.侧倾外倾（车身侧倾时车辆外倾角的变化）车厢侧顿时，因悬架形式不同，车轮外倾角的变化有三种情况：1）保持不变；2）沿地面侧向反作用力作用方向倾斜；3)沿地面侧向反作用力作用方向的相反方向倾斜,第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性,结论：1）车轮外倾角变化规律将影响汽车稳态与瞬态响应。2）外倾角为正值时，使侧偏角的绝对值增大。随着外倾角的增加，轮胎的侧向附着性能降低。所以，外倾角的变化也影响汽车极限侧向加速度。若要保持高的极限性能，急速转弯行驶时承受大部分垂直载荷的外侧车轮应尽量垂直于地面，使轮

18、始胎面花纹与地面保持良好的接触。3）悬架设计中应恰当控制、设置车厢侧倾引起的外倾角。以兼顾横摆角速度响应与直线行驶稳定性,第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性,车厢侧倾引起的车轮外倾角的变化 外倾角变化率后侧倾外倾系数,第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性,3.侧倾转向侧倾转向：在侧向力作用下车厢发生侧倾，由车厢侧倾所引起的前转向轮绕主销的转动、后轮绕垂直于地面轴线的转动，即车轮转向角的变动。后轴转向是因悬架杆系的运动学关系所产生的车轮转向角。（后轴）侧倾干涉转向是转向轴因转向杆系和悬架杆系运动学关系干涉所产生的车轮转向角变动。（前轴）轴转向是发生侧倾转向时，车轴发生的绕垂直轴

19、线的转动。（非独立悬架）运动学侧偏是车轴和车轮围绕垂直轴线的转动与轮胎侧偏之效果一样。,具有侧倾转向效应的汽车在路面有不平度时也会使车轮产生一定的转向角，影响了直线行驶稳定性。应尽量减少。,第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性,4.变形转向变形转向：悬架导向杆系元件在各种力和力矩作用下的弹性变形可能引起车轮围绕主销或垂直地面的轴线的转动。对应的转角称为变形转向角,第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性,6.回正力矩变形转向角,第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性,5.变形外倾 对独立悬架杆系，在受到侧向力时，杆系的变形引起车轮外倾角的变化。用侧向力引起的外倾角变化率 来衡

20、量。,第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性,五、转向系对汽车横摆角速度稳态响应的影响,第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性,1.侧倾时转向系统与悬架对运动的干涉 对非独立悬架汽车，转向系与悬架在运动学上关系不协调，将会引起转向车轮干涉转向。这会损坏汽车前轮转动的操纵性，应尽量减少。 将转向器与固定吊耳尽可能地靠近。,第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性,2.转向系刚度与转向车轮的变形转向 1）转向系刚度低，前轮变形转向角大，增加不足转向。但转向系刚度低不仅路感不好，还可能造成前轮摆振。 2）转向系刚度高，前轮变形转向角小，不足转向增加量小。,第四章 汽车行驶安全性4.3

21、 汽车操纵稳定性,六、传动系对汽车操纵稳定性的影响 轮胎侧偏特性受地面切向反作用力的影响，所以传动系影响汽车操纵稳定性，切向反作用力也是改善极限工况下操纵稳定性的一项有效手段。,第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性,当驱动轮为前轮时： (1)当汽车在弯道上以大驱动力加速行驶时，前轴垂直载荷明显减少，后轴垂直裁荷相对增加。一般载荷范围内，轮胎侧偏刚度随载荷的增大或减少而增减。因此，汽车加速时前轴侧偏角增加，后轴侧偏角减小，汽车不足转向趋势增加。 (2)前车轮驱动时，由附着椭圆可知，随着驱动力的增加，同一侧偏角下的最大侧偏力下降。因此，汽车在弯道上加速行驶时，为了提供足够的侧偏力，前轮侧偏

22、角必然增大。这是前驱动汽车有不足转向趋势的另一个原因。地面附着条件差时，如冰雪路面，这种现象更为突出。,第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性,(3)前轮受半轴驱动转矩的影响会产生不足变形转向，增加了前驱动汽车不足转向的趋势。 (4)随着驱动力的增加，轮胎回正力矩一般也有所增大，这也增加了不足转向趋势。 综上所述，驱动力的作用是增加前驱动汽车的不足转向趋势。,第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性,七、提高汽车操纵稳定性的电子控制系统1）ABS2）4WD、ASR/TCS3）4WS与2WS4）VSC、VDC与ESP,第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性,八、汽车的侧翻 汽车侧翻：指汽车在行驶过程中绕其纵轴线转动90或更大的角度，以至车身与地面相接触的一种危险的侧向运动。曲线运动引起的侧翻绊倒侧翻影响因素：1）汽车结构2）驾驶员3）道路条件,第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性,侧翻阈值：,