汽车的操纵稳定性和平顺性教案.ppt
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1、2005年汽车理论课时安排,第五章 汽车的操纵稳定性12学时,6次课第六章 汽车的平顺性10学时,5次课,2005年汽车理论课时安排,第五章 汽车的操纵稳定性(12学时)第一节 概述(1学时)第二节 轮胎的侧偏特性(3学时)第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应(6学时)第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系(2学时),2005年汽车理论课时安排,第六章 汽车的平顺性(10学时)第一节 人体对振动的反映和平顺性的评价(1学时)第二节 路面不平度的统计特性(1学时)第三节 汽车振动系统的简化 单质量系统的振动(4学时)第四节 车身与车轮双质量系统的振动(4学时),第五章 汽车的操纵稳定性,
2、汽车的操纵稳定性:在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下,汽车能遵循驾驶者通过转向系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。,第一节 概述,第一节 概述,系统输入:转向盘角阶跃输入系统输出:横摆角速度,第一节 概述,操纵稳定性良好的汽车应具有适度的不足转向特性,第二节 轮胎的侧偏特性一、轮胎的坐标系,第二节 轮胎的侧偏特性二、轮胎的侧偏现象和侧偏力侧偏角曲线,侧偏力的产生:路面的侧向倾斜侧向风曲线行驶时的离心力,第二节 轮胎的侧偏特性二、轮胎的侧偏现象和侧偏力侧偏角曲线,刚性车轮轮胎无侧向弹性,第二节 轮胎的侧偏特性二、轮胎的侧偏现象和侧偏力侧偏角曲线,
3、弹性车轮轮胎有侧向弹性,轮胎的侧偏现象侧偏力作用在滚动车轮上,没有达到车轮与地面的侧向附着极限,车轮的行驶方向将偏离车轮平面的方向。,轮胎的侧偏角当侧偏力作用在滚动车轮上,车轮与地面的接触印迹的中心线与车轮平面和地面的交线的夹角。,第二节 轮胎的侧偏特性二、轮胎的侧偏现象和侧偏力侧偏角曲线,侧偏力Fy与侧偏角的关系:Fyf(),侧偏角不超过5度时,侧偏力Fy与侧偏角成线性关系。汽车正常行驶时,侧向加速度不超过0.4g,侧偏角不超过45度。,第二节 轮胎的侧偏特性二、轮胎的侧偏现象和侧偏力侧偏角曲线,侧偏刚度k:侧偏力Fy侧偏角曲线在0处的斜率。即作用在轮胎上的侧偏力与轮胎产生的侧偏角的比值,k
4、=dFy/d(0)。在小侧偏角范围内侧偏力Fy与侧偏角成线性关系,Fy=k,第二节 轮胎的侧偏特性二、轮胎的侧偏现象和侧偏力侧偏角曲线,第二节 轮胎的侧偏特性三、轮胎的结构、工作条件对侧偏特性的影响,轮胎扁平率对侧偏特性有显著影响。扁平率轮胎断面高H与轮胎宽B的比值。扁平率越小,侧偏刚度越大。,第二节 轮胎的侧偏特性三、轮胎的结构、工作条件对侧偏特性的影响,轮胎的垂直载荷对侧偏特性有显著影响。,第二节 轮胎的侧偏特性三、轮胎的结构、工作条件对侧偏特性的影响,轮胎的垂直载荷增加,侧偏刚度加大。,第二节 轮胎的侧偏特性三、轮胎的结构、工作条件对侧偏特性的影响,轮胎的充气压力增加,侧偏刚度加大。,第
5、二节 轮胎的侧偏特性三、轮胎的结构、工作条件对侧偏特性的影响,曲线的包络线称为附着椭圆,确定了在一定附着条件下切向力与侧偏力合力的极限。,切向力增加,侧偏力减小。,第二节 轮胎的侧偏特性三、轮胎的结构、工作条件对侧偏特性的影响,第二节 轮胎的侧偏特性四、回正力矩,第二节 轮胎的侧偏特性五、有外倾角时轮胎的滚动,外倾侧向力,第二节 轮胎的侧偏特性五、有外倾角时轮胎的滚动,FY kFY外倾侧向力;车轮外倾角;k外倾刚度;,第二节 轮胎的侧偏特性五、有外倾角时轮胎的滚动,第二节 轮胎的侧偏特性五、有外倾角时轮胎的滚动,FY=FYa+FY=k+kFYa外倾角为零时的侧偏力;FY侧偏角为零时的外倾侧向力
6、;车轮外倾角;车轮侧偏角k外倾刚度;k侧偏刚度;,第二节 轮胎的侧偏特性五、有外倾角时轮胎的滚动,第二节 轮胎的侧偏特性五、有外倾角时轮胎的滚动,正侧偏角对应负侧偏力与正回正力矩;正外倾角对应负外倾侧向力与负回正力矩。,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,忽略转向系的影响,以前轮转角为输入;忽略其他方向的运动,只有平行于地面的平面运动;假设沿x轴的匀速运动,只有沿y轴的侧向运动和 绕z轴的转动。,轮胎的侧偏特性处于线性范围;忽略地面切向力对轮胎侧偏的影响;忽略空气动力的作用;忽略轮胎回正力矩的作用;忽略左右轮载荷变化对轮胎侧偏的影响;,一、线性二自由度汽车模型的运动微分方程,第三
7、节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,确定汽车质心的(绝对)加速度 在车辆坐标系上的分量;确定二自由度汽车受到的外力和外力矩 沿y轴方向的合力和绕质心的合力矩;确定加速度和外力以及外力矩的关系;,一、线性二自由度汽车模型的运动微分方程,1.确定汽车质心的(绝对)加速度 在车辆坐标系上的分量(1).在t时刻:质心速度在x轴上的投影为:(2).在(t+t)时刻:质心速度在x轴上的分量为:质心速度在y轴上的分量为:,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,一、线性二自由度汽车模型的运动微分方程,(3).t时刻汽车质心速度的变化量在x轴上的投影为:,第三节 线性二自由度汽车模型 对前
8、轮角输入的响应,(t+t)时刻汽车质心速度在x轴上的投影为:,由于()很小,因此,(4).t时刻质心加速度在x轴上的分量 除以t并取极限,得质心加速度在x轴上的分量为:r汽车的横摆角速度。,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,同理可得,质心加速度在y轴上的分量为:,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,2.确定二自由度汽车受到的外力和外力矩 沿y轴方向的合力和绕质心的合力矩沿y轴方向的合力:绕质心的合力矩:Fy1,Fy2地面对前后轮的侧向反作用力前轮转角;由于较小,因此 cos=1。,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,2.确定二自由度汽车受到的外力和外
9、力矩 沿y轴方向的合力和绕质心的合力矩设:式中,u质心速度在x轴上的投影;v质心速度在y轴上的投影;质心速度方向与x轴夹角;前轮速度方向与x轴夹角;,2.确定二自由度汽车受到的外力和外力矩 沿y轴方向的合力和绕质心的合力矩根据坐标系的规定,前后轮的侧偏角为:,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,2.确定二自由度汽车受到的外力和外力矩 沿y轴方向的合力和绕质心的合力矩,3.确定加速度与外力和外力矩的关系,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,Iz绕z轴的转动惯量;横摆角加速度,线性二自由度汽车模型的运动微分方程结论公式:
10、,结构参数:k1,k2前后轮胎侧偏刚度;m,Iz汽车质量和绕质心的转动惯量;a,b质心至前后轴的距离;速度参数:v质心速度的侧向分量;u质心速度的纵向分量;r横摆角速度(转向时的转动角速度);v/u;加速度参数:侧向加速度;横摆角加速度;激励或输入:前轮转角。,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,二、前轮角阶跃输入下的汽车稳态响应 等速圆周运动,(一)稳态响应评价指标:稳态横摆角速度增益(转向灵敏度)稳态的横摆角速度与前轮转角的比值。用符号 表示。,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,(一)稳态响应稳态时横摆角速度为定值,即:代入运动微分方程,得:,第三节 线性二自
11、由度汽车模型 对前轮角输入的响应,(一)稳态响应两式联立并消去v,得稳态横摆角速度增益为:,K稳定性因数,是表征汽车稳态响应的重要参数,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,(二)稳态响应的三种类型 1.中性转向K=0时,即横摆角速度增益与车速成线性关系,斜率为1/L。上述关系式就是汽车以极低车速行驶而无侧偏角时的转向关系。即:前轮转角:L/R;转向半径:RL/;横摆角速度:r(u/L),第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,(二)稳态响应的三种类型 2.不足转向K0,横
12、摆角速度增益比中性转向时要小,不再与车速成线性关系。转向半径大于中性转向半径。K值越大,不足转向量越大。,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,(二)稳态响应的三种类型2.不足转向 特征车速横摆角速度函数的最大值,即:,特征车速是表征不足转向量的参数,当不足转向量增加时,K增加,特征车速降低。,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,(二)稳态响应的三种类型3.过多转向K0,横摆角速度增益比中性转向时要大,不再与车速成线性关系。转向半径小于中性转向半径。K值越小(绝对值越大),过多转向量越大。,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,(二)稳态响应的三种类型3.
13、过多转向临界车速具有过多转向的汽车,其横摆角速度增益趋于无穷大时对应的车速。即:,临界车速是表征过多转向量的参数。K值越小(绝对值越大),过多转向量越大,临界车速越低。,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,(二)稳态响应的三种类型3.过多转向过多转向汽车达到临界车速时将失去稳定性,只要很小的前轮转角就会产生极大的横摆角速度,意味着汽车的转向半径极小,汽车发生激转而侧滑或翻车。由于过多转向的汽车有失去稳定性的危险,因此汽车都应有适度的不足转向特性。,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,美国通用公司研究结果横摆角速度增益曲线应落在图示的满意区域内。,第三节 线性二自由度
14、汽车模型 对前轮角输入的响应,(三)几个表征稳态响应的参数1.前后轮侧偏角绝对值之差(1-2),第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,(三)几个表征稳态响应的参数1.前后轮侧偏角绝对值之差(1-2),前后轮侧偏角绝对值之差(1-2)与K的关系:,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,(三)几个表征稳态响应的参数1.前后轮侧偏角绝对值之差(1-2),前后轮侧偏角绝对值之差(1-2)与K的关系:线性关系,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,(三)几个表征稳态响应的参数1.前后轮侧偏角绝对值之差(1-2),前后轮侧偏角绝对值之差(1-2)与前轮转角关系:,第三节
15、 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,(三)几个表征稳态响应的参数1.前后轮侧偏角绝对值之差(1-2),前后轮侧偏角绝对值之差(1-2)与转向半径的关系:,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,(三)几个表征稳态响应的参数2.转向半径的比值R/R0:,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,(三)几个表征稳态响应的参数2.转向半径的比值R/R0:,当K=0时,R/R0=1,中性转向汽车的转向半径不变。当K0时,R/R01,不足转向汽车的转向半径R大于R0,且转向半径随车速增加而增大。当K0时,R/R01,过多转向汽车的转向半径R小于R0,且转向半径随车速增加而减小。
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