汽车理论：第七章 汽车操纵稳定性

1、1,汽车的操纵稳定性是指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。 汽车的操纵稳定性是汽车主动安全性的重要评价指标。,第七章 汽车的操纵稳定性,返回目录,2,第一节 概述,本节将介绍汽车操纵稳定性包含的内容、车辆坐标系、转向盘角阶跃输入下的时域响应特性等。 本节还将介绍操纵稳定性的研究方法及试验评价方法。,第五章 汽车的操纵稳定性,返回目录,3,汽车在转向盘输入或外界干扰输入下的侧向运动响应随时间而变化的特性称为时域响应特性。 转向盘输入有角位移输入和力矩输入。 外界干扰输入主要是指侧向风

2、和路面不平产生的侧向力。,第一节 操纵稳定性概述,一、操纵稳定性包含的内容,4,1.转向盘角阶跃输入下的响应,稳态响应,瞬态响应,横摆角速度增益转向灵敏度。,评价参量,反应时间。 横摆角速度波动的无阻尼圆频率。,评价参量,第一节 操纵稳定性概述,操纵稳定性包含的内容,5,转向盘转角正弦输入下，频率由0变化时，汽车横摆角速度与转向盘转角的振幅比及相位差的变化规律。,共振峰频率。 共振时振幅比。 相位滞后角。 稳态增益。,评价参量,第一节 操纵稳定性概述,2.横摆角速度频率响应特性,操纵稳定性包含的内容,6,3.转向盘中间位置操纵稳定性,转向灵敏度。 转向盘力特性。 转向功灵敏度。,评价参量,第一

3、节 操纵稳定性概述,转向盘力输入下的时域响应。,回正后剩余横摆角速度与剩余横摆角。 达到剩余横摆角速度的时间。,评价参量,4.回正性,操纵稳定性包含的内容,转向盘小转角、低频正弦输入下，汽车高速行驶时的操纵稳定性。,7,一些常见车型的最小转向半径,评价参量：最小转向半径。,第一节 操纵稳定性概述,5.转向半径,操纵稳定性包含的内容,8,评价转动转向盘轻便程度的特性。 包括原地转向轻便性、低速行驶转向轻便性和高速行驶转向轻便性。,转向力。 转向功。,目前部分轿车上使用的电动助力转向系统（EPS）， 能很好地兼顾各种车速下行驶时的转向轻便性。,评价参量,第一节 操纵稳定性概述,6.转向轻便性,操纵

4、稳定性包含的内容,9,直线行驶性,转向盘转角和（累计值）,侧向风敏感性,路面不平敏感性,侧向偏移,评价参量,评价参量,第一节 操纵稳定性概述,7.直线行驶性能,操纵稳定性包含的内容,10,蛇行性能 移线性能 双移线性能回避障碍性能,转向盘转角、转向力、侧向加速度、横摆角速度、侧偏角、车速等。,在汽车性能参数里，往往以应急性能给出。 主要包括：蛇行绕桩速度（满载/空载）、 紧急变线速度（满载/空载）。,评价参量,第一节 操纵稳定性概述,8.典型行驶工况性能,操纵稳定性包含的内容,11,三辆轿车在做蛇形绕桩性能对比测试。,第一节 操纵稳定性概述,12,第一节 操纵稳定性概述,13,汽车在绕桩（转向

5、）时车身总有一定的倾斜,第一节 操纵稳定性概述,14,有些轿车的车身侧倾比较严重,第一节 操纵稳定性概述,15,车身外倾,驾驶舱内倾,设计的理念是驾驶舱永不倾斜,第一节 操纵稳定性概述,16,第一节 操纵稳定性概述,17,一些常见轿车的紧急变线速度,第一节 操纵稳定性概述,操纵稳定性包含的内容,18,第一节 操纵稳定性概述,蛇形绕桩测试（视频）,19,极限侧向加速度,抗侧翻能力,极限车速,回至原来路径所需时间,评价参量,评价参量,评价参量,圆周行驶极限侧向加速度,第一节 操纵稳定性概述,9.极限行驶能力,发生侧滑时的控制能力,操纵稳定性包含的内容,20,第一节 操纵稳定性概述,1.车辆坐标系,

6、二、车辆坐标系与转向盘角阶跃输入下的时域响应,21,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。,时间 t,转向盘转角,第一节 操纵稳定性概述,2.稳态响应特性,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。,22,不足转向 ；中性转向 不变； 过多转向 。,稳态响应特性有三种类型,第一节 操纵稳定性概述,23,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。,第一节 操纵稳定性概述,3.瞬态响应特性,2

7、4,1）时间上的滞后,瞬态响应的评价指标,第一节 操纵稳定性概述,2）执行上的误差 （r1/r0）100 称为超调量,3）横摆角速度的波动 波动的 2/T , 取决于汽车的结构参数,4）进入稳态所经历的时间,25,将汽车作为开路控制系统,人汽车系统作为闭路系统,第一节 操纵稳定性概述,三、操纵稳定性的研究方法,26,通过仪器测出横摆角速度、侧向加速度、侧倾角及转向力。,让试验评价人员根据试验时自己的感觉进行评价。,人汽车闭路系统,第一节 操纵稳定性概述,四、操纵稳定性的两种试验评价方法,开路系统,主观评价法,客观评价法,27,第七章 汽车的操纵稳定性,本节将首先建立线性二自由度汽车模型，在此基

8、础上，分析汽车的稳态响应特性、瞬态响应特性和频率响应特性。,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,返回目录,28,一、线性二自由度汽车模型运动微分方程,1.建模中假设,2）忽略悬架的作用；车身只作平行于地面的平面运动，绕 z 轴的位移、绕 y 轴的俯仰角和绕 x 轴的侧倾角均为零，且 ；,3）汽车前进速度不变。,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,思考：车辆坐标系中，汽车共有多少个自由度？,在上述假设下，汽车被简化为只有侧向和横摆两个自由度的两轮汽车模型。,1）忽略转向系统的影响，直接以前轮转角作为输入；,假定汽车 ay0.4g，轮胎侧偏特性处于线性范围内；不计地面切向力

9、FX、外倾侧向力 、回正力矩 TZ、垂直载荷的变化对轮胎侧偏刚度的影响。,29,x,y,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,2.两轮汽车模型及车辆坐标系,30,确定汽车质心（绝对）加速度在车辆坐标系的分量ax和ay。,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,3.运动学分析,沿Ox轴速度分量的变化为,31,上式除以t并取极限得,考虑到 很小并忽略二阶微量,同理可得,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,32,考虑到角较小,4.二自由度汽车动力学分析,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,33,质心侧偏角,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,34

10、,由于,整理后得二自由度汽车运动微分方程式,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,35,代入运动微分方程式得,1.稳态响应,稳态时r为定值,消去v,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,二、前轮角阶跃输入下汽车的稳态响应 等速圆周行驶,36,称为稳态横摆角速度增益，也称转向灵敏度。,K稳定性因数。,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,37, R 与 u 无关，汽车具有中性转向的特性。,1）中性转向,当 K=0 时，由,第三节 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,38,L,R0,u,O,当汽车低速转向时，离心力很小，FY1和FY2也很小

11、。,中性转向汽车的转向半径R等于汽车以极低车速转向（忽略侧偏角）时的转向半径R0。,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,39,由于 K0，所以RR0 且 u R 汽车具有不足转向特性,横摆角速度增益为与轴距L相等的中性转向汽车横摆角速度增益的一半。, 称为特征车速。当不足转向量增加时，K 增大，特征车速降低。,2）不足转向,当 K0 时，由,横摆角速度增益比中性转向时要小。,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,40,横摆角速度增益 比中性转向时要大。,由,RR0,u R 汽车具有过多转向特性。,当 K0 时，由,3）过多转向,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响

12、应,41,当车速为,这意味着很小的前轮转角将产生极大的横摆角速度，汽车将发生激转而侧滑或侧翻。由于过多转向汽车有失去稳定性的危险，汽车应具有适度的不足转向特性。,称为临界车速。临界车速越低，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,42,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,4）汽车的稳态横摆角速度增益曲线,43,如果K 0,由于 k10 , k20,|k1|,|k2|,b,a,不足转向量越大。,奔驰CLK跑车：前轮205/55R16，后轮225/50R16。 前205、后225的轮胎组合，使得前轮的侧偏刚度小于后轮， 有利于营造不足转向特性。,第三节 线性二

13、自由度汽车模型对前轮角输入的响应,5）影响稳定性因数 K 的因素,44,1）前、后轮侧偏角绝对值之差1-2,由于ay与FY1/k1（即1）、FY2/k2（即2）符号相反，当1、 2取绝对值时，ay也取绝对值,K0，不足转向,K=0，中性转向,K0，过多转向,第三节 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,45,由,当汽车以极低车速行驶时,当 u 提高后，如果,汽车具有不足转向特性,汽车具有过多转向特性,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,46,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,47,思考：如何得到 ？,已知u、r、即可确定 。,第三节 线性

14、二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,48,K=0， R/R0=1，汽车具有中性转向特点；,K0， R/R01，汽车具有不足转向特点；,K0， R/R01，汽车具有过多转向特点。,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,2）转向半径的比R/R0,已知,49,转向半径的比值R/R0曲线,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,50,转向半径的比值 R/R0 曲线与稳定性因数K值曲线,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,51,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,52,静态储备系数 S.M.：中性转向点到前轮的距离 与汽车质心到前轴距离 a 之差与轴距L之比。,

15、第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,中性转向点：使汽车前、后轮产生相等侧偏角的侧向力作用点。,3）用静态储备系数S.M.来表征汽车稳态响应,53,中性转向,不足转向,过多转向,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,中性转向点,汽车质心,54,第七章 汽车的操纵稳定性,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,本节将学习弹性侧偏角、 侧倾转向角和变形转向角等基本概念，分析不同悬架及参数对汽车操纵稳定性的影响，了解改善汽车操纵稳定性的方法。,返回目录,55,1）前、后轴左、右两侧车轮的垂直载荷要发生变化； 2）车轮有外倾角，由于悬架导向杆系的运动及变形，外倾角将随之变化； 3）车轮

16、上有切向反作用力； 4）车身侧倾时悬架变形，悬架导向杆系和转向杆系将产生相应运动及变形。,综上，汽车侧偏角还应该包括以下三个部分： 1）弹性侧偏角（FZ变化和的变化引起的侧偏角的变化）； 2）侧倾转向角（车厢侧倾而导致前后轮转角的变化）； 3）变形转向角（悬架导向杆系变形引起的车轮转角的变化）。,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,线性二自由度汽车模型对汽车进行了较多简化，汽车行驶过程中，还应考虑以下因素对轮胎侧偏角的影响。,56,侧倾轴线是侧倾中心的连线。,1）侧倾轴线：车厢相对于地面转动时的瞬时轴线； 2）侧倾中心：侧倾轴线通过前、后轴处横断面上的瞬时转动中心；其位置由悬架导向机构决定，常

17、用图解法确定。,一、车厢侧倾,1.车厢侧倾轴线,想一想：先确定侧倾轴线再确定侧倾中心，还是先确定侧倾中心再确定侧倾轴线？,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,57,1,2,3,4,O24,O13,假定车厢不动，地面和车轮相对车厢转动； 假定车轮与地面间无相对滑动； 对四连杆机构会用到三心定理。,确定侧倾中心时,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,四连杆机构中相对两杆的相对运动瞬心是相邻两杆延长线的交点。,58,Om,1）单横臂独立悬架车厢的侧倾中心,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,59,D,G,Ol,Or,Om,2）双横臂独立悬架的侧倾中心,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,60,双横臂

18、独立悬架的等效单横臂悬架,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,61,定义：车厢侧倾时，单位车厢转角下，悬架系统给车厢总的弹性恢复力偶矩：,1）悬架的线刚度,定义：车轮保持在地面上而车厢作垂直运动时，单位车厢位移下，悬架系统给车厢的总弹性恢复力：,2.悬架的侧倾角刚度,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,62,（1）非独立悬架,（2）独立悬架,恢复力,弹性元件,导向杆系约束反力,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,63,m,n,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,64,用虚位移原理确定悬架侧倾角刚度,m,n,ss,st,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,65,用虚位移原理确定悬架侧倾角刚度,m

19、,n,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,66,2）悬架的侧倾角刚度,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,67,r大，水平晃动大， 乘客不稳定，无安全感。,r小， 地面不平时有冲击感。,4.车厢侧倾角及侧倾力矩,操纵稳定性,平顺性,侧倾角改变了外倾角； 侧倾角改变了内外车轮的垂直载荷FZ，从而改变侧偏角。,在确定悬架总侧倾角刚度 时，要综合考虑对操纵稳定性和平顺性的影响。,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,r,68,1）悬挂质量的离心力引起的侧倾力矩Mr,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,69,2）侧倾后悬挂质量重力引起的侧倾力矩Mr,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,70,3）独立悬架

20、中非悬挂质量的离心力引起的侧倾力矩Mr,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,71,悬架总侧倾刚度等于 前、后悬架及横向稳定杆的侧倾角刚度之和。,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,72,二、侧倾时垂直载荷在左右轮上的重新分配及其对稳态响应的影响,1.侧倾时垂直载荷在左右轮上的重新分配,工字形车架代表车厢，悬挂质量为Ms。 工字形车架分别通过前、后悬架的侧倾中心m01和m02 与前后轴相铰接，同时又通过前后悬架的弹性元件分别与前、后轴相连接。,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,73,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,74,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,75,第四节 汽车操纵稳定性与悬架

21、的关系,76,车身不侧倾时,车身侧倾后,2.左右轮垂直载荷再分配时轮胎的侧偏刚度,当车身侧倾严重时，是增大还是减小？,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,77,汽车趋于增加不足转向,汽车趋于减少不足转向,用以上结论分析，如何通过改变前后轴左、右侧车轮垂直载荷的变化量来提高汽车的不足转向量？横向稳定杆用在前后悬架对汽车稳态响应特性所起到的作用是否相同？为什么？,思考,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,78,FY,不变,沿FY侧倾,FY,-,-,+,-,减小,增大,三、侧倾外倾侧倾时车轮外倾角的变化,侧倾时的变化有三种可能,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,沿FY相反方向侧倾,79,地面转过r确定车轮相对于车厢外倾角 。,地面回到水平位置确定车厢相对于地面产生侧倾角r时，轮胎外倾角 。,车轮外倾角的确定,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,80,车厢侧倾时不同形式悬架所引起的车轮外倾角的变化,非独立悬架车身侧倾时，前轮外倾角不变。,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,81,车厢侧倾时不同形式悬架所引起的车轮外倾角的变化,双横臂悬架前轮外倾角与地面侧向力方向相反，有增大侧偏角（绝对值）的作用。,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,82,车厢侧倾时不同形式悬架所引起的车轮外倾角的变化,单纵臂悬架前轮外倾角与地面侧向力方向相反。,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,83,车