汽车系统动力学基本操纵模型解析PPT课件

1、第十三章 基本操纵模型13.113.1概述13.213.2基本操纵模型假设13.313.3运动学方程建立13.413.4操纵特性分析13.513.5实例分析与比较第1页/共16页13.113.1概述 最简单的车辆操纵模型可由一个单质量刚体来表示，该刚体在外力和外力矩作用下具有在道路水平面运动的三个自由度，纵向运动、横向运动以及横摆运动。假定车辆前进速度恒定，就只剩下横向运动和横摆运动两个自由度，常采用这个两自由度模型来说明车辆操纵动力学基本特征。第2页/共16页13.213.2基本操纵模型假设 描述车辆运动的两自由度模型基于以下理想化假设：1.假设车辆行驶在平坦路面，即无垂向路面不平度输入，因

2、而可忽略与行驶动力学相关的垂向力的影响及耦合作用。2.包括悬架系统在内的车辆结构是刚性的。3.忽略了转向系统，将输入直接施加于车轮；或者假设转向系统为刚性，然后以固定的传动比，将输入通过转向盘施加于转向轮。4.忽略了空气动力。5.车辆仅受平衡状态附近的小扰动，这意味着前轮输入转角足够小，从而保证车辆运动方程为线性的。基本操纵模型即单轨操纵动力学模型，常称之为“自行车模型”。优点：通过对模型响应物理意义上的解释，来间接反映上述因素的影响。缺点：忽略了簧载质量的侧倾运动及其相关影响。第3页/共16页()()()frfrcffccCCaCbCm v uCvuu13.313.3运动方程的建立22()(

3、)frfrffccaCbCa Cb CIaCvuu两自由度汽车运动微分方程：整理得：22()()00()()frfrcccffffrfrccCCaCbCmuuuCmvvaCIaCbCa Cb Cuu 状态空间方程：XAXBUvX fU第4页/共16页 稳态响应分析13.413.4操纵特性分析设0v 和0得：22()()()()frfrcccffffrfrccCCaCbCmuuuCvaCaCbCa Cb Cuu 22()cfrssffrcrfu LCCL CCmubCaC横摆角速度稳态响应增益为：横摆角速度响应增益可写成每单位转角产生的曲率形式：21ssfcLku()rffrm bCaCkLCC

4、不足转向梯度稳定裕度第5页/共16页按k值符号的不同，将车辆稳态特性分为：1.k0，不足转向13.413.4操纵特性分析2.k=0，中性转向3.k0，过度转向 稳定性分析小输入，比如风的干扰、路面不平度激励，使其偏离平衡状态的性能。在无转向输入的情况下，系统状态方程变成齐次方程：0XAX0txx e其解为()0IA x方程变为临界车速第6页/共16页13.413.4操纵特性分析 稳定性分析其特征方程可简化为：只有当0IA方程才有非零解。222222()()()0afarafarafararafccI CCm a Cb Cab C CbCaCmIumIuIDS20DS阻尼项刚度项第7页/共16页

5、13.413.4操纵特性分析 稳定性分析对于刚度项来说，根据稳定裕度符号的不同，有两种不同的情况。rfbCaC(1)(1) S总为正，其大小随行驶速度uc的增加而减小。 系统无条件稳定。 系统表现为阻尼振动特性。 由于阻尼随车速uc的增加而减小，从而系统可能出现显著的振动。rfbCaC(2)(2) 当车速增加到临界车速时，S减小到零；当车速大于临界车速时，S为负，此时给出了不稳定的分界点。 阻尼总是很高，且随着车速增加而减小，即使车速取值不大，阻尼也会大于临界值。第8页/共16页13.413.4操纵特性分析 稳定性分析20DS方程的解有两种形式，或都为实数，或两个解为一对共轭复数根。1122不

6、论哪一种情况，特征方程组解的实部和符号都决定着系统的稳定性。若任何一个实部为正，则系统不稳定；否则，系统稳定。或2i1i固有频率和阻尼比与特征根有如下关系： 特征根至原点的距离表示了系统无阻尼固有圆频率。 特征根的虚部即为阻尼固有圆频率。 特征矢量与虚轴之间夹角的正弦即为阻尼比。第9页/共16页13.413.4操纵特性分析 稳定性分析通过改变车辆质心位置，改变车辆的稳定裕度。第10页/共16页 频率响应特性完整地描述了车辆在小扰动下的动态性能。假设系统输入u是正弦波，其通式表达式如下：0i tUU e13.413.4操纵特性分析 频率响应分析转向角为正弦输入下的响应把上式代入XAXBU1()(

7、 )XAi IBUHU 系统输入是一个单输入量i tffe 系统输出响应是横摆角速度和横向速度i tvvX ei tX e传递函数为：/( )( )/( )vfvfXHHHH第11页/共16页13.413.4操纵特性分析 频率响应分析第12页/共16页13.513.5实例分析与比较仿真条件：速度为20m/s,侧向加速度0.3g,横摆角速度8.4度，转弯半径136m。通过对转向特性的分析可知，该别克轿车具有很强的不足转向特性，而法拉利稍微有点不足转向特性，几乎接近中性转向。分析表明，法拉利轮胎侧偏刚度较大，其相应稳态侧偏角比别克轿车小的多。第13页/共16页特征值比较发现：与法拉利跑车相比，别克轿车的系统阻尼要小的多。13.513.5实例分析与比较法拉利跑车对输入的响应比较迅速，反映了其较高的单位质量侧偏刚度；别克轿车的响应