车辆操纵稳定性整理学习教案

1、会计学1车辆车辆(chling)操纵稳定性整理操纵稳定性整理第一页，共42页。轮胎侧偏轮胎侧偏特性特性线性二自线性二自由度汽车由度汽车模型对前模型对前轮角输入轮角输入的响应的响应第1页/共42页第二页，共42页。一、轮胎(lnti)的侧偏特性第2页/共42页第三页，共42页。侧偏力 ：当路面倾斜、曲线行驶(xngsh)离心力时，车轮中心沿Y方向作用一个侧向力，相应地地面产生一个侧向反作用力，称为侧偏力。YF刚性轮情况:当车轮有侧向力作用时，当FY 没有达到附着极限(jxin)时，车轮与地面没有滑动，车轮仍沿自身平面cc的方向行驶。当FY 达到附着极限(jxin)时，车轮与地面有滑动，车轮有侧向

2、行驶。第3页/共42页第四页，共42页。侧偏现象：当车轮有侧向力作用(zuyng)时，FY 没有达到附着极限，车轮行驶方向亦将偏离车轮平面的方向。轮胎接地印迹中心线与轮胎平面的夹角称为侧偏角。侧偏力 ：当路面倾斜、曲线行驶(xngsh)离心力时，车轮中心沿Y方向作用一个侧向力，相应地地面产生一个侧向反作用力，称为侧偏力。YF第4页/共42页第五页，共42页。侧偏现象：当车轮有侧向力作用时，FY 没有达到附着极限，车轮行驶方向(fngxing)亦将偏离车轮平面的方向(fngxing)。轮胎接地印迹中心线与轮胎平面的夹角称为侧偏角。kFY在曲线(qxin)线性段： 轮胎的最大侧偏力取决于附着(fz

3、hu)条件，即垂直载荷，轮胎花纹、材料、结构尺寸角等。 一般而言，最大侧偏力越大，汽车的极限性能越好。第5页/共42页第六页，共42页。侧偏现象：当车轮有侧向力作用时，FY 没有(mi yu)达到附着极限，车轮行驶方向亦将偏离车轮平面的方向。轮胎接地印迹中心线与轮胎平面的夹角称为侧偏角。有侧偏现象时，轮胎印迹前端离车轮平面近，侧向变形(bin xng)小；后端变形(bin xng)大。地面微元侧向反作用力合力在接地印迹几何中心的后方，偏移的距离称为拖距eZYTF e第6页/共42页第七页，共42页。二、线性二自由度汽车模型对前轮角输入二、线性二自由度汽车模型对前轮角输入(shr)(shr)的响

4、应的响应前轮角阶跃输入(shr)下进入的稳态响应前轮角阶跃输入(shr)下的瞬态响应横摆角速度频率响应特性第7页/共42页第八页，共42页。二、线性二自由度汽车模型对前轮角输入二、线性二自由度汽车模型对前轮角输入(shr)(shr)的响的响应应前轮角阶跃输入(shr)下进入的稳态响应前轮角阶跃输入(shr)下的瞬态响应横摆角速度频率响应特性第8页/共42页第九页，共42页。二、线性二自由度汽车模型对前轮角输入二、线性二自由度汽车模型对前轮角输入(shr)(shr)的的响应响应前轮角阶跃输入(shr)下进入的稳态响应前轮角阶跃输入(shr)下的瞬态响应横摆角速度频率响应特性第9页/共42页第十页

5、，共42页。汽车(qch)被简化为只有侧向和横摆两个自由度的两轮汽车(qch)模型。假设(jish)2.1 二自由度汽车模型二自由度汽车模型第10页/共42页第十一页，共42页。第11页/共42页第十二页，共42页。二自由度汽车(qch)动力学分析11221122YZFkkMakbkr1au rr2vbbuurr12YabFkkuurr12ZabMakbkuu沿y轴的合力(hl)及绕z轴的合力(hl)矩为：其中(qzhng)：第12页/共42页第十三页，共42页。二自由度汽车(qch)动力学分析 由rYyZZFmaMI 其中(qzhng)，沿Oy轴加速度：ryavu1212r1r221212r

6、1r11Zkkakbkkm vuuakbka kb kakIu第13页/共42页第十四页，共42页。稳态时横摆角速度r为定值，即 、联立两式消去(xio q)v，可得稳态横摆角速度增益2.2 前轮角阶跃输入前轮角阶跃输入(shr)下汽车的稳态响应下汽车的稳态响应0vr01212r1r221212r1110vkkakbkkmuuuvakbka kb kakuursr2s222111u Lu LKumabuLkk221mabKLkk 其中其中(qzhng)第14页/共42页第十五页，共42页。16221mabKLkk K的大小的大小(dxio)是与车辆自身的质量，车是与车辆自身的质量，车长，各轮胎

7、侧偏刚度等因素相关的。长，各轮胎侧偏刚度等因素相关的。第15页/共42页第十六页，共42页。即横摆角速度增益(zngy)与车速成线性关系，斜率为 ，1）中性(zhngxng)转向当 K=0 时，由稳态响应的三种(sn zhn)类型r2s1u LuKuL1/ L2）不足转向3）过多转向第16页/共42页第十七页，共42页。即横摆角速度增益(zngy)与车速成线性关系，斜率为 ，1）中性(zhngxng)转向当 K=0 时，由稳态响应(xingyng)的三种类型r2s1u LuKuL1/ Lr2s1u LuKuLruLR2）不足转向3）过多转向即当车速增加时，转向半径不会发生改变，这是一种理想的状

8、态。第17页/共42页第十八页，共42页。即横摆角速度增益会小于同等(tngdng)车速下中性转向的横摆角速度增益。1）中性(zhngxng)转向当 K0 时，由稳态响应(xingyng)的三种类型r2s1u LKu2）不足转向3）过多转向ch1uK当，chu 称为特征车速，当k值增加，相应的特征车速将会降低rs取到最大值第18页/共42页第十九页，共42页。即横摆角速度增益会小于同等(tngdng)车速下中性转向的横摆角速度增益。1）中性(zhngxng)转向当 K0 时，由稳态响应(xingyng)的三种类型r2s1u LKur2s1u LKu2）不足转向3）过多转向201RRKu即当车速

9、增加时，转向半径会随车速增加而增大，这是实际应用中所追求的转向方式。第19页/共42页第二十页，共42页。 称为(chn wi)临界车速，临界车速越低，过多转向量越大。即横摆角速度增益会大于同等(tngdng)车速下中性转向的横摆角速度增益。1）中性(zhngxng)转向当 K0 时，由稳态响应的三种类型r2s1u LKu2）不足转向3）过多转向cr-1uK当，crurs趋于无穷大第20页/共42页第二十一页，共42页。即横摆角速度增益会大于同等(tngdng)车速下中性转向的横摆角速度增益。1）中性(zhngxng)转向当 K0，不足转向K=0，中性转向K1，K0 ，不足转向；R/R01，

10、K0，过多转向。第24页/共42页第二十五页，共42页。2）转向(zhunxing)半径的比R/R01）前、后轮侧偏角绝对值之差1-23）静态储备(chbi)系数S.M.几个表征(bio zhn)稳态响应的参数中中性性转转向向点点汽汽车车质质心心2YF1YF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。a212S.M.kaaaLkkL中性转向aa S.M.012不足转向aa S.M.012过多转向aaS.M.012第25页/共42页第二十六页，共42页。消去 得：二自由度汽车二自由度汽车(qch)运动微分运动微分方程式方程式2.3 前轮角阶跃输入(

11、shr)下的瞬态响应1212r1r1kkakbkkm vuu221212r1r1Zakbka kb kakIuvv、 、rrr10mhcbb式中式中：ZmmuI 221212Zhm a kb kIkk 2221212121221212kka kb kakbkcmu akbkuuL k kmu akbku11bmuak 012bLk k第26页/共42页第二十七页，共42页。式中式中阻尼比阻尼比rrr10mhcbb2r0r0r102BB 20cm02hm11bBm00bBm0固有固有(gyu)(gyu)圆频率圆频率第27页/共42页第二十八页，共42页。前轮角阶跃输入(shr)：讨论：汽车前轮角

12、阶跃输入讨论：汽车前轮角阶跃输入(shr)情况情况00,00,0,0ttt2r0r0r102BB 2r0r0r002B 00rr00220s1Bu LKu即稳态横摆角速度rr00s特解为：0t 当时0012222120121BbLk ku LL k kcKumu akbku第28页/共42页第二十九页，共42页。对应对应(duyng)的齐次方程的齐次方程为：为：2r0r0r20 220020ss200020011111siss 一对共轭复根两个不同实根特征方程为：特征方程为：002200002rr00rr01211rr0341+ esin11+e1+eettttCtCC tCC小阻尼临界阻尼大

13、阻尼第29页/共42页第三十页，共42页。由于正常(zhngchng)的汽车都具有小阻尼的瞬态响应，当1时 0200r020esin1tBtCt201令 0000r1220ecos tesin tttBtAA由运动起始条件确定积分(jfn)常数C、A1、A2第30页/共42页第三十一页，共42页。1001000,0,rrZaktwvwBI 时，00120BA 20001r200022s002111BmuaBABLk2220r1202s2220r002s221112111muaCAALkmuamuaLkLk210221arctanarctanAmuaALk第31页/共42页第三十二页，共42页。

14、 000r20esintBtCt 0220rr002s222111esin1tmuamuattLkLk 0rr0r0se0tt 当时，第32页/共42页第三十三页，共42页。在达到稳态的之前， 是衰减的正弦(zhngxin)函数，汽车的瞬态响应汽车二阶惯性环节特点： 时间上的滞后； 横摆角速度超调； 横摆角速度的波动； 进入稳态要经历时间。rt（ ） 0220rr002s222111esin1tmuamuattLkLk第33页/共42页第三十四页，共42页。表征响应表征响应(xingyng)品质好坏的品质好坏的4个瞬态响应个瞬态响应(xingyng)的参数的参数1）固有圆频率(pnl)02）阻

15、尼比3）反应时间4）达到第一个峰值r1的时间第34页/共42页第三十五页，共42页。当当1时，只要时，只要 为正值，就收敛，否则发散为正值，就收敛，否则发散(fsn)而不稳定。而不稳定。 式中k1、k2为负值(f zh)， 恒为正值。当当11时，齐次微分方程时，齐次微分方程(wi fn fn chn)(wi fn fn chn)的解均收敛而趋于的解均收敛而趋于0 0。 稳态响应的稳定条件稳态响应的稳定条件022121202ZZm a kb kkkImuI0002200002rr00rr01211rr0341+ esin11+e1+eettttCtCC tCC小阻尼临界阻尼大阻尼第35页/共42

16、页第三十六页，共42页。当1时，特征根必须为负值，齐次微分方程(wi fn fn chn)的解才收敛趋于0。应为负值(f zh)才收敛，即 应为正值。220002021221202ZZakbkk k LImu I221mabKLkk21212Kk k Lakbkm22000011rr0341+eettCC大阻尼222121202ZZKk k Lk k LmImu I第36页/共42页第三十七页，共42页。 的第二项恒为正，当车速很低时，它是很大的值，均为正值， r（t）收敛，汽车稳定(wndng)； 随着车速的增加， 第二项越来越小；在过多转向条件下 ， 就可能为负值，r（t）发散，汽车不稳定

17、(wndng)202020的第一项为正的第一项为正的第一项为负的第一项为负不足不足(bz)转向时转向时过多过多(u du)转向时转向时0K 0K 2020222121202ZZKk k Lk k LmImu I第37页/共42页第三十八页，共42页。 在转向(zhunxing)盘正弦输入下，频率由0时，汽车横摆角速度与转向(zhunxing)盘的振幅比以及相位差的变化规律称为频率特性。 输出、输入的幅值比是频率 f 的函数，称为幅频特性。相位差也是 f 的函数，称为相频特性。的傅里叶变换(binhun)；的傅里叶变换(binhun)。 22r0r0r102jjBB 2r0r0r102BB 2.4 横摆角速度频率响应特性rr( ) 为( ) 为第38页/共42页第三十九页，共42页。幅频特性为幅频特性为 相频特性为相频特性为 rr1022002210002222000022222100010102222222222220000jj2jj2j2j2j22j44jBBHBBBBBBBC 22ABC arctanCB 第39页/共42页第四十页，共42页。 幅频特性反映了驾驶员以不同频率输入指令时，汽车执行驾驶员指令失真的(zhn de)程度。 相频特性反映了汽车横摆角速度 滞后于转向(zhunxing)盘