汽车理论第五章

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。稳定行驶的能力。 汽车的操纵稳定性是汽车汽车的操纵稳定性是汽车主动安全性主动安全性的重要评价指标。的重要评价指标。第五章汽车的操纵稳定性返回目录返回目录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

2、的时域响应特性等。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本节还将介绍操纵稳定性的研究方法及试验评价方法。方法。第五章 汽车的操纵稳定性返回目录返回目录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随时间而变化的特性称为时域响应特性时域响应特性。 转向盘输入有角位移输入和力矩输入。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和路面不平产生的侧向外界干扰输入主要是指侧向风和路面不平产生的侧向力。力。第一节 操纵稳定性概述一、操纵稳定性包含的内容41.转向盘角阶跃

3、输入下的响应稳态响应稳态响应瞬态响应瞬态响应 横摆角速度增益横摆角速度增益转向灵敏度。转向灵敏度。评价参量评价参量 反应时间。反应时间。 横摆角速度波动的横摆角速度波动的无阻尼圆频率。无阻尼圆频率。评价参量评价参量第一节 操纵稳定性概述操纵稳定性包含的内容操纵稳定性包含的内容5 转向盘转角正弦输转向盘转角正弦输入下，频率由入下，频率由0变变化时，汽车横摆角速化时，汽车横摆角速度与转向盘转角的振度与转向盘转角的振幅比及相位差的变化幅比及相位差的变化规律。规律。 共振峰频率。共振峰频率。 共振时振幅比。共振时振幅比。 相位滞后角。相位滞后角。 稳态增益。稳态增益。评价参量评价参量第一节 操纵稳定性

4、概述2.横摆角速度频率响应特性操纵稳定性包含的内容操纵稳定性包含的内容63.转向盘中间位置操纵稳定性 转向灵敏度。转向灵敏度。 转向盘力特性。转向盘力特性。 转向功灵敏度。转向功灵敏度。评价参量评价参量第一节 操纵稳定性概述 转向盘力输入转向盘力输入下的时域响应。下的时域响应。 回正后剩余横摆角回正后剩余横摆角速度与剩余横摆角。速度与剩余横摆角。 达到剩余横摆角速达到剩余横摆角速度的时间。度的时间。评价参量评价参量4.回正性操纵稳定性包含的内容操纵稳定性包含的内容 转向盘小转角、低频转向盘小转角、低频正弦输入下，汽车高速正弦输入下，汽车高速行驶时的操纵稳定性。行驶时的操纵稳定性。7车型车型最小

5、转向半径最小转向半径/ /m（左（左/ /右）右）Audi A45.6/5.6（轴距（轴距2650 mm ）宝马宝马520i5.65/5.65（轴距（轴距2830 mm ）雷克萨斯雷克萨斯LS4305.4/5.3（轴距（轴距2925 mm ）一些常见车型的最小转向半径一些常见车型的最小转向半径评价参量：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操纵稳定性包含的内容8 评价转动转向盘轻便评价转动转向盘轻便程度的特性。程度的特性。 包括原地转向轻便性、包括原地转向轻便性、低速行驶转向轻便性和高低速行驶转向轻便性和高速行驶转向轻便性。速行驶转向轻便性

6、。 转向力。转向力。 转向功。转向功。目前部分轿车上使用的电动助力转向系统（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。能很好地兼顾各种车速下行驶时的转向轻便性。评价参量评价参量第一节 操纵稳定性概述6.转向轻便性操纵稳定性包含的内容操纵稳定性包含的内容9直线行驶性直线行驶性转向盘转角和（累计值）转向盘转角和（累计值）侧向风敏感性侧向风敏感性路面不平敏感性路面不平敏感性侧向偏移侧向偏移评价参量评价参量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操纵稳定性包含的内容10 蛇行性能蛇行性能 移线性能移线性能 双移线性能

7、双移线性能回避障碍性能回避障碍性能 转向盘转角、转向转向盘转角、转向力、侧向加速度、横力、侧向加速度、横摆角速度、侧偏角、摆角速度、侧偏角、车速等。车速等。在汽车性能参数里，往往以应急性能给出。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（满载主要包括：蛇行绕桩速度（满载/空载）、空载）、紧急变线速度（满载紧急变线速度（满载/空载）。空载）。评价参量评价参量第一节 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操纵稳定性包含的内容11有些轿车的车身侧倾比较严重有些轿车的车身侧倾比较严重第一节 操纵稳定性概述12极限侧向加速度极限侧向加速度抗侧翻能力抗侧翻能力极限车速极限

8、车速 回至原来路径回至原来路径所需时间所需时间评价参量评价参量评价参量评价参量评价参量评价参量 圆周行驶极限圆周行驶极限侧向加速度侧向加速度第一节 操纵稳定性概述9.极限行驶能力 发生侧滑时的发生侧滑时的控制能力控制能力操纵稳定性包含的内容操纵稳定性包含的内容13第一节 操纵稳定性概述1.车辆坐标系二、车辆坐标系与转向盘角阶跃输入下的时域响应14 汽车直线行驶时，急速转动转向盘至某一转角时，停止转汽车直线行驶时，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转向盘角阶跃输入。时间时间 t转向盘转角转向盘转角第一节 操纵

9、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，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。称为转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应。sw015不足转向不足转向 ；中性转向中性转向 不变；不变；过多转向过多转向 。稳态响应特性有三种类型稳态响应特性有三种类型第一节 操纵稳定性概述auRauRauR16 转向盘角阶跃输转向盘角阶跃输入前后，入前后，直线行驶与直线行驶与等速圆周行驶这两个等速圆周行驶这两个稳态运动之间的过渡稳态运动之间的过渡过程是一种瞬态，相过程是一种瞬态，相应的瞬态运动响应称应的瞬态运动响应称为为转向盘角阶

10、跃输入转向盘角阶跃输入下的瞬态响应下的瞬态响应。第一节 操纵稳定性概述3.瞬态响应特性17 1）时间上的滞后）时间上的滞后瞬态响应的评价指标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）执行上的误差（r1/r0）100 称为超调量称为超调量3）横摆角速度的波动）横摆角速度的波动 波动的波动的 2/T , 取取决于汽车的结构参数决于汽车的结构参数 4）进入稳态所经历）进入稳态所经历的时间的时间18将汽车作为开路控制系统将汽车作为开路控制系统人人汽车系统作为闭路系统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19 通过仪器测出横摆角通过仪器测出横摆角速度、侧向加速

11、度、侧速度、侧向加速度、侧倾角及转向力。倾角及转向力。 让试验评价人员根让试验评价人员根据试验时自己的感觉据试验时自己的感觉进行评价。进行评价。 人人汽车闭路系统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开路系统主观评价法主观评价法客观评价法客观评价法20本节主要研究轮胎的侧偏现象和侧偏特性。侧偏特性是指侧偏力、回正力矩与侧偏角的关系。第五章 汽车的操纵稳定性第二节轮胎的侧偏特性返回目录21OXY车轮平面车轮行驶方向正地面切向反作用力FX正翻转力矩 TX正地面法向反作用力FZ正地面侧向反作用力FY车轮旋转轴线正侧偏角正回正力矩TZ正TY正外倾角Z侧偏角轮胎接地印

12、迹中心的位移方向与X轴的夹角外倾角过轮胎坐标系原点的垂线与车轮平面的夹角第二节 轮胎的侧偏特性一、轮胎的坐标系22地面作用于车轮的侧向反作用力。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1.侧偏力FY23NoImagelyZFFuccucclyZFFu u 只有当侧向力 大于（或等于）车轮与路面间的侧向附着力时，车轮的运动方向才会改变。第二节 轮胎的侧偏特性1）在刚性轮上作用侧向力yFyF24FY俯视图第二节 轮胎的侧偏特性车轮静止2）在弹性轮上作用侧向力yFyF25FY第二节 轮胎的侧偏特性2）在弹性轮上作用侧向力车轮滚动yFyF260XYFY侧偏力为正时，产生负侧偏角。u-

13、+第二节 轮胎的侧偏特性2.侧偏现象当车轮有侧向弹性时，即使FY没有达到侧向附着极限，车轮行驶方向也将偏离车轮平面的方向。侧偏角 轮胎接地印迹中心的位移方向与X轴的夹角。u27kFYk侧偏刚度。 FY一定时希望侧偏角越小越好，所以 |k| 越大越好。第二节 轮胎的侧偏特性3.FY曲线28第二节 轮胎的侧偏特性三、轮胎结构、工作条件对侧偏特性的影响大尺寸轮胎子午线轮胎斜交轮胎钢丝子午线轮胎纤维子午线轮胎轮胎的尺寸、型式和结构参数对侧偏刚度有显著影响。侧偏刚度大侧偏刚度小大尺寸轮胎 小尺寸轮胎29第二节 轮胎的侧偏特性（1）扁平率小，k大HB扁平率=(H/B)100% 30车型车型轮胎型号轮胎型号

14、扁平率扁平率(%) 新雅阁新雅阁 普利斯通普利斯通205/65R1565 奔驰奔驰 S320米其林米其林225/60R16 W60 奔驰奔驰 LORINSER 米其林米其林275/30 ZR19 30宽度一些车型轮胎的型号及扁平率轮辋直径第二节 轮胎的侧偏特性31第二节 轮胎的侧偏特性32第二节 轮胎的侧偏特性（2）垂直载荷大，k大33 一定时，W大，FY大。 FY = ，即k大。 垂直载荷过大时，轮胎与地面接触区的压力分布不均匀，使 k反而有所减小。第二节 轮胎的侧偏特性k34第二节 轮胎的侧偏特性（3）轮胎气压高，k大35FX1FY1FX2FY2第二节 轮胎的侧偏特性（4）FX 越大，FY

15、 越小36第二节 轮胎的侧偏特性（5）路面干湿状态37 路面有薄水层时，由于滑水现象，会出现完全丧失侧偏力的情况。第二节 轮胎的侧偏特性轮胎胎面、路面粗糙程度、水层厚度与滑水现象的关系38四、回正力矩TZ轮胎发生侧偏时，会产生作用于轮胎绕OZ轴的力矩，该力矩称为回正力矩。车轮静止时受到侧向力 车轮运动时受到侧向力（侧向力较小） 车轮运动时受到侧向力（侧向力较大）第二节 轮胎的侧偏特性FYeFYe轮胎拖距。eFY轮胎拖距变大39四、回正力矩TZ轮胎发生侧偏时，会产生作用于轮胎绕OZ轴的力矩，该力矩称为回正力矩。 车轮运动时受到侧向力（侧向力很大）FYTZuXYeFTYZ+-+-0第二节 轮胎的侧

16、偏特性FYe 轮胎拖距反而变小40第二节 轮胎的侧偏特性41YFyF+OXYZ-第二节 轮胎的侧偏特性向外滚开的趋势五、有外倾时轮胎的FY与外倾角、侧偏角的关系42kFYk外倾刚度。+-第二节 轮胎的侧偏特性1.外倾侧向力FY43 一定时， 越大，FY越大。增加的FY是由作用的结果。第二节 轮胎的侧偏特性441）=0kFFYY2）0YYYFFFkk0kk3）有，FY=0，即a点kk2.有外倾时FY与、的关系第二节 轮胎的侧偏特性455）外倾时产生的回正力矩4）过大对汽车产生不良影响影响轮胎与路面的良好接触第二节 轮胎的侧偏特性汽车轮胎摩托车轮胎46第二节 轮胎的侧偏特性47一、线性二自由度汽车

17、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 ；lrZZFF 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。yF48xy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

18、汽车模型及车辆坐标系49 确定汽车质心（绝对）加速度在车辆坐标系的分量ax和ay。sincosvvuuusinsincoscosvvuuu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50sinsincoscosvvuuuvu上式除以t并取极限得rddddvutvtuax考虑到 很小并忽略二阶微量同理可得ruvay 第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应512121coscosYYZYYYbFaFMFFF考虑到角较小1cos111kFY222kFY22112211bkakMkkFZY4.二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

19、入的响应52质心侧偏角uvuavruar1uarubvr2ubr第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应53ubkuakFYr2r1ubbkuaakMZr2r1yYmaFrZZIM由于rr2r1uvmubkuakrr12rZabakbkIuu1212r1r221212r1r11Zkkakbkkm vuuakbka kb kakIu 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540v 0r代入运动微分方程式得0111r221221r1r2121akkbkauuvbkakmukbkakuuvkk1.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

20、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55sr22122sr11KuLuukbkaLmLu122kbkaLmK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56LusrLuRu/LR 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r2s1u LKu57021LR0uO0/ RL/0LR 当汽车低速转向时，离心力很小，FY1和FY2也很小。 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5821KuLuR/u21KuLR201KuR由于 K0，所以RR0且 u R