汽车转向与操纵动力学

1、汽车转向与操纵动力学第1页，共26页，2022年，5月20日，9点44分，星期四 目 录4.1 汽车转向与操纵动力学综述4.1.1 汽车转向和操纵稳定性定义4.1.2 转向和操纵动力学研究内容4.2 汽车转向系统动力学4.2.1 转向系统等效动力学模型4.2.2 汽车转向行驶动力学方程4.3 汽车操纵动力学4.3 .1 汽车操纵稳定性的研究方法与内容4.3.2 汽车操纵稳定性模型建立的坐标系4.3.3 两自由度模型的操纵稳定性分析4.3.4 二自由度操纵稳定性仿真参数第2页，共26页，2022年，5月20日，9点44分，星期四 1.汽车转向性能 汽车转向性能是指汽车能遵循驾驶者转向盘的输入,通

2、过转向系及转向车轮给定的方向,按预定轨迹行驶的能力。 4.1 汽车转向与操纵动力学概述2.汽车操纵稳定性 驾驶员不感到过度紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车抡给定的方向行驶，且遇到外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力，汽车的这种性能称为操纵稳定性。4.1.1 汽车转向和操纵稳定性定义第3页，共26页，2022年，5月20日，9点44分，星期四4.1.2 转向和操纵系统动力学研究内容 汽车转向系统动力学汽车操纵动力学 转向系统等效动力学模型汽车操纵稳定性模型建立与坐标系 汽车转向动力学方程基于两自由度模型的操纵稳定性分析转向系统对汽车转向性能的影响汽车操纵稳定性的稳

3、态、瞬态响应 汽车电动助力转向系统（EPS）汽车操纵稳定性的频率响应特性第4页，共26页，2022年，5月20日，9点44分，星期四表4-1 汽车操纵性和稳定性的基本内容及评价参量 基本内容评价参量操纵性转向盘角阶跃输入下的稳态响应稳态横摆角速度增益转向灵敏度前后轮侧偏角之差转向半径的比静态储备系数。转向盘角阶跃输入下的瞬态响应横摆角速度波动的固有频率阻尼比反应时间达到第一峰值的时间。横摆角速度频率响应特性共振峰频率共振时振幅比相位滞后角稳态增益。转向盘中间位置时的操纵稳定性转向灵敏度转向盘力特性转向盘转矩梯度转向功灵敏度。转向轻便性转向力转向功。转弯半经最小转弯半经。直线行驶性转向盘转角（维

4、持直线行驶所需的转向盘累计转角）。典型行驶工况（蛇行移线双移线回避障碍）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。极限行驶能力极限侧向加速度极限车速。稳定性回正性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。直线行驶性（侧向风敏感性、路面不平敏感性）侧向偏移。第5页，共26页，2022年，5月20日，9点44分，星期四 4.2 汽车转向系统动力学4.2.1 转向系统等效动力学模型图4-1 汽车转向系统图4-2 绕转向主销的转向系统等效动力学模型等效转化第6页，共26页，2022年，5月20日，9点44分，星期四当汽车行驶时,若给转向盘某一角度，则转向轮产生的侧偏力将绕转

5、向主销形成回正力矩，如图4-3：图4-3 转向侧偏力绕转 向主销的回正力矩 转向盘和转向轮绕转向主销的等效动力学方程式：第7页，共26页，2022年，5月20日，9点44分，星期四 图4-4 汽车在地面固定坐标系中的运动描述 质心速度 C点加速度 汽车质心侧偏角4.2.2 汽车转向行驶动力学方程第8页，共26页，2022年，5月20日，9点44分，星期四图4-5 单位向量的时间微分 4.2.2 汽车转向行驶动力学方程代入(1)(2)(1)、(2)可分别改写为第9页，共26页，2022年，5月20日，9点44分，星期四4-6 a) 车轮侧偏力 汽车在水平面内的运动汽车运动方程式当V一定时,有第1

6、0页，共26页，2022年，5月20日，9点44分，星期四汽车在水平面内的运动4-6 b) 车轮速度各车轮侧偏角为：第11页，共26页，2022年，5月20日，9点44分，星期四前后轮的左右轮侧偏角分别相等，可表示为：第12页，共26页，2022年，5月20日，9点44分，星期四 图4-7 四轮汽车的等效二轮模型 前后车轮被分别集中于汽 车前后轴中点而构成一假 想二轮车。 运动方程式 设前后轮侧偏刚度分 别为kf、k r，则有：第13页，共26页，2022年，5月20日，9点44分，星期四经过整理后得到研究汽车操纵稳定性的基本方程式：（4-15）（4-16）第14页，共26页，2022年，5月

7、20日，9点44分，星期四4.3 .1 汽车操纵稳定性的研究方法与内容图4-8 人汽车闭环系统框图4.3 汽车操纵动力学第15页，共26页，2022年，5月20日，9点44分，星期四 4.3.2 汽车操纵稳定性模型建立的坐标系4.3.2.1 轮胎与车轮的坐标系图4-9 轮胎与车轮轴坐标系第16页，共26页，2022年，5月20日，9点44分，星期四 4.3.2.2 车辆的坐标系图4-10 车辆坐标系第17页，共26页，2022年，5月20日，9点44分，星期四 4.3.2.3 惯性、车辆及中间坐标系说明：Z轴平行于ZE轴X轴位于包含XV轴的铅垂平面内XE轴与X轴的夹角为图4-11 惯性、车辆及

8、中间坐标系第18页，共26页，2022年，5月20日，9点44分，星期四4.3.3 基于两自由度模型的操纵稳定性分析将转向角作为控制输入，因此可以将方程写成下面的状态空间形式 则可得 4.3.3.1 汽车两自由度模型的状态空间表达第19页，共26页，2022年，5月20日，9点44分，星期四 4.3.3.2 汽车操纵稳定性的稳态响应 在稳态情况下 ，可以结合车辆的过度转向和不足转向特性来进行解释： 1） 质心侧偏角 如果用质心侧偏角表示汽车操纵稳定性的稳态特性，则可得到第20页，共26页，2022年，5月20日，9点44分，星期四图4-12 汽车质心侧偏角的稳态特性 第21页，共26页，202

9、2年，5月20日，9点44分，星期四2) 质心侧偏角增益 图4-13 质心侧偏角增益与车速的关系第22页，共26页，2022年，5月20日，9点44分，星期四图4-14 汽车前轮转角的稳态特性3) 转向盘转角第23页，共26页，2022年，5月20日，9点44分，星期四4.3.3.3 汽车操纵稳定性的瞬态响应1）用横摆角速度表示 设系统的输入为阶跃形式，根据二自由度的汽车运动 微分方程，可以写成以 为变量的形式，通常写作 图4-15 横摆角速度时域内响应（车速20m/s）第24页，共26页，2022年，5月20日，9点44分，星期四如用质心侧偏角增益表示，则可得传递函数为： 图4-16 车速20m/s下不同K值的质心侧偏角时间历程 2） 用质心侧偏角增益表示第25页，共26页，2022年，5月20日，9点44分，星期四 4.3.4 二自由度操纵稳定性仿真参数表4-3 某车型两自由