汽车理论第五章课件

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。第五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63.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车型最小转向半径/m（左/右）AudiA45.6/5.6（轴距2650mm）宝马520i5.65/5.65（轴距2830mm）雷克萨斯LS4305.4/5.3（轴距2925mm）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12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14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。15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16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171）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（ωr1/ωr0）×100％称为超调量3）横摆角速度的波动

波动的ω

＝2π/T,取决于汽车的结构参数4）进入稳态所经历的时间σ18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21αOXY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γZ侧偏角α轮胎接地印迹中心的位移方向与X轴的夹角外倾角γ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23uccucc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24FY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26α0XYFY侧偏力为正时，产生负侧偏角。u-+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。α侧偏角α

轮胎接地印迹中心的位移方向与X轴的夹角。u27k—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－α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30车型轮胎型号扁平率(%)

新雅阁普利斯通205/65R1565

奔驰S320米其林225/60R16W60

奔驰LORINSER

米其林275/30ZR19

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33α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34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）FYTZuXY+-+--0第二节轮胎的侧偏特性FYe

轮胎拖距反而变小40第二节轮胎的侧偏特性41+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γ、侧偏角α的关系42kγ－外倾刚度。+--第二节轮胎的侧偏特性1.外倾侧向力FYγ43

α一定时，γ

越大，FY越大。增加的FY是由γ作用的结果。第二节轮胎的侧偏特性441）α=02）α≠03）有γ，FY=0，即a点2.有外倾时FY与γ、α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）γ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ay≤0.4g，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。48xy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49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50上式除以Δt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51考虑到δ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52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53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54代入运动微分方程式得1.稳态响应稳态时ωr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55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56R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57LδδR0uO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58由于K>0，所以R>R0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K＞0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59横摆角速度增益比中性转向时要大。由R<R0u↑→R↓→汽车具有过多转向特性。当K＜0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应60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61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62如果K>0由于k1<0,k2<0|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631）前、后轮侧偏角绝对值之差α1-α2

由于ay与FY1/k1（即α1）、FY2/k2（即α2）符号相反，当α1、α2取绝对值时，ay也取绝对值K>0，不足转向K=0，中性转向K<0，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64由当汽车