汽车理论操纵稳定性

汽车理论操纵稳定性第一页，共二十三页，编辑于2023年，星期日§5-1汽车操纵稳定性的评价汽车的操纵稳定性包括相互联系的两部分，一是操纵性，二是稳定性。操纵性是指汽车能够确切地相应驾驶员转向指令的能力。稳定性是汽车在行驶过程中，具有抵抗改变其行驶方向的各种干扰，并保持稳定行驶的能力。汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度，而且也是决定高速汽车安全行驶的一个主要性能。汽车的操纵稳定性涉及到的问题较为广泛，与前面讨论的几个性能有所不同，它需要采用较多的物理参量从几个方面来进行评价。第二页，共二十三页，编辑于2023年，星期日§5-1汽车操纵稳定性的评价一、评价方法1.开路系统把汽车作为一个多自由度的动力学系统，不考虑驾驶员的反馈，建立汽车的输入与输出关系，以确定其转向特性。汽车XYX—驾驶员给汽车的转向指令（方向盘转角或力）Y—汽车转向运动参量（横摆角速度、转弯半径）第三页，共二十三页，编辑于2023年，星期日§5-1汽车操纵稳定性的评价一、评价方法2.闭路系统闭路评价把环境—汽车—驾驶员看成一个闭路系统，根据自动调节原理，全面地研究它们之间的联系、响应和反馈。因为对人体特性研究尚不成熟，闭路系统的操纵稳定性只能在具有实际车辆的条件下通过试验求得，目前还不能做到通过理论分析与计算来进行准确的预测。汽车操纵动作驾驶员外界干扰环境因素汽车运动（横摆、侧倾、转向）第四页，共二十三页，编辑于2023年，星期日§5-1汽车操纵稳定性的评价二、评价指标1.汽车的稳态转向特性2.转向回正性能3.瞬态横摆响应特性4.蛇形性能5.低速行驶转向轻便性6.转向半径（机动性、通过性）三、操纵稳定性不好的汽车的具体表现（感性认识）1.发飘：驾驶员未发出转向指令，汽车不断改变行驶方向2.反应迟钝：转向过程完成过慢3.丧失路感：路面的变化不能反馈给驾驶员4.失去控制：驾驶员不能控制方向并不是所有操纵稳定性不好的汽车都同时具有以上的表现。第五页，共二十三页，编辑于2023年，星期日§5-2轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性主要是指侧偏力、回正力矩与侧偏角之间的关系，它是研究汽车操纵稳定性的基础。一、轮胎坐标系轮胎平面：垂直于车轮旋转轴线的轮胎中分平面。第六页，共二十三页，编辑于2023年，星期日§5-2轮胎的侧偏特性二、轮胎的侧偏现象和侧偏力—侧偏角曲线汽车在行驶过程中，由于路面的侧向倾斜、侧向风或曲线行驶的离心力等的作用，车轮中心沿Y轴方向将作用有侧向力Fy，相应地在地面上产生地面侧向反作用力FY—侧偏力。如果是刚性车轮第七页，共二十三页，编辑于2023年，星期日§5-2轮胎的侧偏特性二、轮胎的侧偏现象和侧偏力—侧偏角曲线当车轮有侧向弹性时，车轮行驶方向将偏离轮胎平面方向（受到侧偏力作用），这就是轮胎的侧偏现象。由于轮胎的侧偏现象，产生侧偏角。轮胎的旋转平面与前进方向的夹角称为侧偏角α。当α不超过4～5°时，可以认为α与FY成线性关系。第八页，共二十三页，编辑于2023年，星期日§5-2轮胎的侧偏特性二、轮胎的侧偏现象和侧偏力—侧偏角曲线k—侧偏刚度，单位为：N/rad，N/(°)侧偏角与侧偏力方向永远相反，负的侧偏力产生正的侧偏角，因此，k为负值。侧偏刚度是决定操纵稳定性的重要轮胎参数。轮胎应有高的侧偏刚度，以保证汽车良好的操纵稳定性。小型轿车：k=-28000～-80000N/rad。在FY较大时，随着k的增加，α增长很快，这是因为FY接近Fφ时，轮胎在接地处已发生部分侧滑。第九页，共二十三页，编辑于2023年，星期日§5-2轮胎的侧偏特性三、影响轮胎侧偏特性的因素轮胎的尺寸、型式和结构参数对侧偏刚度有显著的影响。尺寸较大的轮胎有较高的侧偏刚度。1.扁平率（H／B×100%）H／B越小，侧偏刚度越大。2.垂直载荷K随着垂直载荷的增加而增大，但W过大时，轮胎产生很大的径向变形，K反而有所减小。3.轮胎气压随着气压的增加，侧偏刚度增大，但气压过高后刚度不再发生变化。4.行驶车速对K影响很小第十页，共二十三页，编辑于2023年，星期日§5-2轮胎的侧偏特性四、回正力矩TZ汽车的四个定位参数：α—车轮外倾角（使车轮回正、转向轻便）β—主销内倾角γ—主销后倾角前束—克服车轮外倾造成的不利影响1.侧偏角αα增大，TZ增大；α＝4～6°时，TZ最大；随后，随着α的增加，TZ减小，α＝10～16°时，TZ＝0。2.垂直载荷垂直载荷增加，回正力矩增加3.α一定时，尺寸大的轮胎，TZ也大4.子午线轮胎回正力矩大第十一页，共二十三页，编辑于2023年，星期日§5-3汽车的转向特性一、线性二自由度汽车模型的运动微分方程式1.车辆坐标系第十二页，共二十三页，编辑于2023年，星期日§5-3汽车的转向特性2.线性二自由度汽车模型①忽略转向系统的影响，直接以前轮转角作为输入。②忽略悬架的作用，认为汽车只作平行于地面的平面运动。（垂直速度w、侧倾角速度ωp

、俯仰角速度ωq均为0）③汽车沿X轴的前进车速u视为不变。④ay<0.4g，轮胎侧偏特性处于线性范围。⑤驱动力不大，不考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的影响第十三页，共二十三页，编辑于2023年，星期日§5-3汽车的转向特性2.汽车模型的运动微分方程k1、k2—前后轴侧偏刚度β—质心的侧偏角u—前进速度ωr—横摆角速度δ—前轮转角IZ—汽车绕Z轴的转动惯量—侧向加速度—横摆角加速度第十四页，共二十三页，编辑于2023年，星期日§5-3汽车的转向特性二、汽车的稳态响应特性1.稳态响应（SteadyState）汽车等速行驶时，在前轮角阶跃输入下，进入的稳态响应就是等速圆周行驶。—稳态横摆角速度增益（转向灵敏度）稳态时：代入运动微分方程式K—稳定性因数第十五页，共二十三页，编辑于2023年，星期日§5-3汽车的转向特性二、汽车的稳态响应特性2.稳态响应的三种类型根据K的数值，汽车的稳态响应可分为三类①中性转向K=0横摆角速度增益与车速成线性关系②不足转向K>0K值越大，不足转向量越大③过多转向K<0K值越小，过多转向量越大。过多转向汽车达到临界车速时，将失去稳定性。第十六页，共二十三页，编辑于2023年，星期日§5-3汽车的转向特性二、汽车的稳态响应特性3.表示稳态响应的几个特征参数①前后车轮侧偏角之差（α1-α2）A.α1＝α2时K=0中性转向B.α1>α2时K>0不足转向C.α1<α2时K<0过多转向②转向半径的比值R／R0A.R／R0＝1K=0中性转向R／R0<1K<0过多转向C.R／R0>1K>0不足转向第十七页，共二十三页，编辑于2023年，星期日§5-3汽车的转向特性三、汽车的瞬态响应特性1.反应时间τ应小些，比较好2.峰值反应时间ε越小越好3.超调量越小越好4.横摆角速度ωr波动时的固有圆频率ω0应高些较好5.稳定时间σ越短越好第十八页，共二十三页，编辑于2023年，星期日§5-4汽车操纵稳定性与转向系的关系一、转向系的功能与转向盘力特性功能：1.驾驶者通过转向盘控制前轮绕主销的转角来操纵汽车运动的方向。（角输入和力输入）2.凭借转向盘（反作用）力，将整车及轮胎的运动、受力状况反馈给驾驶者。反馈—路感（RoadFeeling）转向盘力随汽车运动状况而变化的规律称为转向盘力特性。转向盘力特性决定于下列因素：转向器传动比及其变化规律、转向器效率、动力转向器的转向盘操作力特性、转向杆系传动比、转向杆系效率、由悬架导向杆系决定的主销位置、轮胎上的载荷、轮胎气压、轮胎力学特性、地面附着条件、转向盘转动惯量、转向柱摩擦阻力以及汽车整体动力学特性。第十九页，共二十三页，编辑于2023年，星期日§5-4汽车操纵稳定性与转向系的关系二、不同行驶工况下对操纵稳定性的要求1.在低车速、低侧向加速度行驶工况下，汽车应具有适度的转向盘力与转向盘总回转角，也应具有良好的回正性能。2.在高车速、转向盘小转角、低侧向加速度范围内，汽车应具有良好的横摆角速度频率特性、直线行驶能力与回正性能。在以中、高侧向加速度作曲线行驶时，汽车的侧向加速度、轮胎地面侧向反作用力以及轮胎的附着等情况，主要靠转向盘（反作用）力传递的。所以有人认为转向盘力最好与侧向加速度有线性关系。第二十页，共二十三页，编辑于2023年，星期日§5-4汽车操纵稳定性与转向系的关系三、评价高速公路行驶操纵稳定性试验（一）试验方法（二）转向盘力输入方面的评价指标四、转向系与汽车横摆角速度稳态响应的关系（一）侧倾时转向系统与悬架的运动干涉（二）转向系刚度与转向车轮的变形转向第二十一页，共二十三页，编辑于2023年，星期日§5-5汽车操纵稳定性与传动系