汽车理论第十七讲教案

PAGE山东理工大学教案第17次课教学课型：理论课□实验课□习题课□实践课□技能课□其它□主要教学内容（注明：重点#难点）：教学目的要求：教学方法和教学手段：教师采用多媒体进行课堂讲授讨论、思考题、作业：参考资料：1、3、相关汽车专业杂志；4、网上相关资料；讲稿内容备注§5汽车的操纵稳定性§5.1基本概念一、操纵系统欠佳的种种表现：1、飘：无指令时，汽车行驶飘浮；2、贼：不听指令，左右乱闯，贼头贼脑；3、晃：转向时，行驶不稳；4、反映迟钝：接到指令时，半天才反应；5、丧失路感：人员操纵车，无法感觉路面状况；6、失去控制：指令失控。二、基本概念：1、操纵性：汽车在转向时，按驾驶员的主观愿望，改变原行驶方向；2、稳定性：外力干扰下能自动维持或恢复原来的运动状态和方向，不发生侧滑侧翻的能力。实质上，操纵性和稳定性不是同一概念，书本上操纵稳定性是合在一起定义的：操纵稳定性：是指在驾驶者不感到过分紧张疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抗干扰而保持稳定行驶的能力。三、研究方法：1、开路控制系统：所谓开路控制系统是指我们研究汽车的操纵稳定性时，对于驾驶者而言，只能机械地急速转动方向，并维持此角度不变，而不允许其根据汽车的转向运动作出任何主观地操纵修正动作。即：输入信号汽车输出信号（完全汽车本身结构与参数决定）此种方法完全反映的是汽车本身的固有特性，它可以通过建立数学模型，也可以使用测试设备在试验中客观进行测量。2、闭路系统：在实际的操作中，操纵稳定性的好坏，还是最终由驾驶员来评定，也就是说，操纵稳定性的好坏与驾驶者的操纵有密切关系，因此应将架车者与汽车共同作为统一整体来研究操纵稳定性，这就是人－汽车系统，下图便简要表明了人－汽车系统驾驶者与汽车的关系：在实际行驶中，我们驾驶者根据需要进行转向，同时路面风向等也会影响汽车的行驶。当此动作进行完毕后，驾驶者交不是完全机械地驾驶，他会根据随之出现的道路，交通等情况通过眼、手、身体来感知，经过判断、分析来修正手中的方向盘，如此反复操纵汽车行驶，因此在人－汽车系统是一个闭路系统。由于驾驶者的反馈作用十分复杂，目前对于人－汽车闭路系统的研究还很不成熟，只处于试验方法来测定实际的阶段。尽管，人－汽车闭路系统能真实反映操纵状况，但由于不同驾驶员的反馈作用，所以客观性及再现性不如开路系统好，而且目前闭路系统的应用还处于只能对已有的车进行驾驶室，实验来测试分析，而不能进行理论分析与计算来进行准确预测，所以产品开发阶段还不能采用人－汽车闭路系统。所以在本书中，我们对汽车操纵稳定性的研究采用的是开路系统控制的方法。四、车辆坐标系的确定：车辆坐标系是用来描述汽车运动的，它是固结于运动着的汽车上的一个动坐标系。XOZ处于汽车左右对称平面内；车辆在水平路面静止状态时，X轴平等于地面前方；Z轴通过质心指向上方；Y轴指向驾驶员左侧，坐标系原点O与质心重合。在上图我们标出了各种运动的速度及方向，与我们研究操纵稳定有关的为：车厢角速度在Z轴上的分量－横摆角速度Wr；汽车质心速度在Y轴上的分量－侧向速度V；汽车质心加速度在Y轴上的分量－侧向加速度Wy等。五、汽车的时域响应：1、概念：汽车的时域响应可分为不随时间变化的稳态响应和随时间的变化的瞬时响应。汽车的等速直线行驶时，急速转动方向盘，然后维持转角不变，即给汽车以方向盘转角阶咶输入，一般经短暂时间便进入等速圆周行驶，这也是一种稳态，称为方向盘阶跃输入下进入的稳态响应。在等速直线行驶与等速圆周行驶两稳态，运动之间的渡过过程是一种瞬态，相应的瞬态运动称为方向盘角阶跃输入下的瞬态响应。2、稳态响应：汽车的等速圆周行台，即汽车方向盘角附中输入下进入的稳态响应虽不常出现，但却是表征汽车操纵稳定性的一个重要时域响应故而称为稳态转向特性，它可分为三种类型：不足转向，中性转向和过多转向。在方向盘保持一固定转角下δδW，缓慢加速或改变车速时，汽车转向半径R增大的不足转向（转向程度不足），汽车转向半径R不变的为中性转向；汽车转向半径R减少的为过多转向；一般希望汽车具有一定的不足转向（下面详细讲述）3、瞬态响应：瞬态响应与汽车的操纵稳定性好坏有密切关系，汽车方向盘角阶跃输入下的瞬态响应，常用来表征汽车的操纵稳定性。下图即为急速给定方向盘一转角δswo，并维持此转角不变时的瞬间响应，它有如下特点（几个特征量）：（1）时间上的滞后：汽车横摆角速度在接到信号后，不能立即到达Wro，而是要有一个时间ι后，才能第一次达到Wro，这段滞后时间称为反应时间，ι越短，驾驶者感到反映迅速，否则迟钝，也有用达到第一峰值的时间ξ来表示反应时时间的；（2）执行上的误差：最大横摆角速度Wr1常大于稳态值Wro，Wr1/Wro×100%称为超调量，它表示执行指令误差的大小；（3）横摆角速度的波动：在瞬态响应中，横摆角速度Wr以频率W在Wro值上下波动，波动周期T或频率W决定于汽车动力学系统的参数，Wr值波动也会使转向半径R时大时小，给驾驶带来困难；(4)稳态时间6：当Wr值达到稳态值Wro的95-105%之间的时间6称为稳定时间，这段时间应尽是短些。个别汽车也可能出现Wr不收剑的情况，即Wr越来越大转向半径R愈来愈小，而导致汽车产生侧滑或翻车，由此可见，瞬态响应包括两方面的问题：一是行驶方向的稳定性，即给汽车以方向盘角阶跃输入后，汽车能否到达新的稳态状况的问题；二是响应品质的问题，即达到新的稳态之前，其瞬态响应的特性如何。§5.2轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性是轮胎的机械我的线成部分，本节主要讨论轮胎在滚动时发生的侧偏及轮胎的侧偏特性，侧偏特性主要是指侧偏力，回正力矩与侧偏角之间的关系，它是研究操纵稳定性理论的基础。一、轮胎的坐标系：为了讨论轮胎的机械特性，需要建立一个坐标系垂直于车轮旋转轴线的轮胎中分平面称为车轮平面，坐标系的原点O为车轮平面和地平面的交线与车轮旋转轴线在地平面上的投影线的交点。车轮平面与地平面的交线取为X轴，规定向前为正，Z轴与地面垂直规定为正，Y轴在地平面上规定面向车轮前进方向时指向左方为正。如下图所示坐标系中还标出了按轮胎坐标规定的正方向：ΔFX、FY、FZ：地面切向反作用力，地面侧向反作用力，地面法向反作用力；ΔTX、Tz:正翻转力矩，正回正力矩；Δ侧偏角α：轮胎接地印迹中心（坐标原点）位移方向与X轴的夹角（图为正）；Δ侧倾角γ：垂直平面与车轮平面的夹角（图为正）。二、轮胎的侧偏和侧偏力－侧偏角曲线1、侧偏力的产生：汽车行驶时，由于路面的侧面倾斜，侧向风或曲线行驶时的离必作用，车轮中心沿Y轴方向有侧向力Fy，相应地面上将产生地面侧向反作用力Fy，Fr称为侧偏力。2、Fy作用于刚性轮时：假设汽车轮胎为刚性轮胎时，则可能发生两种情况：1）当Fy未超过车轮与地面的附着极限时，车轮与地面间无滑动，将保持其行驶方向；2）当Fy达到附着极限时，将沿着Fr方向产生侧滑，有一侧向滑动速度Δu，车轮将沿u与Δu的合成速度方向u′行驶。3、Fy作用于弹性轮时：当车轮有侧向弹性时，即使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，此为轮胎的侧偏。下面我们讨论在垂直载荷为W的条件下，侧向有弹性的车轮中心受到侧向力Fy，地面有相应侧偏力Fr后的两种情况：1）车轮静止时，由于车轮侧向弹性，轮胎发生侧向变形，轮胎胎面与地面接地印迹的中心线与车轮平面不重合错开Δh，但仍平行于；2）车轮滚动时，接地印迹中心线不只是和车轮平面错开一定距离，而且是不再与平行，与夹角α即为侧偏角，车轮沿滚动。为清楚说明角α的成因，我们具体分析一下车轮滚动过程，在轮胎面中心线上标出A1，A2，A3，A4……各点，随车轮滚动，各点依次落于地面上相应的A1′，A2′，A3′，A4′……在主视图上可见，胎面上A1，A2，A3，A4……各点连线为一斜线，因此它们落在地面相应各点A1′，A2′，A3′，A4′……的连线，并不垂直于车轮旋转轴线，即与车轮平面的延长线有夹角α，当轮胎与地面无侧向滑动时A1′，A2′，A3′，A4′……的连线就是接地印迹的中心线，即车轮滚动时的痕迹，车轮沿∝滚动，显然，侧偏角α的大小与Fy有关，即与侧偏力Fy有关。4、侧偏力－侧偏角曲线侧偏角不超过30－50时，Fy与α在线性关系，在汽车正常行驶时，侧向加速度不不超过0.4g，侧偏角不超过40－60可以认为Fy与α成线性关系；Fy－α曲线在α=0的低斜率称为侧偏刚度k，k单位为N/rad或N/(0)；侧偏刚度k是决定操纵稳定性的重要轮胎参数，k值（绝对值）增加,则操纵稳定性增加，k值受道路条件限制FyFф。小型轿车轮胎的K值约在-28000——-80000N／rad范围内。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(指绝