第五章 操纵稳定性.ppt

1、第五章 汽车的操纵稳定性,引言 第一节 概述 第二节 轮胎的侧偏特性 第三节 前轮角阶跃输入的瞬态响应 第四节 前轮角阶跃输入的稳态响应 第五节 汽车行驶时的翻倾和整车侧滑 第六节 操纵稳定性试验 小结 思考题,引 言,汽车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，且当遭遇侧向力(如侧向风力、汽车在横坡行驶时重力的侧向分力等)干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。 汽车的操纵稳定性包括相互联系的两个部分：操纵性和稳定性 操纵性差，导致汽车侧滑，回转，倾覆，汽车的稳定性就破坏了，稳定性差就会失去操纵性，使汽车处于危险状态，所以

2、通常只统称为操纵稳定性。,第五章 汽车的操纵稳定性,第一节 概述,本章将着重讨论方向盘角阶跃入下的稳态响应和瞬态响应。 在汽车操纵稳定性的研究中，常把汽车整车作为一个系统，通过系统的输入和输出物理参量之间的关系，来表征汽车的操纵稳定性能，见图51。,图5-1 系统分析示意图,车辆坐标系 xoz处于汽车左右对称的平面内、前轮角阶跃函数x轴平行于地面指向前方z轴指向上方，y轴指向转弯时的外侧，坐标系的原点与质心重合。与操纵稳定性有关的主要运动参数为，汽车绕z轴旋转的角速度横摆角速度 、汽车质心沿x轴方向的绝对速度前进速度u、汽车质心沿y轴方向的绝对速度侧向速度v、汽车质心绝对加速度沿y轴方向的分量

3、侧向加速度ay等。,第一节 概述,第二节 轮胎的侧偏特性,一、轮胎的侧偏现象 侧偏力： 汽车行驶时，由于各种侧向力的作用，相应地在地面上产生地面侧向反作用力FY，FY又称作侧偏力。 侧偏现象： 车轮在侧向力Fy，和侧偏力FY的作用下，其运动方向偏离了车轮平面方向，这种现象称为轮胎的侧偏现象。,第二节 轮胎的侧偏特性,轮胎侧偏现象的原因，主要有以下两方面：,（1）当侧偏力FY达到车轮与地面问的附着极限时，车轮发生侧向滑动，若滑动速度u，车轮便沿合成速度u方向运动，偏离了车轮平面CC方向。如图5-5,图5-5 有侧向力作用时刚性车轮的滚动,第二节 轮胎的侧偏特性,(2)由于弹性车轮在侧向力的作用下

4、产生侧向变形所引起的侧偏,图5-6 弹性车轮与侧偏现象,弹性车轮在侧向力作用下，由于车轮的侧向弹性变形，其实际运动方向不再是车轮平面所指的方向，而是偏离了一个角度，这个角度称为侧偏角。,从图中可以看出，侧偏方向与侧向力Fy的方向一致，与侧偏力FY的方向相反。当汽车转弯时，侧偏方向则与离心力方向致，因此也可用离心力方向来定义的正值。显然，侧偏角的数值与侧向力Fy的大小有关；换言之，侧偏角的数值与侧偏力FY的大小有关。,第二节 轮胎的侧偏特性,二、轮胎的侧偏特性 轮胎的侧偏持性是指侧偏力FY与侧偏角之间的数值关系,图57轮胎的侧偏特性,第二节 轮胎的侧偏特性,从图5-7中，可以看出：当侧偏角小于3

5、o5o时，FY与成线性关系。汽车正常行驶时，侧向加速度不超过0.4g，侧偏角不超过4o5o，可以认为侧偏力与侧偏角成线性关系。 侧偏特性曲线在0o处的斜率称为侧偏刚度k，单位为N/rad或N/(o)。 FY与的数值关系可写作 FYk (51),第二节 轮胎的侧偏特性,三、影响侧偏刚度的因素,1轮胎的尺寸、型式和结构 尺寸较大的轮胎有较高的侧偏刚度 子午线轮胎接地宽，一般侧偏刚度较高 见图5-8 轮胎断面高H与断面宽B之比H/B100称为扁平率。 扁平率对轮胎侧偏刚度影响很大，采用扁平率小的宽轮胎是提高侧偏刚度的主要措施。,图58 一斜交线轮胎与一子午线轮胎的侧偏特性,第二节 轮胎的侧偏特性,2

6、轮胎的充气压力 轮胎的充气压力对侧偏刚度也有显著影响。由图59可知，随着气压的增加，侧偏刚度增大，但气压增加到一定值侧偏刚度不再增大。,图5-9 轮胎气压对侧偏刚度的影响图,第二节 轮胎的侧偏特性,3轮胎的垂直载荷 侧偏刚度随垂直载荷的增加而加大，但垂直载荷过大时，轮胎产生很大的径向变形，侧偏刚度反而有所减小。见图510,5-10 不同垂直载荷下的侧偏力,第三节 前轮角阶跃输入的瞬态响应,一、汽车转向时的运动微分方程 建模假设： 1）汽车只作平行于水平路面的平面运动，忽略悬架的作用以及空气动力等的作用 2）认为汽车左右对称,前后轴上的每对车轮分别用具有其两倍侧偏刚度的单个车轮来表示 在上述假设

7、下，汽车可以简化为两轮汽车模型，如图511所示。,第三节 前轮角阶跃输入的瞬态响应,5-11 二自由度汽车模型,图5-11中的有关参数如FY、 、以及角度、等均随时间而变化，惟独汽车前进速度v假设为常量,根据力学原理可得，作平面运动汽车的运动微分方程为,（5-2）,角度较小，cos1，同时把FYk代入式(52)，得,第三节 前轮角阶跃输入的瞬态响应,（5-3）,确定汽车质心绝对加速度在 y轴上的分量ay。,考虑到很小，cos1，sin，上式可改写为 v + u,图 5-12,（5-4）,第三节 前轮角阶跃输入的瞬态响应,为质心侧偏角， 为V1与V2轴的夹角，其值为,从而得,（5-4）,图5-1

8、3,第三节 前轮角阶跃输入的瞬态响应,将式(54)、(55)代人式(53)，整理后得汽车转向运动微分方程式,( 5 - 6 ),二、前轮角阶跃输入下的瞬态响应,利用式(56)导出汽车前轮输入角为阶跃函数时，汽车横摆角速度的瞬态响应,第三节 前轮角阶跃输入的瞬态响应,消去,式中,第三节 前轮角阶跃输入的瞬态响应,当输入函数(t)为阶跃函数时，则有,（5-11）,故当t0后，式（5-7）改写为,（5-12）,求解（5-12）,特解,通解,第三节 前轮角阶跃输入的瞬态响应,微分方程(512)的解即瞬态响应为,( 5 - 15 ),确定积分常数A1，A 2,初始条件为：t0时，0，0，0,t0时，0，

9、即可求得Al为,t0时， ，即可求得A2为,第三节 前轮角阶跃输入的瞬态响应,令,则式(515)可改写为,图514 前轮角阶跃输入下的瞬态响应,第三节 前轮角阶跃输入的瞬态响应,三、表征瞬态响应品质的几个主要参救,1上升时间tr,上升时间又称响应时间，是指响应曲线r(t)从零开始上升后，第一次到达稳态位所需的时间：,2峰值时间tp,指响应曲线r(t)从零开始，到达第一个峰值r(tp)所需的时间。,3超调量,指瞬态过程的最大偏差r(tp)r()与稳态值r()之比，即,（5-19）,第三节 前轮角阶跃输入的瞬态响应,4稳定时间ts,稳定时间ts是指这样一个时间，当tts时，,定义误差带：在瞬态响应

10、曲线r(t)的稳态值r()上的上、下 各取一个允许误差(见图514)。 在汽车操纵稳定性的分析中，取0.05rs。这样在稳态值上下2的区域内就构成了一个误差带。,5固有频率0和阻尼比,固有频率主要影响系统反应的快速性 如果保持不变，增大0，则tr, tp, ts均会减小且不会改变超调量 阻尼比则主要影响超调量。如果保持0不变，增大阻尼比，则超调量p将明显减小，但tp, ts却有所增加，而在oC0.8范围内f都有却有所减小,第四节 前轮角阶跃输入的稳态响应,系统的稳态响应rs为,系统的瞬态响应r(t),式中 称为稳态横摆角速度增益,增益gs的含义是输出量的稳态值,与输入量的稳态值0之比值,反映了

11、系统内在的固有特性，与输入量无关,第四节 前轮角阶跃输入的稳态响应,( 1/s ) （5 - 20）,式中,（s2/m2） （5 - 21）,K称为稳定性因数，它是表征汽车稳态转向特性的重要参数。,一、汽车的稳态转向特性,根据K的值是等于0，小于0还是大于0，汽车的稳态转向特性可分为如下三类，参见 图 5 16,图5-16 gsu关系曲线,第四节 前轮角阶跃输入的稳态响应,1中性转向,K=0时，,，gsu关系曲线是一条斜率为,的直线,这种转向特性称为中性转向,由,由力学原理,中性转向汽车的转向半径R,中性转向汽车的转向半径R仅与前轮偏转角0和轴距L有关，且不随车速而变。,第四节 前轮角阶跃输入

12、的稳态响应,2不足转向,当 K0 时，由,横摆角速度增益比中性转向时要小。,由于 K0，所以RR0 且 u R 汽车具有不足转向特性,当 车 速 为 (m/s)时 增益gs达到最大值,当车速为uch时不足转向汽车的增益仅为同轴距中性转向汽车的一半。uch称为特征车速。 uch越小，K值就越大，不足转向量也越大。,第四节 前轮角阶跃输入的稳态响应,3过多转向,当K0时，由,横摆角速度增益比中性转向时要小。,K值越小(即绝对值越大)，汽车的过多转向量就越大。,临界车速,临界车速越低，过多转向量越大。,第四节 前轮角阶跃输入的稳态响应,三种转向特性的安全性和转向操纵的灵敏性比较：,过多转向 过多转向

13、汽车虽然其灵敏性较好，但安全性较差 过多转向汽车具有较高的操纵灵敏性，但当车速接近临界车速后，只要极微小的前轮偏转角，就会产生极大的角速度rs，易急剧旋转产生事故。 不足转向 灵敏性则较低，且不足转向量越大，灵敏性越低；较好的行驶安定性 中性转向 兼顾到安全性和灵敏性,中性转向因使用条件多变，汽车使用中有可能转变为过多转向。在以安全为主并兼顾灵敏性的前提下，一般汽车均应具有适度的不足转向特性。,第四节 前轮角阶跃输入的稳态响应,二、表征稳态转向特性的其他几个参数,1前、后轮侧偏角之差(12),由,分子、分母同乘以ay,将,上式,即,即,或,第四节 前轮角阶跃输入的稳态响应,K0时。(12)0，

14、为中性转向；当K0时，(12)0，为不足转向：当K0时(12)0，为过多转向;可见，若增大1，减小2，则使不足转向量增加。反之，若减小1，增大2 ，则使不足转向量减小甚至有可能转变为过多转向。,图519 表示汽车稳态转向特性的(12)y曲线,第四节 前轮角阶跃输入的稳态响应,图5-20 汽车稳态转向运动简图,利用图中各参数的几何关系，即可导出稳态时(12)与R的关系,将上面两式相加，且 LAC+BC，得,因0,1,2均比较小所以上式可近似写作,（5-24）,第四节 前轮角阶跃输入的稳态响应,当12时，(12)0，则RR0，是不足转向特性。 当12时，(12)0， 则RR0，是过多转向特性。 当

15、1=2时， (12)=0， 则R=R0， 是中性转向特性。,2转向半径的比值R/R。,即,K0时，,不足转向,K0时，,1,过多转向,K0时，,1,中性转向,第四节 前轮角阶跃输入的稳态响应,3静态储备系数SM,假想将一辆具有不足或过多转向特性汽车的质心C (见图522)后移或前移至C。点，使该车具有中性转向特性 ，C0为中性转向点,图522 中性转向点位置的确定,静态储备系数S.M.就是中性转向点至前轴距离,和质心至前轴距离,之差（,与轴距L之比值，即,）,S.M.0,不足转向特性,S.M.0,过多转向特性,S.M.=0,中性转向特性,第四节 前轮角阶跃输入的稳态响应,三、影响汽车稳态转向特

16、性的主要因素,1前、后轮的侧偏刚度 是影响汽车稳态转向特性的最主要因素 2汽车质心的纵向位置 质心的纵向位置将直接影响前、后侧偏力FY1，FY2的分配。从而影响侧偏角的大小和相互关系。 3汽车悬架对稳态转向特性的影响 汽车转弯时，车厢在悬挂质量的离心力Fsy 的作用下，将绕侧倾轴线 (前、后侧倾中心Om1, Om2的连线)转动一个角度，称为侧倾角,第四节 前轮角阶跃输入的稳态响应,三个方面分析车厢侧倾对汽车稳态转向特性的影响。,(1)车轮侧斜角的变化,车轮朝车厢侧倾的方向倾斜，即车轮的侧斜方向与离心力方向一致，如图524（a）,(b)，(c) 中车轮的侧偏角增大,图524 车轮倾斜与悬架导向机

17、构关系,车轮朝车厢侧倾的相反方向倾斜，即车轮的侧斜方向与离心力方向相反，如图524(d)所示 车轮的侧偏角减小,车轮的侧斜不随车厢的侧倾而变，如图524(e)所示非独立悬架,第四节 前轮角阶跃输入的稳态响应,(2)左、右轮垂直载荷的重新分配,图525 左右车轮垂 直载荷再分配时轮胎的侧片刚度,车身不侧倾时,车身侧倾后,第四节 前轮角阶跃输入的稳态响应,车厢侧倾时,弹性恢复力偶矩 Ms等于前、悬架弹性恢复力偶矩Ms1,Ms2之和 即Ms= Ms1+Ms2,图526 利用横向稳定杆等改变前后悬架角刚度后，汽车稳态转向特性的变化,Ms1，Ms2将影响前后轴左、右车轮垂直载荷的分配，Ms越大，则W也越

18、大。,增加不足转向量,反之，则趋于减少不足转向量,第四节 前轮角阶跃输入的稳态响应,(3)轴转向,当车厢侧顿时，由于悬架导向机构的运动学关系，使车轴绕垂直轴线转动。,轴转向,图5-27 单纵臂非独立悬架的轴转向,轴转向的方向与离心力 方向一致,使车轮的侧偏角增加对于后轴而言，将使汽车减小不足转向量； 轴转向方向与离心力方向相反，则相当于使车轮的侧偏角减小，若为后轴，将使汽车增加不足转向量”,第四节 前轮角阶跃输入的稳态响应,4轮胎弹性侧偏产生的回正力矩,图5-28 轮胎弹性侧 偏产生的回正力矩,合力FY的大小与侧向力Fy相等，但其作用点却后移了一段距离e。e称为轮胎拖距，FY*e就是回正力矩M

19、r,影响因素,轮胎的型式,结构参数,气压以及垂直载荷,第四节 前轮角阶跃输入的稳态响应,图5-29 考虑回正力矩后汽车的侧向受力情况,回正力矩Mr对汽车稳态转向特性的影响,（1）由于轮胎的弹性侧偏，前、后侧偏力,不足转向量增加,（2）前轴趋于增加不足转向量，使后轴趋于减少不足转向量,第四节 前轮角阶跃输入的稳态响应,四、三种稳态转向特性汽车的抗侧向干扰能力的比较,中性转向汽车在侧向力的干扰下，仍能保持稳定行驶，具有一定的抗侧向干扰的能力,5-30 中性转向特性汽车运动简图,（1）中性转向特性汽车,转向中心在无穷远处，故汽车仍为直线行驶,第四节 前轮角阶跃输入的稳态响应,(2) 不足转向特性汽车

20、,瞬时转向中心Ou,离心力Fc的侧向分力Fcy与Fy的方向相反，前、后侧偏角相应减小，抑制了汽车的转向，使汽车具有自动恢复直线行驶的倾向。,不足转向汽车具有良好的抗侧向干扰的能力，使汽车能自动抵御侧向干扰，保持直线行驶的稳定。,直线行驶,第四节 前轮角阶跃输入的稳态响应,(3) 过多转向特性汽车,图5-32 过多转向特性汽车运动简图,直线行驶,瞬时转向中心,离心力侧向分力Fcy与侧向力Fy方向一致，加剧了汽车的转向运动,过多转向汽车缺乏抗侧向干扰的能力在侧向力的干扰下，要保持汽车直线行驶稳定，依赖于驾驶者的反应速度和操作技术，显然不利于汽车的行驶安全,第五节 汽车行驶时的翻倾和整车侧滑,一、汽

21、车的纵向翻倾,当前轮的法向反作用力FZ1=0时，汽车便开始绕后轮与地面接触中心点向后翻倾，通常称为纵翻,令FZ10,即,汽车不发生纵翻的极限坡角度为,图5-33 汽车在纵坡上的受力简图,第五节 汽车行驶时的翻倾和整车侧滑,二、汽车在弯道行驶时的侧翻和整车侧滑,1汽车在离心力作用下的侧翻,由受力平衡可得,令FZr=0，则有,第五节 汽车行驶时的翻倾和整车侧滑,图5-34 汽车在横坡上转向时的受力简图,G=mg,Fc=mu2/Rr代入上式,汽车不发生侧翻的极限车速为,（km/h） (5-28),汽车在水平路面上作等速转向运动时，不发生侧翻的极限车速则为,(km/h),(5-29),第五节 汽车行驶

22、时的翻倾和整车侧滑,2汽车在离心力作用下的则滑,由图534，,受力分析可得,横向坡道上转弯行驶时，不发生向外侧滑的,极条件为,汽车不发生向外侧侧滑的极限车速umax为,（km/h）,(5-30),当,时,即汽车以任何车速行驶均不会向外侧滑,汽车在水平路面上转弯行驶时则不发生侧滑的最大车速为,(km/h),(5-31),第五节 汽车行驶时的翻倾和整车侧滑,3侧滑发生在侧翻之前的条件,侧滑发生在侧翻之前，即,或,侧滑发生在侧翻之前的条件为,（5-32）,第五节 汽车行驶时的翻倾和整车侧滑,三、汽车在横坡直线行驶或静止时的侧翻,图5-35 汽车在横向坡道上的受力简图,汽车不发生侧翻的最大横坡角,与汽

23、车有关参数的关系,由图5-35可得,令Fz1=0,即可求得不发生侧翻的最大横坡角为,第六节 操纵稳定性试验,操纵稳定性试验方法国家标准,蛇行试验,转向瞬态响应试验(转向盘角阶跃输入),转向瞬态响应试验(转向盘角脉冲输入),转向回正性能试验,转向轻便性试验,稳态回转试验,静侧翻稳定性台架试验,第六节 操纵稳定性试验,仪器设备： 车速测试仪 测量车速和时间 测力方向盘 测量方向盘作用转矩和转角 加速度计 测量侧向加速度 陀螺仪 测量横摆角速度和车厢侧倾角,第六节 操纵稳定性试验,一、转向轻便性试验,试验是在规定的双纽线跑道上进行，,汽车以10km/h的车速在上述跑道上等速行驶,图5-36 转向轻便

24、性试验场地布置示意图,测量的参数：方向盘直径、方向盘转角和方向盘作用转矩,第六节 操纵稳定性试验,二、方向盘角阶跃输入下的瞬态响应试验,试验应在干燥、平坦的良好路面上进行 试验车速为被试汽车最高车速的70% 方向盘输入角可按试验车速和规定的稳态侧向加速度值进行预选。 稳态侧向加速度值为：从1m/s2做起，每隔0.5m/s2做一次试验，直到3m/s2为止。 试验时,汽车先以试验车速直线行驶,试验采集的数据有：车速、时间、方向盘转角、侧向加速度和横摆角速度,图538 方向盘输入转角、横摆角速度,第六节 操纵稳定性试验,三、方向盘角阶跃输入下的稳态响应试验,试验场地上画出半径为15m或20m的圆周，作为汽车试验起始时的行驶路径 试验时，汽车先以最低稳定车速沿所画圆周行驶，汽车缓慢连续而均匀地加速，直至汽车的侧向加速度达到6.5m/s2为止,试验采集的数据：车速、时间、横摆角速度、车厢侧倾角、侧向加速度,图539定方向盘连续加速试验中汽车行径的轨迹,第六节 操纵稳定性试验,四、转向回正性试验,转向回正性试验有低速和高速回正性试验两种方法,(1)低速回正性能试验,汽车沿半径为15m的圆周行驶，调整车速使侧向加速度达到4m/s2，固定方向盘转角，稳定车速并开始记录,(2)高速回正性能试验,试验时，汽车的车