《第5章汽車的操縱穩(wěn)定性》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《第5章汽車的操縱穩(wěn)定性（55頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、第五章 汽車的操縱穩(wěn)定性基本內(nèi)容基本內(nèi)容：汽車操縱穩(wěn)定性研究概述 輪胎的側(cè)偏特性重點重點：線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應(yīng)分析自學(xué)答疑自學(xué)答疑：汽車操縱穩(wěn)定性與懸架的關(guān)系 汽車操縱穩(wěn)定性與轉(zhuǎn)向角的關(guān)系 汽車操縱穩(wěn)定性與傳動系的關(guān)系 提高操縱穩(wěn)定性的電子控制系統(tǒng) 汽車的側(cè)翻 汽車的操縱穩(wěn)定性汽車的操縱穩(wěn)定性是指在駕駛者不感到過分緊張、疲勞的條件下，汽車能遵循駕駛者通過轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向行駛，且當(dāng)遭遇外界干擾時，汽車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力。5-1 概概 述述 一、汽車操縱穩(wěn)定性包含的內(nèi)容一、汽車操縱穩(wěn)定性包含的內(nèi)容 1、在汽車操縱穩(wěn)定性的研究中，常把汽車作為一控制系統(tǒng)，求出汽

2、車曲線行駛的時域響應(yīng)時域響應(yīng)與頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)特性特性，并以它們來表征汽車的操縱穩(wěn)定性能。2、方向盤輸入有兩種形式：給方向盤作用一個角位移，稱為角位移輸入角位移輸入，簡稱為角輸入角輸入；給方向盤作用一個力矩，稱為力矩輸入力矩輸入，簡稱為力輸入力輸入。3、方向盤角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)方向盤角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)及方向盤方向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)，就是表征汽車操縱穩(wěn)定性的方向盤角位移輸入下的時域響應(yīng)?；卣曰卣允且环N方向盤力輸入下的時域響應(yīng)。橫擺角速度頻率響應(yīng)特性橫擺角速度頻率響應(yīng)特性是方向盤轉(zhuǎn)角正弦輸入下，頻率由0 時，汽車橫擺角速度與方向盤轉(zhuǎn)角的振幅比及相位差

3、的變化圖形。轉(zhuǎn)向半徑轉(zhuǎn)向半徑是評價汽車機動靈活性的物理參量。轉(zhuǎn)向輕便性轉(zhuǎn)向輕便性是評價轉(zhuǎn)動方向盤輕便程度的特性。二、車輛坐標(biāo)系與方向盤角階躍輸入下的時域響應(yīng)二、車輛坐標(biāo)系與方向盤角階躍輸入下的時域響應(yīng) 1、汽車的運動是借固結(jié)于運動著的汽車上的動坐標(biāo)系車輛坐標(biāo)系來描述的。圖5-1所示固結(jié)于汽車上的oxyz直角動坐標(biāo)系就是車輛坐標(biāo)系車輛坐標(biāo)系。XOZ處于汽車左右對稱的平面內(nèi)。當(dāng)車輛在水平路面上靜止?fàn)顟B(tài)下，x軸平行于地面指向前方。z軸通過質(zhì)心指向上方，y軸指向駕駛員的左側(cè)，坐標(biāo)系的原點O常可令其與質(zhì)心重合。與操縱穩(wěn)定性有關(guān)的主要運動參量為，車廂角速度在z軸上的分量橫擺角速度 等等（參看圖5-1）2、

4、汽車的時域響應(yīng)可分為不隨時間變化的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和隨時間變化的瞬態(tài)響應(yīng)瞬態(tài)響應(yīng)。汽車等速直線行駛是一種穩(wěn)態(tài)，給汽車以方向盤角階躍輸入，一般汽車經(jīng)短暫時間后便進入等速圓周行駛，這也是一種穩(wěn)態(tài)，稱為方向盤角階躍輸方向盤角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)入下進入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。在等速直線行駛與等速圓周行駛這兩個穩(wěn)態(tài)運動之間的過渡過程便是一種瞬態(tài)，相應(yīng)的瞬態(tài)運動響應(yīng)稱為方方向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)應(yīng)。汽車的等速圓周行駛等速圓周行駛，即汽車方向盤角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。一般也稱它為汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性，汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性分為三種類型：不足轉(zhuǎn)向不足轉(zhuǎn)向、中性轉(zhuǎn)向中性轉(zhuǎn)向和過多

5、轉(zhuǎn)向。操縱穩(wěn)定性良好的汽車應(yīng)具有適度的不足轉(zhuǎn)向特性。一般汽車不應(yīng)具有過多轉(zhuǎn)向特性，也不應(yīng)具有中性轉(zhuǎn)向特性，因為中性轉(zhuǎn)向汽車在使用條件變動時，有可能轉(zhuǎn)變?yōu)檫^多轉(zhuǎn)向特性。常用方向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)來表征汽車的操縱穩(wěn)定性。圖5-3上畫出了一輛等速行駛汽車在t=0時,駕駛員急速轉(zhuǎn)動方向盤至角度sw0并維持此轉(zhuǎn)角不變時的汽車瞬態(tài)響應(yīng)曲線 汽車的瞬態(tài)響應(yīng)，它具有如下幾個特點：（1）時間上的滯后（2）執(zhí)行上的誤差（3）橫擺角速度的波動（4）進入穩(wěn)態(tài)所經(jīng)歷的時間 三、人-汽車閉路系統(tǒng) 盡管試驗得到的人-汽車閉路系統(tǒng)的性能真實地反映了汽車的操縱穩(wěn)定性能，但是由于進行試驗的駕駛者的操作特性起了反饋作用，所以

6、客觀性及再現(xiàn)性就不如開路系統(tǒng)汽車的時域響應(yīng)好。還應(yīng)指出，人-汽車系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性只能在已具有實際車輛的條件下通過試驗求得，目前還不能做到通過理論分析與計算來進行準(zhǔn)確的預(yù)測。所以，在產(chǎn)品開發(fā)階段，廣泛應(yīng)用的理論分析對象仍然只能是開路系統(tǒng)汽車的時域響應(yīng)。四四、汽汽車車試試驗驗的的兩兩種種評評價價方方法法及及時時域域響響應(yīng)應(yīng)與與頻頻率率響響應(yīng)應(yīng)特特性的評價指標(biāo)性的評價指標(biāo) 汽車性能最后應(yīng)通過試驗來進行測定與評價。試驗中的性能評價有主觀評價和客觀評價兩種方法?？陀^評價法客觀評價法是通過測試儀器測出表征性能的物理量如橫擺角速度、側(cè)向加速度、側(cè)傾角及轉(zhuǎn)向力等來評價操縱穩(wěn)定性的方法。主觀評價法主觀評價法就是

7、感覺評價，其方法是讓試驗評價人員，根據(jù)試驗時自己的感覺來進行評價，并按規(guī)定的項目和評分辦法進行評分。此外，還有一個方向盤角階躍輸入下時域響應(yīng)的綜合性評價指標(biāo)，這個評價指標(biāo)稱為汽車因數(shù)汽車因數(shù)。方向盤角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：方向盤角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：穩(wěn)態(tài)橫擺增益曲線穩(wěn)態(tài)橫擺增益曲線 .橫擺角速度增益橫擺角速度增益（又稱為轉(zhuǎn)向靈敏度）（又稱為轉(zhuǎn)向靈敏度）.穩(wěn)定性因數(shù)穩(wěn)定性因數(shù)K。方向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)：方向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)：瞬態(tài)橫擺響應(yīng)曲線瞬態(tài)橫擺響應(yīng)曲線 .反應(yīng)時間反應(yīng)時間衰減振動圓頻率衰減振動圓頻率 橫擺角速度頻率響應(yīng)特性：橫擺角速度頻率響應(yīng)特性：共振峰頻率共振峰頻率

8、f，1HZ時的相位滯后角時的相位滯后角穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性演示演示 5-2 輪胎的側(cè)偏特性 側(cè)偏特性主要是側(cè)偏力、回正力矩與側(cè)偏角間的關(guān)系，它是研究汽車操縱穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。一、輪胎的坐標(biāo)系一、輪胎的坐標(biāo)系 垂直于車輪旋轉(zhuǎn)軸線的輪胎中分平面稱為車輪平面。車輪平面與地平面的交線取為X軸，規(guī)定向前為正。Z軸與地平面垂直，規(guī)定指向上方為正。Y軸在地平面上，規(guī)定面向車輪前進方向時指向左邊為正。圖5-5上還畫了地面作用于輪胎的力與力矩，即地面切向反作用力Fx、地面?zhèn)认蚍醋饔昧y、地面法向反作用力Fz，以及地面反作用力繞Z軸的力矩回正力矩Tz等等。圖中還畫出了側(cè)偏角a與外傾角 二、輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象和側(cè)偏力

9、二、輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象和側(cè)偏力-側(cè)偏角曲線側(cè)偏角曲線 車輪中心沿Y軸方向若作用有側(cè)向力Fy，相應(yīng)地在地面上產(chǎn)生地面?zhèn)认蚍醋饔昧y，F(xiàn)y也稱為側(cè)偏力側(cè)偏力。當(dāng)有地面?zhèn)认蚍醋饔昧r，若車輪是剛性的，則可能發(fā)生兩種情況：（1）當(dāng)?shù)孛鎮(zhèn)认蚍醋饔昧Y未超過車輪與地面間的附著極限時，車輪與地面間沒有滑動,車輪仍沿其本身平面 的 方向行駛（圖5-6）；（2）當(dāng)?shù)孛鎮(zhèn)认蚍醋饔昧Y達到車輪與地面間的附著極限時，車輪發(fā)生側(cè)向滑動，若滑動速度為u，車輪便沿合成速度u方向行駛，偏離了 方向。當(dāng)車輪有側(cè)向彈性時，即使FY沒有達到附著極限，車輪行駛方向亦將偏離車輪平面 的方向，這就是輪胎的側(cè)側(cè)偏現(xiàn)象偏現(xiàn)象。與 的夾角a

10、，即為側(cè)偏角側(cè)偏角。aacFyuccFyucu 沒有側(cè)向滑移 有側(cè)向滑移圖5-6 有側(cè)向力作用時剛性車輪的滾動u 輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象：圖5-8給出了一條由試驗測出的側(cè)偏力-側(cè)偏角曲線。曲線表明，側(cè)偏角不超過5時，F(xiàn)y與成線性關(guān)系。汽車正常行駛時，側(cè)向加速度不超過0.4g，側(cè)偏角不超過45，可以認(rèn)為側(cè)偏角與側(cè)偏力成線性關(guān)系。FY-曲線在=0處的斜率稱為側(cè)偏剛度側(cè)偏剛度k，單位為N/rad或N/（）。由輪胎坐標(biāo)系有關(guān)符號規(guī)定可知，負(fù)的側(cè)偏力產(chǎn)生正的側(cè)偏角，因此側(cè)偏剛度為負(fù)值。FY=k。小型轎車輪胎的k值約在-28000-80000 N/rad范圍內(nèi)。側(cè)偏剛度是決定操縱穩(wěn)定性的重要輪參數(shù)。輪胎應(yīng)有高的側(cè)

11、偏剛度（指絕對值），以保證汽車良好的穩(wěn)定性。在較大的側(cè)偏力時，側(cè)偏角以較大的速率增長，即FY-曲線的斜率逐漸減小，這時輪胎在接地面處已發(fā)生部分側(cè)滑。最后，側(cè)偏力達到附著極限時，整個輪胎側(cè)滑。顯然輪胎的最大側(cè)偏力決定于附著條件，即垂直載荷，輪胎胎面花紋、材料、結(jié)構(gòu)、充氣壓力，路面的材料、結(jié)構(gòu)、潮濕程度以及車輪的外傾角等。一般而言，最大側(cè)偏力越大，汽車的極限性能越好，譬如按圓周行駛的極限側(cè)向加速度就 越高。三、輪胎的結(jié)構(gòu)、工作條件對側(cè)偏特性的影響三、輪胎的結(jié)構(gòu)、工作條件對側(cè)偏特性的影響 尺寸較大的輪胎有較高的側(cè)偏剛度。輪胎斷面高H與輪胎斷面寬B之比H/B100%稱為扁扁平率平率。垂直載荷增大后，側(cè)

12、偏剛度隨垂直載荷的增加而加大，但垂直載荷過大時，輪胎產(chǎn)生很大的徑向變形，側(cè)偏剛度反而有所減小。輪胎的充氣壓力對側(cè)偏剛度也有顯著影響。隨著氣壓的增加，側(cè)偏剛度增大，但氣壓過高后剛度不再變化。行駛車速對側(cè)偏剛度的影響很小。當(dāng)縱向力相當(dāng)大時，側(cè)偏力顯著下降。因為此時接近附著極限，切向力已耗去大部分附著力，而側(cè)向能利用的附著力很少。由圖還可看出，這組曲線的包絡(luò)線接近于一橢圓，一般稱為附著橢圓附著橢圓。路面有薄水層時，由于滑水現(xiàn)象（hydroplaning）,會出現(xiàn)完全喪失側(cè)偏力的情況四、回正力矩四、回正力矩繞繞OZ軸的力矩軸的力矩 Tz是使轉(zhuǎn)向車輪回復(fù)到直線行駛位置的主要恢復(fù)力矩之一，稱為回回正正力力

13、矩矩?；卣厥怯山拥孛鎯?nèi)分布的微元側(cè)向反力產(chǎn)生的?；卣仄鹗紩r逐步增大，側(cè)偏角為4。6。時達到最大值；側(cè)偏角再增大，回正力矩下降，在10。16。時回正力矩為零。側(cè)偏角再大，回正力矩成為負(fù)值?；卣仉S垂直載荷的增大而增加。在同樣側(cè)偏角下,尺寸大的輪胎一般回正力矩較大。子午線輪胎的回正力矩比斜交胎大。輪胎的氣壓低，接地印跡長，輪胎拖距大，回正力矩也就大。地面切向反作用力對回正力矩也產(chǎn)生影響。隨著驅(qū)動力的增加,回正力矩大最大值后再下降。在制動力作用下，回正力矩不斷減少，到一定制動力時下降為零，其后便變?yōu)樨?fù)值。五、有外傾角時輪胎的滾動五、有外傾角時輪胎的滾動汽車兩前輪有外傾角，滾動時前軸以Fy的

14、力將兩前輪拉住沿同一方向滾動，與此同時輪胎接地面中產(chǎn)生一與Fy方向相反的側(cè)向反作用力，這就是外傾側(cè)向力外傾側(cè)向力FY 。根據(jù)輪胎坐標(biāo)系的規(guī)定，kr為負(fù)值稱作外傾剛度，單位為N/rad或N/（）（1）A、B、C為三條相互平行的直線，故可認(rèn)為在各種外傾角下，輪胎側(cè)偏剛度均為k。（2）側(cè)偏角為零時的地面?zhèn)认蛄Ρ闶峭鈨A側(cè)向力FY,圖5-19a是試驗得到的外傾側(cè)向力與外傾角的關(guān)系曲線，二者成線性關(guān)系，即 FY=k。當(dāng)外傾角為正值時（見A線），F(xiàn)Y 為負(fù)值。有外傾角時實驗所得輪胎側(cè)向力與側(cè)偏角的關(guān)系如下圖5-19。（3）地面?zhèn)认蛄榱銜r的側(cè)偏角就是由由外外傾傾角角產(chǎn)產(chǎn)生生的的側(cè)側(cè)偏偏角角，。當(dāng)外傾角為正值

15、時（見A線），為負(fù)值。（4）地面?zhèn)认蛄镕Y時的側(cè)偏角，等于外傾角為零時FY產(chǎn)生的側(cè)偏角0與由此外傾角產(chǎn)生的側(cè)偏角之和。如外傾角為正值（A線），側(cè)偏角=0-cf=0+。（5）有外傾角時的地面?zhèn)认蚍醋饔昧εc外傾角、側(cè)偏角的關(guān)系式為車輪有外傾角時還產(chǎn)生回正力矩。5-3 線性二自由度汽車模型對前輪角輸入線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應(yīng)的響應(yīng)一、線性二自由度汽車模型的運動微分方程一、線性二自由度汽車模型的運動微分方程二自由度汽車運動微分方程式為)1u()()(12121rrumkbkakkkwwb+=-+v.二二、前前輪輪角角階階躍躍輸輸入入下下進進入入的的汽汽車車穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)響響應(yīng)應(yīng)等等速速圓圓周

16、周行駛行駛常用輸出與輸入的比值，如穩(wěn)態(tài)時的橫擺角速度與前輪轉(zhuǎn)角之比來評價穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。這個比值稱為穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)橫橫擺擺角角速速度度增增益益，也稱為轉(zhuǎn)向靈敏度轉(zhuǎn)向靈敏度，以符號 表示。穩(wěn)定時橫擺角速度為定值，此時 =0，=0，以此代入（5-9）并解得穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益為 式中 K稱為穩(wěn)穩(wěn)定定性性因因數(shù)數(shù)，它是表征汽車穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一個重要參數(shù)，其單位為s2m-2。.v 1、中性轉(zhuǎn)向K=0時，即橫擺角速度增益與車速成線性關(guān)系，斜率為 。這種穩(wěn)態(tài)稱轉(zhuǎn)向特性稱為中中性性轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向向。它相當(dāng)于剛性車輪轉(zhuǎn)向。2、不足轉(zhuǎn)向當(dāng)K0時，式（5-11）分母大于1，橫擺角速度增益 比中性轉(zhuǎn)向時要小。不再與車速成線性關(guān)系。參看圖5-

17、25。具有這樣特性的汽車稱為不足轉(zhuǎn)向汽車不足轉(zhuǎn)向汽車。根據(jù)K值的正負(fù)，汽車穩(wěn)定轉(zhuǎn)向可分為三種類型。當(dāng)車速為 時，汽車穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益達到最大值，且其橫擺角速度增益為與軸距L相等的中性轉(zhuǎn)向汽車橫擺角速度增益的一半。uch稱作特征車速，當(dāng)不足轉(zhuǎn)向量增加時，K增大，特征車速uch降低。3、過多轉(zhuǎn)向 當(dāng)K0時，K0，為不足轉(zhuǎn)向，當(dāng)（a1-a2）=0，K=0，為中性轉(zhuǎn)向，當(dāng)（a1-a2）0時，K0時，R/R01，即不足轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向半徑總大于R0，且由式（5-16）可知，轉(zhuǎn)向半徑將隨車速增加而增大；K0時，R/R0，S.M.為正值。在質(zhì)心位置上作用的側(cè)向力引起的前輪側(cè)偏角1大于后輪側(cè)偏角2，汽車具有不

18、足轉(zhuǎn)向特性。當(dāng)質(zhì)心在中性轉(zhuǎn)向點之后時，S.M.為負(fù)值。在質(zhì)心位置上作用的側(cè)向力引起的后輪側(cè)偏角2大于前輪側(cè)偏角1，汽車具有過多轉(zhuǎn)向特性。三、三、瞬態(tài)響應(yīng)瞬態(tài)響應(yīng) 通過運動的起始條件，可求出積分常數(shù)C、A1、A2。最后得出給汽車前輪一個角階躍輸入時，汽車的橫擺角速度瞬態(tài)響應(yīng)表達式。見教材P126頁式（5-33）。通常也用瞬態(tài)響應(yīng)中的幾個參數(shù)來表征響應(yīng)品質(zhì)的好壞，這些參數(shù)是1、橫擺角速度r波動時的固有（圓）頻率r。0值是評價汽車瞬態(tài)響應(yīng)的一個重要參數(shù)。0值應(yīng)高些為好。圖5-31為一些歐洲及日本轎車的固有頻率f0（單位為 Hz ）與穩(wěn)定性因數(shù)K（單位為 s2/m2）值，固有頻率 。2、阻尼比 隨著車

19、速的提高，值減小；在穩(wěn)定性因數(shù)不變條件下，后輪胎側(cè)偏剛度增加，有助于 值的增大；質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、軸距減小，值亦有所增加。3、反應(yīng)時間 反應(yīng)時間是指角階躍轉(zhuǎn)向輸入后，橫擺角速度第一次到達穩(wěn)定值r0所需的時間。是評價汽車瞬態(tài)響應(yīng)的另一個重要參數(shù)。值應(yīng)小些為好。4、達到第一峰值r1時的時間 通常也用到達第一峰值r1時的時間，作為評定汽車瞬態(tài)橫擺響應(yīng)反應(yīng)快慢的參數(shù)。又稱為峰值反應(yīng)時峰值反應(yīng)時間間。輸出、輸入的幅值比是頻率f的函數(shù)，記為A（f），稱為幅幅頻頻特特性性。相位差也是f的函數(shù)，記為（f），稱為相頻特性相頻特性。兩者統(tǒng)稱為頻率特性頻率特性。在汽車操縱穩(wěn)定性中，常以前輪轉(zhuǎn)角或方向盤轉(zhuǎn)角sw為輸入，

20、汽車橫擺角速度r為輸出的汽車橫擺角速度頻率橫擺角速度頻率響應(yīng)特性響應(yīng)特性來表征汽車的動特性。四、橫擺角速度頻率響應(yīng)特性四、橫擺角速度頻率響應(yīng)特性 有人用橫擺角速度頻率特性上的五個參數(shù)來評定汽車操縱穩(wěn)定性，參看圖5-33，它們是：1）頻率為零時的幅值比，即穩(wěn)態(tài)增益；2）共振峰值頻率fr，fr值愈高，操縱穩(wěn)定性愈好；3）共振時的增幅比b/a，增幅比b/a應(yīng)小些；4）f=0.1Hz時的相位滯后角f=0.1，它代表緩慢轉(zhuǎn)動方向盤時響應(yīng)的快慢，這個數(shù)值應(yīng)接近于零；5）f=0.6，f=0.6Hz時的相位滯后角，它代表較快速度轉(zhuǎn)動方向盤時響應(yīng)的快慢其數(shù)值應(yīng)當(dāng)小些。思考與練習(xí)題：第五章 5.1，5.3，5.4，5.5，5.6，5.7，5.8，5.9第五章結(jié)束！