汽车发动机原理与汽车理论第16章课件.pptx

1、第一节概述第二节轮胎侧偏特性第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响 第四节汽车操纵稳定性与悬架、转向系统的关系第五节汽车操纵稳定性的道路试验第六节操纵稳定性的主动控制第十六章汽车的操纵稳定性应特性u汽车的操纵稳定性包含互相联系的两个部分,即操纵性和稳定性。操纵性是指汽车能够确切地响应驾驶人转向指令的能力;稳定性是指汽车受到外界干扰时保持稳定行驶的能力。两者很难断然分开,故统称为操纵稳定性。u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。操纵稳定性操纵稳定性第一节第一节 概述概述一、汽车操纵稳定性的内容一、汽车操纵稳定性的内容第一节第一节 概述

2、概述一、汽车操纵稳定性的内容一、汽车操纵稳定性的内容第一节第一节 概述概述二、人二、人汽车闭路系统汽车闭路系统驾驶人与汽车作为统一的整体,构成一个人汽车闭路系统。在汽车行驶中,驾驶人根据需要,操纵转向盘使汽车做一定的转向运动;同时驾驶人根据出现的道路、交通等情况和通过眼睛、手及身体感知到的汽车运动状况,经大脑的分析、判断,修正对转向盘的操纵,如此反复循环。第一节第一节 概述概述三、时域响应三、时域响应定义：汽车操纵稳定性的重要表征就是汽车的时域响应。分类：不随时间变化的稳态响应和随时间变化的瞬态响应。在转向盘角阶跃输入下,进入以等横摆角速度做圆周运动的稳定过程称为稳态响应。而进入稳态响应前的过

3、渡过程称为瞬态响应。第一节第一节 概述概述三、时域响应三、时域响应评价汽车瞬态响应的指标有:反应时间：在转向盘角阶跃输入下，汽车的横摆角速度不能立即达到r0,而要经过时间(单位为s)后才能第一次达到r0。滞后时间 称为反应时间。执行上的误差：设最大横摆角速度为r1,则该误差定义为(r1/r0)100%,也称为超调量。横摆角速度的波动：这种波动主要是指在瞬态响应中,横摆角速度r在r0值上下波动的频率0。进入稳态所经历的时间：横摆角速度达到稳态值95%105%时即进入稳态响应,这段时间称为稳定时间,即进入稳态所经历的时间。第一节第一节 概述概述三、时域响应三、时域响应汽车瞬态响应的问题:u稳定性问

4、题,即给汽车以转向盘角阶跃输入后,汽车能否达到新的稳定状态;u响应品质问题,即达到新的稳定之前其瞬态响应特性如何。个别汽车也有可能出现横摆角速度r不能收敛的情况,即r越来越大,转向半径R越来越小,由于急剧增加的离心力,汽车将发生侧滑甚至翻倒。第一节第一节 概述概述四、汽车操纵稳定性的评价四、汽车操纵稳定性的评价汽车的性能评价有主观评价和客观评价两种方法。主观评价就是感觉评价,其方法是让试验评价人员根据自己的感觉进行评价,并按规定的项目和评分办法进行评分。客观评价法是通过测试仪器测出表征性能的物理量来评价操纵稳定性的方法。研究汽车本身特性的开路系统试验只采用客观评价法,研究人汽车闭路系统的试验则

5、同时采用主观评价和客观评价两种方法。第一节第一节 概述概述四、汽车操纵稳定性的评价四、汽车操纵稳定性的评价在客观评价试验中作为评价汽车操纵稳定性的特性曲线与评价指标主要有:a)转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应。b)稳态横摆增益曲线 -ua、横摆角速度增益(又称转向灵敏度)、稳定性因数K。c)转向盘角阶跃输入下的瞬态响应。d)瞬态横摆响应曲线r-t 或r/r0100%-t、反应时间 、衰减振动圆频率。e)横摆角速度频率响应特性f)共振峰频率f为1Hz时的相位滞后角。sr侧偏特性：侧偏力、回正力与侧偏角的关系xyzXFZFYF回回正正力力矩矩zTxT翻翻转转力力矩矩yT外外倾倾角角yF侧偏角侧偏角

6、一、轮胎坐标系一、轮胎坐标系车轮平面第二节第二节 轮胎侧偏特性轮胎侧偏特性图16-3轮胎坐标系第二节第二节 轮胎侧偏特性轮胎侧偏特性取垂直于车轮轴线的轮胎中分平面为车轮平面;坐标原点为车轮平面和地面的交线与车轮旋转轴线在地平面上投影线的交点;X轴为车轮平面与地平面的交线,规定向前为正;Z轴与地平面垂直,规定向上为正;Y轴在地平面上,规定面向车轮前进方向时指向左方为正。侧偏角是轮胎接地印迹中心(即坐标原点)位移方向与X轴的夹角,图示方向为正;外倾角是垂直平面(XOZ)与车轮平面的夹角,图示方向为正。一、一、轮胎坐标系轮胎坐标系第二节第二节 轮胎侧偏特性轮胎侧偏特性二、轮胎的侧偏现象与特性二、轮胎

7、的侧偏现象与特性汽车在行驶过程中,若受到侧向力FY的作用,则相应地在地面上产生地面侧向反作用力,即侧偏力FY。当车轮为刚性时,若侧偏力FY未超过车轮与地面间的附着极限,则车轮与地面间没有滑动,车轮仍沿其本身平面的方向行驶,如图16-4所示;若侧偏力FY达到车轮与地面间的附着极限,则车轮发生侧向滑动,车轮按合成速度u方向行驶。当车轮有侧向弹性时,即使FY没有达到附着极限,车轮行驶方向也将偏离 方向,这就是轮胎的侧偏现象。为了分析弹性车轮有侧向变形时的滚动轨迹,在轮胎中心线上标出a、b、c、d、各点,如图16-6所示。若车轮未受侧向力作用而滚动时,a、b、c、各点将依次落在地面上a1、b1、c1、

8、各点。车轮沿 方向运动。若车轮在侧向力作用下滚动。则a、b、c、各点将依次落在a、b1、c1、上,车轮在路面上的运动轨迹af 1相对方向 偏离了角度,即产生侧向偏离。角称为弹性车轮的侧偏角。图16-4刚性车轮的滚动图16-5弹性车轮的侧向变形第二节第二节 轮胎侧偏特性轮胎侧偏特性cc第二节第二节 轮胎侧偏特性轮胎侧偏特性图16-6轮胎的侧偏现象图16-7侧偏特性曲线图16-7为侧偏力侧偏角曲线。曲线表明,侧偏角不超过34时,可以认为FY与成线性关系,随着侧偏力的增大,侧偏角也增大。侧偏角增至某一数值后(=10),由于轮胎与路面开始局部滑移,侧偏角增长加快,当侧偏力等于附着力时,车轮发生侧滑。汽

9、车正常行驶时,侧偏角一般不超过45,故认为侧偏力与侧偏角成线性关系,即FY=k(16-1)式中,k为FY曲线在=10时的斜率,称为侧偏刚度。尺寸相同的子午线轮胎比斜交轮胎的侧偏刚度大;同一型号、同一尺寸的轮胎,帘布层数越多,帘线与车轮平面的夹角越小,气压越高,侧偏刚度越大。第二节第二节 轮胎侧偏特性轮胎侧偏特性由图可知，地面切向反作用力的大小和方向对侧偏刚度也有影响。由试验得到的曲线(见图16-8)表明,在一定的侧偏角下,驱动力或制动力增加时,侧偏力逐渐有所减小,这是因为轮胎侧向弹性有所改变的原因。当纵向力相当大时,侧偏力显著下降。因为此时接近附着极限,大部分附着力已被切向力耗掉,而能被侧向利

10、用的部分却很少。最大侧偏力的影响因素总结最大侧偏力的影响因素总结附着条件附着条件 及垂直载荷及垂直载荷F FZ Z轮胎胎面花纹、材料、结构、轮胎胎面花纹、材料、结构、充气压力充气压力路面材料、结构、潮湿程度路面材料、结构、潮湿程度车轮外倾角车轮外倾角第二节第二节 轮胎侧偏特性轮胎侧偏特性由图可知，地面切向反作用力的大小和方向对侧偏刚度也有影响。由试验得到的曲线(见图16-8)表明,在一定的侧偏角下,驱动力或制动力增加时,侧偏力逐渐有所减小,这是因为轮胎侧向弹性有所改变的原因。当纵向力相当大时,侧偏力显著下降。因为此时接近附着极限,大部分附着力已被切向力耗掉,而能被侧向利用的部分却很少。第二节第

11、二节 轮胎侧偏特性轮胎侧偏特性三、回正力矩三、回正力矩 回正力矩是由接地面内分布的微元侧向反力产生的。由图16-5可知,受到侧向力作用的车轮,在静止时,印迹长轴线 与车轮平面 平行错开h,即印迹长轴线上 各点的横向变形均为h,故可认为此时地面侧向反力是沿 线均匀分布的。如图16-9a所示;车轮滚动时,形成了侧偏角,因而印迹前端离车轮平面近,即侧向变形小,印迹后端离车轮平面远,即侧向变形大,可以认为地面微元侧向反力的分布与变形成正比,故地面微元侧向反力的分布情况如图16-9b所示。其合力FY的大小与侧向力Fy相等,但其作用点则向接地印迹几何中心后偏移距离e,称为轮胎拖距,FYe就是回正力矩TZ。

12、aaccaaaaccccccccaaaaaaaaeYFYzeFT uyFzTYFYFYF图16-9回正力矩的产生三、回正力矩三、回正力矩第二节第二节 轮胎侧偏特性轮胎侧偏特性三、回正力矩三、回正力矩可以看出,回正力矩在46时达到最大值,而在1016时为零。侧偏角大到一定程度后,回正力矩成为负值。试验表明：p回正力矩随法向载荷的增大而增大;p当侧偏角相同时,轮胎回正力矩与其尺寸成正比;p子午线轮胎回正力矩比斜交轮胎的大;p轮胎的气压低,接地印迹长,轮胎拖距大,回正力矩也大;p随着驱动力的增加,回正力矩增大到最大值后又下降;p在制动力作用下,回正力矩不断减小,直至变为负值。图16-10轮胎的回正力

13、矩侧偏角曲线第二节第二节 轮胎侧偏特性轮胎侧偏特性四、有外倾角时轮胎的滚动四、有外倾角时轮胎的滚动如图16-11所示,具有外倾角的汽车,其两前轮有绕各自旋转轴线与地面的交点O滚动的趋势。若不受约束,将犹如发生侧偏一样偏离正前方而各自向左、右侧滚动。实际上,由于前轴的约束,两个车轮只能一起向前行驶。因此车轮中心必有一侧向力Fy作用,使其保持向前滚动,由此产生的轮胎接地面侧向反作用力称为外倾侧向力FY。试验证明,外倾侧向力与外倾角成线性关系,即FY=k(16-2)式中,k为外倾刚度,按轮胎坐标系规定为负值。图16-11车轮外倾角与外倾侧向力第二节第二节 轮胎侧偏特性轮胎侧偏特性四、有外倾角时轮胎的

14、滚动四、有外倾角时轮胎的滚动 外倾角为正、零和负时,在小侧偏角范围内的侧偏特性曲线如图16-12所示。它表明:图16-12有外倾角时轮胎的侧偏特性(小侧偏角范围内)1)在各种外倾角下轮胎侧偏刚度均为k。2)侧偏角为零时的地面侧向力即为外倾侧向力FY。当外倾角为正时,FY为负值。3)地面侧向力为零时的侧偏角就是由外倾角产生的侧偏角=-。当外倾角为正时,为负值。4)地面侧向力为FY时的侧偏角,等于外倾角为零时FY产生的侧偏角0与由此外倾角产生的侧偏角之和。如外倾角为正时,侧偏角=0-cf=0+0。侧偏角为时的地面侧向反力FY=cd+de,即FY为外倾角等于零时的侧偏力与外倾侧向力之和。因此,有外倾

15、角时的地面侧向反力与外倾角、侧偏角的关系为FY=FY+FY=k+k (16-3)式中,FY为只有侧偏角而外倾角为零时的侧偏力;FY为只有外倾角而侧偏角为零时的外倾侧向力。kk 忽略转向系的影响，以前轮转角作为输入；忽略转向系的影响，以前轮转角作为输入；汽车只进行平行于地面的平面运动，而忽略悬架汽车只进行平行于地面的平面运动，而忽略悬架的作用；的作用；汽车前进（纵轴）速度不变，只有沿汽车前进（纵轴）速度不变，只有沿y y轴的轴的侧向侧向速度和绕速度和绕z z轴的横摆运动轴的横摆运动(a ay y0.4g)0时的二阶常系数非齐次微分方程为：正常汽车都具有小阻尼(1)的瞬态响应,所以下面只给出在角阶

16、跃输入后,1时的横摆角速度r(t)的变化规律三、前轮角阶跃输入下的瞬态响应三、前轮角阶跃输入下的瞬态响应显然,当t时，,即为前述的稳态响应;当0t时为瞬态响应,r(t)是衰减的正弦函数,衰减的快慢与阻尼比有关。四、横摆角速度频率响应特性四、横摆角速度频率响应特性图16-17横摆角速度频率特性p横摆角速度频率响应特性是指汽车以前轮转角 或以转向盘转角sw为输入,横摆角速度r为输出的频率响应特性。p实际汽车的横摆角速度频率特性是通过转向盘角脉冲输入瞬态响应试验求得的,如图16-17所示。第三节第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应特性线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应特性四、横摆角速度

17、频率响应特性四、横摆角速度频率响应特性用于评价汽车操纵稳定性的频率特性参数有:u频率趋近于零时的幅值比,即稳态增益a。u共振频率fr,fr越高,操纵性能越好。u共振时的幅值比b/a,b/a越小越好。uf=0.1Hz时的相位滞后角f=0.1,它表示缓慢转动转向盘时响应的快慢,其值应接近于零。uf=0.6Hz时的相位滞后角f=0.6,它表示快速转动转向盘时响应的快慢,其值应接近于零。二自由度模型忽略了前、后轴及左、右轮载荷变二自由度模型忽略了前、后轴及左、右轮载荷变化、车轮外倾角、悬架导向杆系及变形对轮胎侧偏角化、车轮外倾角、悬架导向杆系及变形对轮胎侧偏角的影响。因此，轮胎弹性侧偏角绝对值的大小取

18、决于的影响。因此，轮胎弹性侧偏角绝对值的大小取决于整车质心位置和轮胎无外倾角也无载荷变化下的侧偏整车质心位置和轮胎无外倾角也无载荷变化下的侧偏刚度刚度。1.2.3.弹性侧偏角：垂直载荷与外倾角变动产生的弹性侧偏角。侧倾转向角：侧向力使车厢外倾导致转向杆系运动而产生的前轮平面绕主销的转动。变形转向角：侧向力使车厢外倾导致悬架导向杆系变形而产生的后轮平面绕垂直地面轴线的转动。121212222121211221()()11()()yyyYYyyamaLLLLmKLkkL akkFFLakkLa与 的关系2112YyYymLFaLmLFaL121212000000KKK12yKa L0/RR2u中中

19、性性转转向向不不足足转转向向过过多多转转向向,0021RR10210RR 1200RR201RKuR 第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架、转向系统的关系汽车操纵稳定性与悬架、转向系统的关系一、侧倾转向一、侧倾转向图16-18车厢侧倾由车厢侧倾所引起的前转向轮绕主销的转动、后轮绕垂直于地面轴线的转动车轮转向角的变动,称为侧倾转向,也称为轴转向。由于车轴及车轮绕垂直轴转动的效果与轮胎发生弹性侧偏角后的效果是一样的,所以侧倾转向又称为运动学侧偏。图16-19纵置半椭圆板簧悬架的轴转向第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架、转向系统的关系汽车操纵稳定性与悬架、转向系统的关系一、侧倾转向一、侧倾转向常见的纵

20、置半椭圆板簧悬架简图如图16-19所示。M点为固定吊耳销子轴线,N点为活动吊耳销子轴线,a0为车轴中心。主片中心线至吊耳中心距离为e,固定吊耳至骑马螺栓的距离为l,则位于线上且距M点l/4处的Q点,即为悬架发生变形时a0点的摆动中心(而不是M点)。第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架、转向系统的关系汽车操纵稳定性与悬架、转向系统的关系一、侧倾转向一、侧倾转向p在Fsy的作用下,外侧悬架在a0绕Q点以r为半径转至a1点；内侧悬架由a0转至a2点。此时车轴位置由 决定,相对汽车车厢转过角度,汽车的后轴若为这种情况,侧倾转向的效应使汽车趋向不足转向;若前轴为这种情况,则将趋向过多转向。12a ap车轴

21、转角与车厢侧倾角r的关系为rdd式中，为车厢侧倾引起的侧倾转向角变化率,称为侧倾转向系数。第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架、转向系统的关系汽车操纵稳定性与悬架、转向系统的关系图16-20纵置半椭圆板簧悬架产生的侧倾转向由图16-20可知上式表明,在车厢侧倾角不大时,侧倾转向角是车厢侧倾角r和 连线与地平线夹角正切的乘积。(和 分别代表压缩侧和伸张侧的板簧。)0Qa11Q a22aQOm nk0aralaZlF侧倾力作用结果无侧倾力作用变形转向：悬架导向杆系元件在各种力和力矩作用下的弹性变形可能引起车轮围绕主销或垂直地面的轴线的转动。YF1000YcYFFYF侧向力变形转向系数二、变形转向二、

22、变形转向第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架、转向系统的关系汽车操纵稳定性与悬架、转向系统的关系zTzTzTzT2a1a1100NTTTN回正力矩变形转向系数回正力矩系数在回正力矩作用下，车轮和悬架杆系均发生变化侧倾时，转向系统与悬架的运动干涉将引起转向轮侧倾干涉转向。三、转向系统与汽车横摆角速度稳态响应的关系三、转向系统与汽车横摆角速度稳态响应的关系1、倾斜时转向系统与悬架的运动干涉图16-22纵置半椭圆板簧前悬架与转向系统的运动干涉转向系刚度：由转向盘至转向车轮之间，包括转向机、传动杆系、固定座在内的刚度。在一定的转向盘转角下，转向系刚度低，前转向轮的变形转向角大，增加了汽车的不足转向趋势；

23、反之，若刚度大，则不足转向的趋势变小。为了获得良好的路感，转向系的刚度应高一些。特别是在转向盘在中间位置小转角范围内应有尽可能高的刚度。2、转向系统刚度与转向车轮的变形转向第五节汽车操纵稳定性的道路试验一、试验条件)试验应在平坦、干燥、清洁的水泥或沥青路面的场地上进行，场地在任意方向的坡度不大于.。)试验风速不大于。)所有对试验结果有影响的零部件均应经过检查、紧固和调整，特别是转向系和悬架机构的各零部件。)所用轮胎和车辋型式及大小必须满足有关要求。)试验应在汽车轻载及额定满载两种状态下进行二、试验项目和试验方法.转向轻便性试验图-双纽线路径二、试验项目和试验方法.转向轻便性试验(1)试验目的：

24、测定汽车在低速大转弯时的转向轻便性。试验前以明显的颜色在试验场地上画出双纽线路径,并放置24个标桩,如图16-23所示。双纽线的画法及有关数据见表16-2。(2)试验方法：汽车以低速直线滑行,驾驶人松开转向盘,停车后,记录仪器记下转向盘中间位置及力矩为0的讯号。汽车以(151)km/h的车速通过双纽线路径,待车速稳定后,开始记录转向盘转角及力矩M,并记录车速u作为监督参数。汽车绕双纽线路径行驶满三周后,停止记录。Rmin=7m双纽线路径Rmin=10m双纽线路径画线参考方框AB、CDBD、ACBC、AD10m10m14.142m10m10m14.142m双纽线中心至顶点距离a21m30m标桩至

25、路线中心线距离e车宽一半加30cm车宽一半加30cm标 桩 位 置df12m1m18m1m双纽线轨迹点坐标C1x1,y12,1.964m2,1.982mC2x2,y24,3.7364,3.864C3x3,y36,5.1956,5.569C4x4,y48,6.2958,7.047C5x5,y510,7.02510,8.272C6x6,y612,7.38512,9.244C7x7,y714,7.35614,9.956C8x8,y816,6.87416,10.410C9x9,y918,5.81018,10.598C10 x10,y1020,3.59820,10.504C11x11,y1120.5,2

26、.60422,10.104C12x12,y1221,024,9.333C13x13,y1326,8.073C14x14,y1428,6.018C15x15,y1529,4.359x16,y1630,表16-2双纽线路径的画法及数据.汽车稳态回转试验定转弯半径法试验目的：以若干个固定车速,通过某一半径确定的圆弧,测量在不同侧向加速度下转向盘转角的大小。试验前,在试验场地上用明显颜色画出中心线为30m的圆弧形试验路径,如图16-25所示。图16-24M-曲线.汽车稳态回转试验定方向盘转角、连续加速法()试验目的将方向盘转过某一角度后，固定不变，汽车连续加速直至达到所需的侧向加速度，测定汽车车速及横

27、摆角速度等参量，求出转弯半径随侧向加速度变化的特性。()试验方法先使轮胎升温，之后汽车以最低速度沿所画圆周行驶，待拖挂于汽车后部中点的第五车轮在半圈内都能对准地面上所画的圆周时，固定方向盘不动，汽车停车，启动记录仪器，记录下各变量的零线。.汽车稳态回转试验定方向盘转角、连续加速法图16-25圆弧形试验路径.汽车回正能力试验)试验目的回正试验是表征和测定汽车从曲线行驶自行回复到直线行驶的过渡过程，是测定自由操纵力输入的基本性能试验。)试验方法中速回正试验：汽车沿半径为()的圆周行驶，调整车速，当侧向加速度达到(.)时，稳定，然后突然松开方向盘，记录松开后内各变量的变化。.汽车蛇行试验图-蛇行路线第六节操纵稳定性的主动控制.四轮转向系统()图-车二自由度模型.主动侧倾控制()通常将传统的由弹簧、减振器、稳定杆及控制臂等组成的悬架称为被动悬架，而将包含力发生器(或作动器)的悬架称为主动悬架，因为它不是被动地吸收和贮存能量，而是可以根据需要按照人为的控制规则消耗或释放能量，从而提高乘坐舒适性和操纵稳定性。.汽车动力学控制()汽车动力学控制()系统是一种新型主动安全控制系统，它安装在车辆的制动系和动力传动系内，利用车辆力学状态变量反馈来调节各轮上纵向力的大小匹配，从而可以使车辆获得优良的操纵稳定性。