1、汽车操纵稳定性汽车操纵稳定性主要学习内容主要学习内容概述概述轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应n操纵性：能够及时和准确地反映驾驶员的主观操作，也就是汽车按照驾驶员的意图和要求改变汽车行驶方向和车速。n稳定性：汽车在行驶过程中能够抵抗外界干扰不发生侧滑侧翻的性能；汽车在外界干扰下抵抗干扰或迅速恢复原来行驶状态的性质。n上述二者的综合称为汽车的操纵稳定性。n操纵性的好坏实际上指的是汽车的运动参数与驾驶员要求的运动参数之间的接近程度和渐进过程。n稳定性的好坏实际上指的是汽车的运动参数与原来的运动参数之间
2、的接近程度和渐进过程。1 1 概述概述1 转向盘中间位置操纵稳定性 转向灵敏度、转向盘力特性 2、方向盘角阶跃输入下的稳态响应转向特性，方向盘角阶跃输入下的瞬态响应稳态横摆角速度增益转向灵敏度反应时间、横摆角速度波动的无阻尼圆频率3、横摆角速度频率响应特性共振峰频率、共振时的振幅比、相位滞后角、稳态响应4、回正性回正后剩余横摆角速度与剩余横摆角、达到剩余横摆角速度的时间5、转向半径最小转向半径6、转向轻便性：原地转向轻便性、低速行驶转向轻便性、高速行驶转向轻便性转向力与转向功7、直线行驶性：侧向风稳定性、路面不平度稳定性、微曲率弯道行驶性侧向偏移与转向操舵力矩梯度8、典型行驶工况性能：蛇行性能
3、、移线性能、双移线性能、方向盘转角、转向力、侧向加速度、横摆角速度、侧偏角、车速等9、极限行驶能力：圆周行驶极限侧向加速度、抗侧翻能力、发生侧滑时控制能力等极限侧向加速度、极限车速、回至原来路径所需时间汽车操纵稳定性的基本内容及评价所用的物理参数n 车辆坐标系 X方向：前进、倒驶绕X轴的转动：侧倾运动Y方向：侧向运动绕Y轴的转动：俯仰运动Z方向：垂直运动绕Z轴的转动：横摆运动 与操纵稳定性有关的主要运动参量：横摆角速度 、侧向速度 、侧向加速度 等等。ryan 稳态响应：汽车的时域响应不随时间变化；其特性通常可分为：不足转向、中性转向、过多转向三种。n 瞬态响应：汽车的时域响应随时间变化。图为
4、方向盘阶跃输入下的汽车瞬态响应，汽车的瞬态响应汽车二阶惯性环节特点：时间上的滞后；横摆角速度超调；横摆角速度的波动；进入稳态要经历时间。 瞬态响应包括两方面的问题开环控制系统：只把汽车本身作为研究对象，不允许驾驶员起任何反馈作用。人车闭环系统：把驾驶员与汽车作为统一的整体进行研究，驾驶员可以根据需要进行反馈控制。行驶方向稳定性，即能否达到稳态的问题；响应品质问题，即达到稳态前的响应特性问题。n 汽车操纵稳定性的两种评价方法汽车操纵稳定性的两种评价方法n方向盘阶跃输入下进入的稳态响应评价方向盘阶跃输入下进入的稳态响应评价 稳态横摆增益曲线稳态横摆增益曲线 、横摆角速度增益、横摆角速度增益（又称为
5、转向灵敏度）、稳定性因数（又称为转向灵敏度）、稳定性因数K K。aru/客观评价法通过测试仪器测出表征性能的物理参量如横摆加速度、侧向加速度、侧倾角及转向力等来评价操纵稳定性的方法。主观评价法让试验者根据自己的感觉进行评价，按规定的项目和评分方法进行评价。 ttrrr%)100/(0或n方向盘阶跃输入下的瞬态响应评价方向盘阶跃输入下的瞬态响应评价n 横摆角速度频率响应特性评价横摆角速度频率响应特性评价n 共振峰频率共振峰频率f f、1Hz1Hz时的相位滞后角。时的相位滞后角。瞬态横摆响应曲线 、反应时间、衰减振动圆频率。n轮胎的侧偏特性主要是指侧偏力、回正力矩与侧偏角间的关系。是研究操纵稳定性
6、的基础。2 轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性1）轮胎的坐标系2）轮胎的侧偏现象和侧偏力侧偏角曲线3）轮胎的结构、工作条件对侧偏特性的影响4）回正力矩绕OZ轴的力矩n 侧偏力 ：地面给车轮的侧向反作用力。YF2）轮胎的侧偏现象和侧偏力）轮胎的侧偏现象和侧偏力侧偏角曲线侧偏角曲线刚性轮 当车轮有侧向力作用时，当FY 没有达到附着极限时，车轮与地面没有滑动，车轮仍沿车身平面cc的方向行驶。当FY 达到附着极限时，车轮与地面有滑动，车轮有侧向行驶。n 侧偏现象：当车轮有侧向力作用时，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。这就是轮胎的侧偏现象。 弹性轮胎在侧性力作用时的运动状态n 侧偏
7、特性曲线：描述侧偏力侧偏角关系的曲线n 轮胎的最大侧偏力取决于附着条件，即垂直载荷，轮胎花纹、材料、结构尺寸、充气压力，路面的材料、结构、潮湿程度以及车轮的外倾角等。n 一般而言，最大侧偏力越大，汽车的极限性能越好。 称为侧偏角，k称为侧偏刚度。kFY在曲线线性段：n轮胎扁平率（H/B）n对侧偏特性的影响。3）轮胎的结构、工作条件对侧偏特性的影响）轮胎的结构、工作条件对侧偏特性的影响n 轮胎的垂直载荷对侧偏特性的影响侧偏刚度随垂直载荷的增大而增大，但垂直载荷过大，侧偏刚度反而会减小。n 轮胎气压对侧偏特性的影响气压增大，侧偏刚度增大，但气压过高，侧偏刚度不再变化。n 车速对侧偏刚度的影响很小。
8、n 切向力侧偏刚度的影响。n 路面状况对侧偏特性的影响。4）回正力矩绕OZ轴的力矩n 回正力矩的产生3 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应1）模型简化（1）忽略转向系的影响，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：z =0、 =0、 =0。（3）在特定条件下，u=常数，汽车只有侧向运动与横摆运动。（4）侧向加速度小于0.4g，轮胎侧偏特性属于线性范围。（5）忽略地面切向力对轮胎侧偏特向的影响。（6）忽略空气阻力的作用。（7）忽略左、右车轮垂直载荷变化对轮胎特性的影响。（8）忽略轮胎回正力矩的作用。yxn 简化模型
9、n 分析时，坐标系与汽车质心重合，这样，汽车质量分布参数，如转动惯量对于固结于汽车的坐标系就是常数。ox与oy为车辆坐标系的纵轴与横轴。质心速度v于t时刻在坐标轴上的分量为u、v。在t+t时刻，质心速度的大小与方向均发生变化，且坐标轴的方向也发生变化。n 二自由度方程建立沿ox轴速度分量的变化为：vuvvuuvvuuusinsincoscossin)(cos)(汽车质心绝对加速度在ox轴上的分量为：rdtddtdvyrdtddtduxuwvuavwuva同理： 做平面运动的汽车对车辆坐标系的微分方程式为：）（65coscos)(2121yyrzyyrbFFawIFFuwvmrrv awawvu
10、uu质心侧偏角且）（）（微分方程为：整理后的二自由度运动）式可改写为：（）（后车轮的侧偏角为：根据坐标系的规定，前95)()()()()(65122121211211212211221121rzrurrurzrubwubwvuawwIakwkbkabkakuwvmkwbkakkkwIbkakuwvmkkrrr2）前轮角阶跃输入下进入的汽车稳态响应）前轮角阶跃输入下进入的汽车稳态响应等速圆等速圆周运动周运动 n 稳态响应n 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。n 常用稳态横摆角度速度与前轮转角之比来评价稳态响应。这个比值称为稳态角速度增益，也称为转向灵敏度。n 稳态
11、时横摆角速度 r为定值，此时 汽车的运动微分方程变为： , 00rwv、0)(1)()(1)(122122112121akwkbkaubkakmuwkwbkakukkrrr消除v，便可求出稳态横摆角度增益：122221221/1/kbkaLmKKuLuukbkaLmLuwsr式中： K为稳定性因数，它是表征稳态响应的一个重要参为稳定性因数，它是表征稳态响应的一个重要参数。数。 n 稳态响应的三种类型 根据稳定性因数K，汽车的稳态响应可分为三类：中性转向：K=0， 此关系就是汽车以极低车速行而无侧偏角时的转向关系。LuWsr不足转向：K0，此时横摆角度增益比中性转向时小，是一条下弯的曲线。当横摆
12、角速度增益最大时， 称为特征车速，它是表征不足转向的一个参数。chchuKu,1过多转向：K0，此时横摆角速度增益比中性转向时大，是一条上弯的曲线。当横摆角速度增益趋于无穷大时， 称为临界车速。chchuKu,13）前轮角阶跃输入下的瞬态响应）前轮角阶跃输入下的瞬态响应 rZrrrwIakwkbkaubkakuwvmkwbkakukk122122112121)(1)()()(1)(n 运动方程211221221122121221221)(1)(1)(1)(bkakakwkbkauwIbkakakwkbkauwIwIakwkbkaubkakrrZrrZrZruvuvuv/,/2112212)(1
13、bkakakwkbkauwIrrZ2112212)(1bkakakwkbkauwIrrZubkakakwkbkauwIuvrrZ2112212)(1)()(1)(12121rruwvmkwbkakukk12122122122121212212)()()()()(muakkLkwukbkakkubkakbkakmuwkkIkbkamwumIrrZrZ10bbwcwhwmrrr1121021221212212/)()()(muakbkLkbukkLbkakmuckkIkbkamhmuImZZ 式中：102002BBwwwwwrrr/) 2/(/00020mbBmwhmcw 上式为单自由度强迫振动微
14、分方程，通常写作：上式为单自由度强迫振动微分方程，通常写作： 式中：11/ mbBo称为阻尼比称为固有频率 汽车前轮角阶跃输入时，前轮转角的数学表达式为： 002002Bwwwwwrrr00220001/srrwKuLuwBw02200rrrwwwww022002wsws这是二阶常系数非齐次微分方程。对应的齐次方程式为： 其通解可有特征方程式求得0,0,00,00ttt特解为两两个个不不同同实实根根，重重根根，一一对对共共轭轭复复根根，1111122ooooowwswsiwws根据 的数值。特征方程的根为：twwtwwrtwrotwrooooooeCeCweCCwtwCew1413212221
15、11sin1:，齐齐次次方方程程通通解解为为齐次方程的通解, 1) (twr0rwrw, 1)(twr0rw, 1)(twr0rw称为大阻尼， 单调上升，趋于 ，但车速超过临界车速后， 发散且趋于无穷称为临界阻尼， 单调上升且趋于称为小阻尼， 是一条收敛于 的减幅正弦曲线正常汽车都具有小阻尼的瞬态响应，与小阻尼对应的横摆角速度为：)1sin()(2020000twCewBtwtwr)sin()cos()()sin()(1000212000200020wteAwteAwBtwwtCewBtwwwtwtwrtwr或：则：令：)sin(11121)(02202022wteLkwmuawLkmuawt
16、wtwosrrZrrIakwvwt/000010，初始条件：横摆角速度波动时的固有（圆）频率22121211KumIkkuLmuIukLkbkakmumcwzzo0w 表征瞬态响应的参数 是评价汽车瞬态响应的一个重要参数。高些好。是评价汽车瞬态响应的一个重要参数。高些好。21212212221212212012122KukkmILkkIkbkamKumIkkLmIkkIkbkammwhzzzzz阻尼比阻尼比%165%112%100maxrorww8.05.04.0)/(3.31由此推算相应的阻尼比试验工况为gasmuy反应时间 2222020011arctan0sin0sinsinwwLkmu
17、awwtwtCewBwtwtCewBtwotwoortwoorroo所所以以：即即，故故：时时，当当所所需需的的时时间间第第一一次次达达到到稳稳态态值值的时间时达到第一峰值 1rw 20200000011arctanarctantan0tcossincossin000wwwwwwdttdwtwtwCetewtewCdttdwrtttr即：时，当近代轿车的 s59. 023. 0 瞬态响应的稳定条件汽汽车车横横摆摆角角速速度度才才收收敛敛换换言言之之，就就收收敛敛。时时，只只要要当当恒恒为为正正。为为负负数数，所所以以、式式中中为为正正，就就收收敛敛时时，只只要要当当，001121111sin120202121221200141321222oozztwwtwwrtwrotwrwwkkmuIIkkkbkamweCeCweCCwtwCewoooooo4） 横摆角速度频率响应特性横摆角速度频率响应特性 稳态增益a共振峰频率fr增幅比b/a f =0.1Hz 相位滞后角f =0.6 Hz 相位滞后角
