1、-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 4-5 汽车的侧翻汽车的侧翻1.1.曲线运动引起的侧翻曲线运动引起的侧翻(maneuver induced(maneuver induced rollover)rollover)指汽车侧向加速度超过一定限值指汽车侧向加速度超过一定限值,使得汽使得汽车的内侧车轮的垂直载荷为零车的内侧车轮的垂直载荷为零,而引起的侧而引起的侧翻翻.2.2.绊倒侧翻绊倒侧翻(tripped rollover)(tripped rollover)指汽车产生侧向滑移与路面上的障碍物指汽车产生侧向滑移与路面上的障碍物侧向撞击侧向撞击,而将其绊倒而将其绊倒.倾侧翻类型倾侧翻类型-汽车转
2、向系统动力学汽车转向系统动力学 4-5 汽车的侧翻汽车的侧翻刚性汽车刚性汽车:指不考虑悬架及轮胎的弹性变形指不考虑悬架及轮胎的弹性变形.准静态准静态 :指稳态转向指稳态转向.刚性汽车的准静态侧刚性汽车的准静态侧翻翻12cossincos0ygzigma hF BmghBmg12yzigaFBgmgh-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 4-5 汽车的侧翻汽车的侧翻刚性汽车的准静态侧刚性汽车的准静态侧翻翻当当 时时,若要使若要使 则有则有高速公路拐弯处的坡道角就是根据此原理设计的高速公路拐弯处的坡道角就是根据此原理设计的.0yamgFzi21gvgay212yzigaFBgmgh-汽车转向系统
3、动力学汽车转向系统动力学 当当 F Fzizi=0=0 时时,汽车开始侧翻时的侧向加速度汽车开始侧翻时的侧向加速度(g)(g)2ygaBgh2ygaBgh当当 ay=0 时时:ghB2035侧翻阈值侧翻阈值(rollover threshold)4-5 汽车的侧翻汽车的侧翻当当=0时时:汽车抗侧翻能力汽车抗侧翻能力汽车不发生侧翻的静态极限角汽车不发生侧翻的静态极限角.GB7258 规定规定-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 保证只能发生侧滑保证只能发生侧滑,不会发生侧翻的条件不会发生侧翻的条件:发生侧滑时发生侧滑时:cossinyFGG 路面侧向附着系数当当 时时,只可能发生侧滑只可能发生
4、侧滑,不会发生侧翻不会发生侧翻ghB24-5 汽车的侧翻汽车的侧翻tg-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 带悬架汽车的准静态侧翻带悬架汽车的准静态侧翻平衡方程为平衡方程为:0)(20BFhhBgmhamMzirgrsgys设设侧倾柔度侧倾柔度为为:)/(gradRyraR 当当 F Fzizi=0=0时时,得侧翻阈值为得侧翻阈值为:121(1/)ygrgaBghRhh4-5 汽车的侧翻汽车的侧翻-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 汽车的瞬态侧翻汽车的瞬态侧翻 1.前轮阶跃输入下的侧倾响应前轮阶跃输入下的侧倾响应4-5 汽车的侧翻汽车的侧翻 汽车的侧倾角在初次达汽车的侧倾角在初次达到稳态
5、值后有一个超调量到稳态值后有一个超调量,说明汽车侧倾角的瞬态响应说明汽车侧倾角的瞬态响应中有一个比准静态更小的侧中有一个比准静态更小的侧翻阈值翻阈值,即在更小的侧向加即在更小的侧向加速度速度a ay y时时,内侧车轮就可能内侧车轮就可能离地了。离地了。-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 对轿车和多用途车辆对轿车和多用途车辆而言而言:阶跃转向时的侧翻阶跃转向时的侧翻阈值比准静态的值约低阈值比准静态的值约低30%,30%,而货车约低而货车约低50%.50%.超调量的大小取决于超调量的大小取决于侧倾阻尼。无阻尼时侧倾阻尼。无阻尼时,侧侧倾阈值最小；随阻尼比的倾阈值最小；随阻尼比的增加增加,侧倾阈
6、值也增大侧倾阈值也增大,但但增大的速率逐渐减小。增大的速率逐渐减小。4-5 汽车的侧翻汽车的侧翻-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 2.2.前轮脉冲输入下的侧倾响应前轮脉冲输入下的侧倾响应 此时此时,汽车的侧翻阈值取决于输入频率汽车的侧翻阈值取决于输入频率.当频率为零时当频率为零时,侧侧翻阈值接近带悬架汽车的准静态之值翻阈值接近带悬架汽车的准静态之值;随频率的增加随频率的增加,侧翻阈侧翻阈值减少值减少,直至侧倾共振频率时达到最小直至侧倾共振频率时达到最小,然后又迅速增大然后又迅速增大.对于重型货车对于重型货车,侧倾共振频率低于侧倾共振频率低于 1 HZ,1 HZ,轿车和轿车和MPVMPV车
7、的侧倾共振频率车的侧倾共振频率为为1.5 HZ1.5 HZ以上以上.在高速公路上在高速公路上,驾驶员更改车道驾驶员更改车道的操舵频率通常在的操舵频率通常在0.5HZ0.5HZ左右左右,所以所以,货车较易侧翻货车较易侧翻,轿车不易侧翻轿车不易侧翻.4-5 汽车的侧翻汽车的侧翻-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 4-6 提高操纵稳定性的电子控制系统提高操纵稳定性的电子控制系统电子控制系统电子控制系统 VSC 车辆稳定性控制系统 VDC 车辆动力学控制系统 ABS 制动防抱 TCS 驱动力控制系统 4WS 四轮转向 EMCD 电子磁控有限差速作用差速器-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 4-
8、6 提高操纵稳定性的电子控制系统提高操纵稳定性的电子控制系统各种电子控制系统的有效工作范围各种电子控制系统的有效工作范围 4WS的有效工作范围是附着圆中心部位，即侧向力，纵向力较小的轮胎特性线性区域 TCS的有效工作区是大驱动力附近的极限区域 ABS在大制动力附近的极限区域 VSC在大侧偏力的极限区域 其余几种系统的有效工作区域均在较大地面反作用力的轮胎特性非线性区D:driving force distributionB:braking force distributionR:roll stiffness distribution-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 4-6 提高操纵稳定性
9、的电子控制系统提高操纵稳定性的电子控制系统间接横摆力矩控制间接横摆力矩控制 前轮驱动：强不足转向特性 后轮驱动：过多转向特性 四轮驱动：不足转向特性三种不同驱动形式对弯道行驶的影响冰雪路面 R=20m V0=20km/h固定方向盘，加速1s以后的情况-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 4-6 提高操纵稳定性的电子控制系统提高操纵稳定性的电子控制系统间接横摆力矩控制间接横摆力矩控制4WD前后轮间切向力分配比例控制ac-前轴驱动力与整车驱动力之比 FWD：强不足转向特性 RWD：弱不足转向特性-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 4-6 提高操纵稳定性的电子控制系统提高操纵稳定性的电子控制系
10、统间接横摆力矩控制间接横摆力矩控制4WD前后轮间切向力分配比例控制 ETS 4WD：保持中性转向特性-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 4-6 提高操纵稳定性的电子控制系统提高操纵稳定性的电子控制系统Fy1+Fy2=mayFy1a-Fy2b=Izr稳态行驶：Fy1a-Fy2b=0如果加一横摆力矩，则Fy1aFx2B-Fy2b=0Fx2减小不足转向量直接横摆力矩控制直接横摆力矩控制（Direct Yaw Moment Control）-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 4-6 提高操纵稳定性的电子控制系统提高操纵稳定性的电子控制系统直接横摆力矩控制直接横摆力矩控制（Direct Yaw
11、Moment Control）（改变内外侧车轮驱动力分配比例提高极限工况下弯道行驶能力）a:一般行驶 b:有横摆力矩作用，加速行驶，Fy1减小Fy1*aFx2*B-Fy2*b=Iz*r-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 4-6 提高操纵稳定性的电子控制系统提高操纵稳定性的电子控制系统极限工况下前轴侧滑与后轴侧滑的特点极限工况下前轴侧滑与后轴侧滑的特点(仿真计算）仿真计算）-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 4-6 提高操纵稳定性的电子控制系统提高操纵稳定性的电子控制系统极限工况下前轴侧滑与后轴侧滑的特点极限工况下前轴侧滑与后轴侧滑的特点(仿真计算）仿真计算）通过正弦转向角输入可以出现后
12、轴侧滑汽车激转的极限工况。下图给出了起始车速120km/h，频率为0.6Hz的转向角正弦(一个周期)输入下的响应。1）当正弦输入转向角超过一定数值后，汽车质心侧偏角、前轮侧偏角、后轮侧偏角突然迅速增大，汽车失去稳定性2）汽车是否稳定决定于汽车（质心侧偏角与汽车侧偏角速度。稳定的条件可以近似地表现为：C1+C21.0式中，为质心侧偏角；为质心侧偏角速度；C1、C2为常系数。-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 4-6 提高操纵稳定性的电子控制系统提高操纵稳定性的电子控制系统转向角增加，侧偏角增加，但饱和后，转弯半径不再减少，因为轮胎的侧偏角有最大值，一般10多度极限工况下的侧滑特点：极限工况下
13、的侧滑特点：(侧偏角与转弯半径的变化）侧偏角与转弯半径的变化）-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 4-6 提高操纵稳定性的电子控制系统提高操纵稳定性的电子控制系统斜阶跃下前轮侧偏角与汽车转弯半径的关系斜阶跃下前轮侧偏角与汽车转弯半径的关系转向盘的转速：0.025 rad/s(14.325/s）-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 4-6 提高操纵稳定性的电子控制系统提高操纵稳定性的电子控制系统横摆力矩及制动力的控制效果横摆力矩及制动力的控制效果(仿真计算）仿真计算）在极限工况下，对每一个车轮都进行主动的制动力控制，效果是最好的。这是由于一方面它可以利用左、右侧车轮制动力之差直接构成横摆力
14、矩另外还可以利用制动力之和控制汽车纵向减速度的缘故正弦输入的最大转角为0.18rad(10.3)，频率为0.6Hz，外力偶矩或外力是在正弦输入开始之后1.5s加上去的。由图可知，向外侧的外加横摆力偶矩可以显著地减少最大侧偏角，而外加纵向（减速）力则无影响。这是由于外加纵向力作用时前、后轴垂直载荷发生变化引起的向内的横摆力矩与车速降低稳定性提高的正面作用相互抵消的缘故。-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 4-6 提高操纵稳定性的电子控制系统提高操纵稳定性的电子控制系统横摆力矩及制动力的控制效果横摆力矩及制动力的控制效果(仿真计算）仿真计算）斜阶跃转向角输入下，向内侧的外加横摆力偶矩或外加纵向
15、减 速力作用于汽车时，汽车质心的最大侧偏角及转向半径变化的情况。阶跃输入的转向角为 0.25rad(14.3),外力偶矩或外纵向力是在斜阶跃开始后1s作用在汽车上的。由图可知外力偶矩M与外纵向减速力Fx对减小转向半径都是有效的。不过，大一些的（向内侧的）外力偶矩会使汽车失去稳定性；而外纵向力的大小则对稳定性无影响。还可以看出由于外纵向力使汽车减速，随着时间的增大，外纵向力的影响加大。-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 4-6 提高操纵稳定性的电子控制系统提高操纵稳定性的电子控制系统各个车轮制动力控制的效果各个车轮制动力控制的效果1、后轮侧滑前外轮加制动力2、前轮侧滑，要加一个 inward
16、 yaw moment;前后内轮与后外轮都可以考虑。但是，当制动力大时，横摆力矩的变化会突然。要产生大的制动力是困难的3、因为前外轮垂直载荷大，要加大的制动力于它是合适的。-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 4-6 提高操纵稳定性的电子控制系统提高操纵稳定性的电子控制系统各个车轮制动力控制的效果各个车轮制动力控制的效果当后轴要侧滑之际，可在前外轮上施加制动力，产生一向外侧的横摆力矩。发生前轴侧滑，应施加适度向内侧的横摆力矩和制动力。制动前内轮、后内轮或后外轮均能产生向内侧的横摆力矩，但是这三项横摆力矩随制动力的加大，或迅猛增大，或变为负值，或先是负值然而再重新增大。所以，当作用较大制动力时
17、，很难利用其中的一个车轮来进行控制，只能合理地将制动力分配到每个车轮，以求获得恰当的横摆力矩和总制动力以提高路径跟踪性能。-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 4-6 提高操纵稳定性的电子控制系统提高操纵稳定性的电子控制系统各个车轮制动力控制的效果各个车轮制动力控制的效果施加小制动力时，可以利用单个车轮进行控制。右图是对每个车轮单独施加500N制动力时转向半径随时间变化的曲线。可以看出，在后内轮施加制动力的效果最好。-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 4-6 提高操纵稳定性的电子控制系统提高操纵稳定性的电子控制系统各个车轮制动力控制的效果各个车轮制动力控制的效果对4个车轮都进行控制会得到
18、更好的效果-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 4-6 提高操纵稳定性的电子控制系统提高操纵稳定性的电子控制系统四个车轮主动制动的控制效果四个车轮主动制动的控制效果后轴可能侧滑进入激转失去稳定性之际，对前外轮进行制动的控制强度是由（）决定的。当前轴可能侧滑失去路径跟踪能力时，四个车轮均要进行制动控制，对每个车轮制动力的控制强度是根据前轮侧偏角决定的。-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 4-6 提高操纵稳定性的电子控制系统提高操纵稳定性的电子控制系统VSC（VDC）系统的构成系统的构成-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 4-6 提高操纵稳定性的电子控制系统提高操纵稳定性的电子控制系统T
19、he hydraulic unit HU5.0In certain situation individual wheels have to braked without the driver applying the brake pedal.This type of braking is call active braking.RFP:recirculation pumpSpk:low pressure accumulator for fast pressure reduction and damping chambers for reduction pressure pulsationEV(
20、inlet)and AV(outlet):barake cylinders 2/2 electromagnetic valvesUSV:the pressure limiting valvesVLV:the suction valvePCP:The precharge pumpPGA:the pressure generator assembly-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 4-6 提高操纵稳定性的电子控制系统提高操纵稳定性的电子控制系统sensors1.DRS50:yaw rate sensor 50/s sensitivity errors 5%2.Lws:steering wh
21、eel angle sensor 720 3.Accuracy 54.BS2:acceleration sensor 1.4g accuracy 0.075g sensitivity 7%5.ds1:pressure sensor 0-250bar sensitivity 5%-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 4-6 提高操纵稳定性的电子控制系统提高操纵稳定性的电子控制系统VDC 的控制框图的控制框图-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 4-6 提高操纵稳定性的电子控制系统提高操纵稳定性的电子控制系统VSC 的作用的作用抑制前轮侧滑抑制前轮侧滑抑制后轮侧滑抑制后轮侧滑-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 4-6 提高操纵稳定性的电子控制系统提高操纵稳定性的电子控制系统VDC 的作用的作用车速 80Km/h事故模拟的情况-汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学 4-6 提高操纵稳定性的电子控制系统提高操纵稳定性的电子控制系统VSC 的作用的作用极限极限J-J-转向试验中转向试验中VSC VSC 的作用的作用
