汽車操縱穩(wěn)定性

1、第第6章章 汽車操縱穩(wěn)定性汽車操縱穩(wěn)定性n操縱性：能夠及時和準確地反映駕駛員的主觀操作，也就是汽車按照駕駛員的意圖和要求改變汽車行駛方向和車速。n穩(wěn)定性：汽車在行駛過程中能夠抵抗外界干擾不發(fā)生側滑側翻的性能；汽車在外界干擾下抵抗干擾或迅速恢復原來行駛狀態(tài)的性質。n上述二者的綜合稱為汽車的操縱穩(wěn)定性。n操縱性的好壞實際上指的是汽車的運動參數與駕駛員要求的運動參數之間的接近程度和漸進過程。n穩(wěn)定性的好壞實際上指的是汽車的運動參數與原來的運動參數之間的接近程度和漸進過程。6.1 6.1 概述概述1 轉向盤中間位置操縱穩(wěn)定性 轉向靈敏度、轉向盤力特性 2、方向盤角階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)響應轉向特性，方向盤角

2、階躍輸入下的瞬態(tài)響應穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益轉向靈敏度反應時間、橫擺角速度波動的無阻尼圓頻率3、橫擺角速度頻率響應特性共振峰頻率、共振時的振幅比、相位滯后角、穩(wěn)態(tài)響應4、回正性回正后剩余橫擺角速度與剩余橫擺角、達到剩余橫擺角速度的時間5、轉向半徑最小轉向半徑6、轉向輕便性：原地轉向輕便性、低速行駛轉向輕便性、高速行駛轉向輕便性轉向力與轉向功7、直線行駛性：側向風穩(wěn)定性、路面不平度穩(wěn)定性、微曲率彎道行駛性側向偏移與轉向操舵力矩梯度8、典型行駛工況性能：蛇行性能、移線性能、雙移線性能、方向盤轉角、轉向力、側向加速度、橫擺角速度、側偏角、車速等9、極限行駛能力：圓周行駛極限側向加速度、抗側翻能力、發(fā)生側滑

3、時控制能力等極限側向加速度、極限車速、回至原來路徑所需時間汽車操縱穩(wěn)定性的基本內容及評價所用的物理參數n 車輛坐標系 x方向：前進、倒駛繞x軸的轉動：側傾運動y方向：側向運動繞y軸的轉動：俯仰運動z方向：垂直運動繞z軸的轉動：橫擺運動 與操縱穩(wěn)定性有關的主要運動參量：橫擺角速度 、側向速度 、側向加速度 等等。ryan 穩(wěn)態(tài)響應：汽車的時域響應不隨時間變化；其特性通?？煞譃椋翰蛔戕D向、中性轉向、過多轉向三種。n 瞬態(tài)響應：汽車的時域響應隨時間變化。圖為方向盤階躍輸入下的汽車瞬態(tài)響應，汽車的瞬態(tài)響應汽車二階慣性環(huán)節(jié)特點：時間上的滯后；橫擺角速度超調；橫擺角速度的波動；進入穩(wěn)態(tài)要經歷時間。 瞬態(tài)響

4、應包括兩方面的問題開環(huán)控制系統(tǒng)：只把汽車本身作為研究對象，不允許駕駛員起任何反饋作用。人車閉環(huán)系統(tǒng)：把駕駛員與汽車作為統(tǒng)一的整體進行研究，駕駛員可以根據需要進行反饋控制。行駛方向穩(wěn)定性，即能否達到穩(wěn)態(tài)的問題；響應品質問題，即達到穩(wěn)態(tài)前的響應特性問題。n 汽車操縱穩(wěn)定性的兩種評價方法汽車操縱穩(wěn)定性的兩種評價方法n方向盤階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應評價方向盤階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應評價 穩(wěn)態(tài)橫擺增益曲線 、橫擺角速度增益（又稱為轉向靈敏度）、穩(wěn)定性因數k。aru/客觀評價法通過測試儀器測出表征性能的物理參量如橫擺加速度、側向加速度、側傾角及轉向力等來評價操縱穩(wěn)定性的方法。主觀評價法讓試驗者根據自己的感

5、覺進行評價，按規(guī)定的項目和評分方法進行評價。 ttrrr%)100/(0或n方向盤階躍輸入下的瞬態(tài)響應評價方向盤階躍輸入下的瞬態(tài)響應評價n 橫擺角速度頻率響應特性評價橫擺角速度頻率響應特性評價 共振峰頻率f、1hz時的相位滯后角。瞬態(tài)橫擺響應曲線 、反應時間、衰減振動圓頻率。n輪胎的側偏特性主要是指側偏力、回正力矩與側偏角間的關系。是研究操縱穩(wěn)定性的基礎。6.2 輪胎的側偏特性輪胎的側偏特性1）輪胎的坐標系2）輪胎的側偏現(xiàn)象和側偏力側偏角曲線3）輪胎的結構、工作條件對側偏特性的影響4）回正力矩繞oz軸的力矩n 側偏力 ：地面給車輪的側向反作用力。yf2）輪胎的側偏現(xiàn)象和側偏力）輪胎的側偏現(xiàn)象和

6、側偏力側偏角曲線側偏角曲線剛性輪 當車輪有側向力作用時，當fy 沒有達到附著極限時，車輪與地面沒有滑動，車輪仍沿車身平面cc的方向行駛。當fy 達到附著極限時，車輪與地面有滑動，車輪有側向行駛。n 側偏現(xiàn)象：當車輪有側向力作用時，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。這就是輪胎的側偏現(xiàn)象。 彈性輪胎在側性力作用時的運動狀態(tài)n 側偏特性曲線：描述側偏力側偏角關系的曲線n 輪胎的最大側偏力取決于附著條件，即垂直載荷，輪胎花紋、材料、結構尺寸、充氣壓力，路面的材料、結構、潮濕程度以及車輪的外傾角等。n 一般而言，最大側偏力越大，汽車的極限性能越好。 稱為側偏角，k稱為側偏剛度。

7、kfy在曲線線性段：n輪胎扁平率（h/b）對側偏特性的影響。3）輪胎的結構、工作條件對側偏特性的影響）輪胎的結構、工作條件對側偏特性的影響n 輪胎的垂直載荷對側偏特性的影響側偏剛度隨垂直載荷的增大而增大，但垂直載荷過大，側偏剛度反而會減小。n 輪胎氣壓對側偏特性的影響氣壓增大，側偏剛度增大，但氣壓過高，側偏剛度不再變化。n 車速對側偏剛度的影響很小。n 切向力側偏剛度的影響。n 路面狀況對側偏特性的影響。4）回正力矩繞oz軸的力矩n 回正力矩的產生6.3 線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應1）模型簡化模型簡化（1）忽略轉向系的影響，直接以前輪轉角作為輸

8、入。（2）忽略懸架的作用，認為汽車只作平行于地面的平面運動：z =0、 =0、 =0。（3）在特定條件下，u=常數，汽車只有側向運動與橫擺運動。（4）側向加速度小于0.4g，輪胎側偏特性屬于線性范圍。（5）忽略地面切向力對輪胎側偏特向的影響。（6）忽略空氣阻力的作用。（7）忽略左、右車輪垂直載荷變化對輪胎特性的影響。（8）忽略輪胎回正力矩的作用。yxn 簡化模型n 分析時，坐標系與汽車質心重合，這樣，汽車質量分布參數，如轉動慣量對于固結于汽車的坐標系就是常數。ox與oy為車輛坐標系的縱軸與橫軸。質心速度v于t時刻在坐標軸上的分量為u、v。在t+t時刻，質心速度的大小與方向均發(fā)生變化，且坐標軸的

9、方向也發(fā)生變化。n 二自由度方程建立沿ox軸速度分量的變化為：vuvvuuvvuuusinsincoscossin)(cos)(汽車質心絕對加速度在ox軸上的分量為：rdtddtdvyrdtddtduxuwvuavwuva同理： 做平面運動的汽車對車輛坐標系的微分方程式為：）（65coscos)(2121yyrzyyrbffawiffuwvmrrv awawvuuu質心側偏角且）（）（微分方程為：整理后的二自由度運動）式可改寫為：（）（后車輪的側偏角為：根據坐標系的規(guī)定，前95)()()()()(65122121211211212211221121rzrurrurzrubwubwvuawwia

10、kwkbkabkakuwvmkwbkakkkwibkakuwvmkkrrr2）前輪角階躍輸入下進入的汽車穩(wěn)態(tài)響應前輪角階躍輸入下進入的汽車穩(wěn)態(tài)響應等速圓等速圓周運動周運動 n 穩(wěn)態(tài)響應 汽車等速行駛時，在前輪角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應就是等速圓周行駛。 常用穩(wěn)態(tài)橫擺角度速度與前輪轉角之比來評價穩(wěn)態(tài)響應。這個比值稱為穩(wěn)態(tài)角速度增益，也稱為轉向靈敏度。 穩(wěn)態(tài)時橫擺角速度 r為定值，此時 汽車的運動微分方程變?yōu)椋?, 00rwv、0)(1)()(1)(122122112121akwkbkaubkakmuwkwbkakukkrrr消除v，便可求出穩(wěn)態(tài)橫擺角度增益：122221221/1/kbkalmk

11、kuluukbkalmluwsr式中： k為穩(wěn)定性因數，它是表征穩(wěn)態(tài)響應的一個重要參數。 n 穩(wěn)態(tài)響應的三種類型 根據穩(wěn)定性因數k，汽車的穩(wěn)態(tài)響應可分為三類：中性轉向：k=0， 此關系就是汽車以極低車速行而無側偏角時的轉向關系。luwsr不足轉向：k0，此時橫擺角度增益比中性轉向時小，是一條下彎的曲線。當橫擺角速度增益最大時， 稱為特征車速，它是表征不足轉向的一個參數。chchuku,1過多轉向：k0，此時橫擺角速度增益比中性轉向時大，是一條上彎的曲線。當橫擺角速度增益趨于無窮大時， 稱為臨界車速。chchuku,13）前輪角階躍輸入下的瞬態(tài)響應）前輪角階躍輸入下的瞬態(tài)響應 rzrrrwiak

12、wkbkaubkakuwvmkwbkakukk122122112121)(1)()()(1)(n 運動方程211221221122121221221)(1)(1)(1)(bkakakwkbkauwibkakakwkbkauwiwiakwkbkaubkakrrzrrzrzruvuvuv/,/2112212)(1bkakakwkbkauwirrz2112212)(1bkakakwkbkauwirrzubkakakwkbkauwiuvrrz2112212)(1)()(1)(12121rruwvmkwbkakukk12122122122121212212)()()()()(muakklkwukbkak

13、kubkakbkakmuwkkikbkamwumirrzrz10bbwcwhwmrrr1121021221212212/)()()(muakbklkbukklbkakmuckkikbkamhmuimzz 式中：102002bbwwwwwrrr/) 2/(/00020mbbmwhmcw 上式為單自由度強迫振動微分方程，通常寫作： 式中：11/ mbbo稱為阻尼比稱為固有頻率 汽車前輪角階躍輸入時，前輪轉角的數學表達式為： 002002bwwwwwrrr00220001/srrwkuluwbw02200rrrwwwww022002wsws這是二階常系數非齊次微分方程。對應的齊次方程式為： 其通解可

14、有特征方程式求得0,0,00,00ttt特解為兩兩個個不不同同實實根根，重重根根，一一對對共共軛軛復復根根，1111122ooooowwswsiwws根據 的數值。特征方程的根為：twwtwwrtwrotwrooooooececweccwtwcew141321222111sin1:，齊齊次次方方程程通通解解為為齊次方程的通解, 1) (twr0rwrw, 1)(twr0rw, 1)(twr0rw稱為大阻尼， 單調上升，趨于 ，但車速超過臨界車速后， 發(fā)散且趨于無窮稱為臨界阻尼， 單調上升且趨于稱為小阻尼， 是一條收斂于 的減幅正弦曲線正常汽車都具有小阻尼的瞬態(tài)響應，與小阻尼對應的橫擺角速度為：

15、)1sin()(2020000twcewbtwtwr)sin()cos()()sin()(1000212000200020wteawteawbtwwtcewbtwwwtwtwrtwr或：則：令：)sin(11121)(02202022wtelkwmuawlkmuawtwtwosrrzrriakwvwt/000010，初始條件：橫擺角速度波動時的固有（圓）頻率22121211kumikkulmuiuklkbkakmumcwzzo0w 表征瞬態(tài)響應的參數 是評價汽車瞬態(tài)響應的一個重要參數。高些好。21212212221212212012122kukkmilkkikbkamkumikklmikkik

16、bkammwhzzzzz阻尼比阻尼比%165%112%100maxrorww8.05.04.0)/(3.31由此推算相應的阻尼比試驗工況為gasmuy反應時間 2222020011arctan0sin0sinsinwwlkmuawwtwtcewbwtwtcewbtwotwoortwoorroo所所以以：即即，故故：時時，當當所所需需的的時時間間第第一一次次達達到到穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)值值的時間時達到第一峰值 1rw 20200000011arctanarctantan0tcossincossin000wwwwwwdttdwtwtwcetewtewcdttdwrtttr即：時，當近代轎車的 s59. 023. 0 瞬態(tài)響應的穩(wěn)定