汽車(chē)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基本操縱模型解析PPT課件

1、第十三章 基本操縱模型13.113.1概述13.213.2基本操縱模型假設(shè)13.313.3運(yùn)動(dòng)學(xué)方程建立13.413.4操縱特性分析13.513.5實(shí)例分析與比較第1頁(yè)/共16頁(yè)13.113.1概述 最簡(jiǎn)單的車(chē)輛操縱模型可由一個(gè)單質(zhì)量剛體來(lái)表示，該剛體在外力和外力矩作用下具有在道路水平面運(yùn)動(dòng)的三個(gè)自由度，縱向運(yùn)動(dòng)、橫向運(yùn)動(dòng)以及橫擺運(yùn)動(dòng)。假定車(chē)輛前進(jìn)速度恒定，就只剩下橫向運(yùn)動(dòng)和橫擺運(yùn)動(dòng)兩個(gè)自由度，常采用這個(gè)兩自由度模型來(lái)說(shuō)明車(chē)輛操縱動(dòng)力學(xué)基本特征。第2頁(yè)/共16頁(yè)13.213.2基本操縱模型假設(shè) 描述車(chē)輛運(yùn)動(dòng)的兩自由度模型基于以下理想化假設(shè)：1.假設(shè)車(chē)輛行駛在平坦路面，即無(wú)垂向路面不平度輸入，因

2、而可忽略與行駛動(dòng)力學(xué)相關(guān)的垂向力的影響及耦合作用。2.包括懸架系統(tǒng)在內(nèi)的車(chē)輛結(jié)構(gòu)是剛性的。3.忽略了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，將輸入直接施加于車(chē)輪；或者假設(shè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為剛性，然后以固定的傳動(dòng)比，將輸入通過(guò)轉(zhuǎn)向盤(pán)施加于轉(zhuǎn)向輪。4.忽略了空氣動(dòng)力。5.車(chē)輛僅受平衡狀態(tài)附近的小擾動(dòng)，這意味著前輪輸入轉(zhuǎn)角足夠小，從而保證車(chē)輛運(yùn)動(dòng)方程為線(xiàn)性的。基本操縱模型即單軌操縱動(dòng)力學(xué)模型，常稱(chēng)之為“自行車(chē)模型”。優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)對(duì)模型響應(yīng)物理意義上的解釋?zhuān)瑏?lái)間接反映上述因素的影響。缺點(diǎn)：忽略了簧載質(zhì)量的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)及其相關(guān)影響。第3頁(yè)/共16頁(yè)()()()frfrcffccCCaCbCm v uCvuu13.313.3運(yùn)動(dòng)方程的建立22()(

3、)frfrffccaCbCa Cb CIaCvuu兩自由度汽車(chē)運(yùn)動(dòng)微分方程：整理得：22()()00()()frfrcccffffrfrccCCaCbCmuuuCmvvaCIaCbCa Cb Cuu 狀態(tài)空間方程：XAXBUvX fU第4頁(yè)/共16頁(yè) 穩(wěn)態(tài)響應(yīng)分析13.413.4操縱特性分析設(shè)0v 和0得：22()()()()frfrcccffffrfrccCCaCbCmuuuCvaCaCbCa Cb Cuu 22()cfrssffrcrfu LCCL CCmubCaC橫擺角速度穩(wěn)態(tài)響應(yīng)增益為：橫擺角速度響應(yīng)增益可寫(xiě)成每單位轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的曲率形式：21ssfcLku()rffrm bCaCkLCC

4、不足轉(zhuǎn)向梯度穩(wěn)定裕度第5頁(yè)/共16頁(yè)按k值符號(hào)的不同，將車(chē)輛穩(wěn)態(tài)特性分為：1.k0，不足轉(zhuǎn)向13.413.4操縱特性分析2.k=0，中性轉(zhuǎn)向3.k0，過(guò)度轉(zhuǎn)向 穩(wěn)定性分析小輸入，比如風(fēng)的干擾、路面不平度激勵(lì)，使其偏離平衡狀態(tài)的性能。在無(wú)轉(zhuǎn)向輸入的情況下，系統(tǒng)狀態(tài)方程變成齊次方程：0XAX0txx e其解為()0IA x方程變?yōu)榕R界車(chē)速第6頁(yè)/共16頁(yè)13.413.4操縱特性分析 穩(wěn)定性分析其特征方程可簡(jiǎn)化為：只有當(dāng)0IA方程才有非零解。222222()()()0afarafarafararafccI CCm a Cb Cab C CbCaCmIumIuIDS20DS阻尼項(xiàng)剛度項(xiàng)第7頁(yè)/共16頁(yè)

5、13.413.4操縱特性分析 穩(wěn)定性分析對(duì)于剛度項(xiàng)來(lái)說(shuō)，根據(jù)穩(wěn)定裕度符號(hào)的不同，有兩種不同的情況。rfbCaC(1)(1) S總為正，其大小隨行駛速度uc的增加而減小。 系統(tǒng)無(wú)條件穩(wěn)定。 系統(tǒng)表現(xiàn)為阻尼振動(dòng)特性。 由于阻尼隨車(chē)速u(mài)c的增加而減小，從而系統(tǒng)可能出現(xiàn)顯著的振動(dòng)。rfbCaC(2)(2) 當(dāng)車(chē)速增加到臨界車(chē)速時(shí)，S減小到零；當(dāng)車(chē)速大于臨界車(chē)速時(shí)，S為負(fù)，此時(shí)給出了不穩(wěn)定的分界點(diǎn)。 阻尼總是很高，且隨著車(chē)速增加而減小，即使車(chē)速取值不大，阻尼也會(huì)大于臨界值。第8頁(yè)/共16頁(yè)13.413.4操縱特性分析 穩(wěn)定性分析20DS方程的解有兩種形式，或都為實(shí)數(shù)，或兩個(gè)解為一對(duì)共軛復(fù)數(shù)根。1122不

6、論哪一種情況，特征方程組解的實(shí)部和符號(hào)都決定著系統(tǒng)的穩(wěn)定性。若任何一個(gè)實(shí)部為正，則系統(tǒng)不穩(wěn)定；否則，系統(tǒng)穩(wěn)定。或2i1i固有頻率和阻尼比與特征根有如下關(guān)系： 特征根至原點(diǎn)的距離表示了系統(tǒng)無(wú)阻尼固有圓頻率。 特征根的虛部即為阻尼固有圓頻率。 特征矢量與虛軸之間夾角的正弦即為阻尼比。第9頁(yè)/共16頁(yè)13.413.4操縱特性分析 穩(wěn)定性分析通過(guò)改變車(chē)輛質(zhì)心位置，改變車(chē)輛的穩(wěn)定裕度。第10頁(yè)/共16頁(yè) 頻率響應(yīng)特性完整地描述了車(chē)輛在小擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)性能。假設(shè)系統(tǒng)輸入u是正弦波，其通式表達(dá)式如下：0i tUU e13.413.4操縱特性分析 頻率響應(yīng)分析轉(zhuǎn)向角為正弦輸入下的響應(yīng)把上式代入XAXBU1()(

7、 )XAi IBUHU 系統(tǒng)輸入是一個(gè)單輸入量i tffe 系統(tǒng)輸出響應(yīng)是橫擺角速度和橫向速度i tvvX ei tX e傳遞函數(shù)為：/( )( )/( )vfvfXHHHH第11頁(yè)/共16頁(yè)13.413.4操縱特性分析 頻率響應(yīng)分析第12頁(yè)/共16頁(yè)13.513.5實(shí)例分析與比較仿真條件：速度為20m/s,側(cè)向加速度0.3g,橫擺角速度8.4度，轉(zhuǎn)彎半徑136m。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向特性的分析可知，該別克轎車(chē)具有很強(qiáng)的不足轉(zhuǎn)向特性，而法拉利稍微有點(diǎn)不足轉(zhuǎn)向特性，幾乎接近中性轉(zhuǎn)向。分析表明，法拉利輪胎側(cè)偏剛度較大，其相應(yīng)穩(wěn)態(tài)側(cè)偏角比別克轎車(chē)小的多。第13頁(yè)/共16頁(yè)特征值比較發(fā)現(xiàn)：與法拉利跑車(chē)相比，別克轎車(chē)的系統(tǒng)阻尼要小的多。13.513.5實(shí)例分析與比較法拉利跑車(chē)對(duì)輸入的響應(yīng)比較迅速，反映了其較高的單位質(zhì)量側(cè)偏剛度；別克轎車(chē)的響應(yīng)