汽車系統(tǒng)動力學基本操縱模型解析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13.313.3運動學方程建立13.413.4操縱特性分析13.513.5實例分析與比較第1頁/共16頁13.113.1概述 最簡單的車輛操縱模型可由一個單質量剛體來表示，該剛體在外力和外力矩作用下具有在道路水平面運動的三個自由度，縱向運動、橫向運動以及橫擺運動。假定車輛前進速度恒定，就只剩下橫向運動和橫擺運動兩個自由度，常采用這個兩自由度模型來說明車輛操縱動力學基本特征。第2頁/共16頁13.213.2基本操縱模型假設 描述車輛運動的兩自由度模型基于以下理想化假設：1.假設車輛行駛在平坦路面，即無垂向路面不平度輸入，因

2、而可忽略與行駛動力學相關的垂向力的影響及耦合作用。2.包括懸架系統(tǒng)在內(nèi)的車輛結構是剛性的。3.忽略了轉向系統(tǒng)，將輸入直接施加于車輪；或者假設轉向系統(tǒng)為剛性，然后以固定的傳動比，將輸入通過轉向盤施加于轉向輪。4.忽略了空氣動力。5.車輛僅受平衡狀態(tài)附近的小擾動，這意味著前輪輸入轉角足夠小，從而保證車輛運動方程為線性的?；静倏v模型即單軌操縱動力學模型，常稱之為“自行車模型”。優(yōu)點：通過對模型響應物理意義上的解釋，來間接反映上述因素的影響。缺點：忽略了簧載質量的側傾運動及其相關影響。第3頁/共16頁()()()frfrcffccCCaCbCm v uCvuu13.313.3運動方程的建立22()(

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

4、不足轉向梯度穩(wěn)定裕度第5頁/共16頁按k值符號的不同，將車輛穩(wěn)態(tài)特性分為：1.k0，不足轉向13.413.4操縱特性分析2.k=0，中性轉向3.k0，過度轉向 穩(wěn)定性分析小輸入，比如風的干擾、路面不平度激勵，使其偏離平衡狀態(tài)的性能。在無轉向輸入的情況下，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界車速第6頁/共16頁13.413.4操縱特性分析 穩(wěn)定性分析其特征方程可簡化為：只有當0IA方程才有非零解。222222()()()0afarafarafararafccI CCm a Cb Cab C CbCaCmIumIuIDS20DS阻尼項剛度項第7頁/共16頁

5、13.413.4操縱特性分析 穩(wěn)定性分析對于剛度項來說，根據(jù)穩(wěn)定裕度符號的不同，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)無條件穩(wěn)定。 系統(tǒng)表現(xiàn)為阻尼振動特性。 由于阻尼隨車速uc的增加而減小，從而系統(tǒng)可能出現(xiàn)顯著的振動。rfbCaC(2)(2) 當車速增加到臨界車速時，S減小到零；當車速大于臨界車速時，S為負，此時給出了不穩(wěn)定的分界點。 阻尼總是很高，且隨著車速增加而減小，即使車速取值不大，阻尼也會大于臨界值。第8頁/共16頁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，或都為實數(shù)，或兩個解為一對共軛復數(shù)根。1122不

6、論哪一種情況，特征方程組解的實部和符號都決定著系統(tǒng)的穩(wěn)定性。若任何一個實部為正，則系統(tǒng)不穩(wěn)定；否則，系統(tǒng)穩(wěn)定?；?i1i固有頻率和阻尼比與特征根有如下關系： 特征根至原點的距離表示了系統(tǒng)無阻尼固有圓頻率。 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/共16頁13.413.4操縱特性分析 穩(wěn)定性分析通過改變車輛質心位置，改變車輛的穩(wěn)定裕度。第10頁/共16頁 頻率響應特性完整地描述了車輛在小擾動下的動態(tài)性能。假設系統(tǒng)輸入u是正弦波，其通式表達式如下：0i tUU e13.413.4操縱特性分析 頻率響應分析轉向角為正弦輸入下的響應把上式代入XAXBU1()(

7、 )XAi IBUHU 系統(tǒng)輸入是一個單輸入量i tffe 系統(tǒng)輸出響應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/共16頁13.413.4操縱特性分析 頻率響應分析第12頁/共16頁13.513.5實例分析與比較仿真條件：速度為20m/s,側向加速度0.3g,橫擺角速度8.4度，轉彎半徑136m。通過對轉向特性的分析可知，該別克轎車具有很強的不足轉向特性，而法拉利稍微有點不足轉向特性，幾乎接近中性轉向。分析表明，法拉利輪胎側偏剛度較大，其相應穩(wěn)態(tài)側偏角比別克轎車小的多。第13頁/共16頁特征值比較發(fā)現(xiàn)：與法拉利跑車相比，別克轎車的系統(tǒng)阻尼要小的多。13.513.5實例分析與比較法拉利跑車對輸入的響應比較迅速，反映了其較高的單位質量側偏剛度；別克轎車的響應