汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)

1、 4.2 4.2 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué) 4.2.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等效動力學(xué)模型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等效動力學(xué)模型圖圖4-1 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)圖圖4-2 繞轉(zhuǎn)向主銷的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等效動力學(xué)模型繞轉(zhuǎn)向主銷的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等效動力學(xué)模型等效轉(zhuǎn)化圖圖4-5 單位向量的時間微分單位向量的時間微分 4.2.2 汽車轉(zhuǎn)向行駛動力學(xué)方程汽車轉(zhuǎn)向行駛動力學(xué)方程代入(1)(2)(1)、(2)可分別改寫為表表4-1 汽車操縱性和穩(wěn)定性的基本內(nèi)容及評價參量汽車操縱性和穩(wěn)定性的基本內(nèi)容及評價參量 基本內(nèi)容評價參量操縱性轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益轉(zhuǎn)向靈敏度前后輪側(cè)偏角之差轉(zhuǎn)向半徑的比靜態(tài)儲備系數(shù)。轉(zhuǎn)向盤

2、角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)橫擺角速度波動的固有頻率阻尼比反應(yīng)時間達(dá)到第一峰值的時間。橫擺角速度頻率響應(yīng)特性共振峰頻率共振時振幅比相位滯后角穩(wěn)態(tài)增益。轉(zhuǎn)向盤中間位置時的操縱穩(wěn)定性轉(zhuǎn)向靈敏度轉(zhuǎn)向盤力特性轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩梯度轉(zhuǎn)向功靈敏度。轉(zhuǎn)向輕便性轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)向功。轉(zhuǎn)彎半經(jīng)最小轉(zhuǎn)彎半經(jīng)。直線行駛性轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角（維持直線行駛所需的轉(zhuǎn)向盤累計(jì)轉(zhuǎn)角）。典型行駛工況（蛇行移線雙移線回避障礙）性能轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向力側(cè)向加速度橫擺角速度側(cè)偏角車速等。極限行駛能力極限側(cè)向加速度極限車速。穩(wěn)定性回正性回正后剩余橫擺角速度與剩余橫擺角達(dá)到剩余橫擺角速度的時間。直線行駛性（側(cè)向風(fēng)敏感性、路面不平敏感性）側(cè)向偏移。4.1.2 轉(zhuǎn)向和操縱系

3、統(tǒng)動力學(xué)研究內(nèi)容轉(zhuǎn)向和操縱系統(tǒng)動力學(xué)研究內(nèi)容 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)汽車操縱動力學(xué)汽車操縱動力學(xué) 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等效動力學(xué)模型汽車操縱穩(wěn)定性模型建立與坐標(biāo)系 汽車轉(zhuǎn)向動力學(xué)方程基于兩自由度模型的操縱穩(wěn)定性分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對汽車轉(zhuǎn)向性能的影響汽車操縱穩(wěn)定性的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)響應(yīng) 汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）汽車操縱穩(wěn)定性的頻率響應(yīng)特性 1.汽車轉(zhuǎn)向性能 汽車轉(zhuǎn)向性能是指汽車能遵循駕駛者轉(zhuǎn)向盤的輸入,通過轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向,按預(yù)定軌跡行駛的能力。 4.1 4.1 汽車轉(zhuǎn)向與操縱動力學(xué)概述汽車轉(zhuǎn)向與操縱動力學(xué)概述2.汽車操縱穩(wěn)定性 駕駛員不感到過度緊張、疲勞的條件下，汽車能遵循駕駛者通過轉(zhuǎn)向

4、系及轉(zhuǎn)向車掄給定的方向行駛，且遇到外界干擾時，汽車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力，汽車的這種性能稱為操縱穩(wěn)定性。4.1.1 汽車轉(zhuǎn)向和操縱穩(wěn)定性定義汽車轉(zhuǎn)向和操縱穩(wěn)定性定義當(dāng)汽車行駛時,若給轉(zhuǎn)向盤某一角度，則轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生的側(cè)偏力將繞轉(zhuǎn)向主銷形成回正力矩，如圖4-3：圖圖4-3 轉(zhuǎn)向側(cè)偏力繞轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向側(cè)偏力繞轉(zhuǎn) 向主銷的回正力矩向主銷的回正力矩 轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪繞轉(zhuǎn)向主銷的等效動力學(xué)方程式：()2sncffffTkk 圖圖4-4 汽車在地面固汽車在地面固定坐標(biāo)系中的運(yùn)動描述定坐標(biāo)系中的運(yùn)動描述 質(zhì)心速度 C點(diǎn)加速度 汽車質(zhì)心側(cè)偏角4.2.2 汽車轉(zhuǎn)向行駛動力學(xué)方程汽車轉(zhuǎn)向行駛動力學(xué)方程4-6 a) 車輪

5、側(cè)偏力車輪側(cè)偏力 汽車在水平面內(nèi)的運(yùn)動汽車在水平面內(nèi)的運(yùn)動 汽車運(yùn)動方程式cosuVVsinvVV當(dāng)V一定時,有dudVdtdt dvdVdtdt()()rrdVddViVjdtdtdt 汽車在水平面內(nèi)的運(yùn)動汽車在水平面內(nèi)的運(yùn)動4-6 b) 車輪速度車輪速度 各車輪側(cè)偏角為：前后輪的左右輪側(cè)偏角分別相等，可表示為： 圖圖4-7 四輪汽車的等效二輪模型四輪汽車的等效二輪模型 前后車輪被分別集中于汽 車前后軸中點(diǎn)而構(gòu)成一假 想二輪車。 運(yùn)動方程式 設(shè)前后輪側(cè)偏剛度分 別為kf、k r，則有： 經(jīng)過整理后得到研究汽車操縱穩(wěn)定性的基本方程式：（4-15）（4-16）4.3 .1 汽車操縱穩(wěn)定性的研究方

6、法與內(nèi)容汽車操縱穩(wěn)定性的研究方法與內(nèi)容圖圖4-8 人人汽車閉環(huán)系統(tǒng)框圖汽車閉環(huán)系統(tǒng)框圖4.3 汽車操縱動力學(xué)汽車操縱動力學(xué) 4.3.2 汽車操縱穩(wěn)定性模型建立的坐標(biāo)系汽車操縱穩(wěn)定性模型建立的坐標(biāo)系 4.3.2.1 輪胎與車輪的坐標(biāo)系輪胎與車輪的坐標(biāo)系圖圖4-9 輪胎與車輪軸坐標(biāo)系輪胎與車輪軸坐標(biāo)系 4.3.2.2 車輛的坐標(biāo)系車輛的坐標(biāo)系圖圖4-10 車輛坐標(biāo)系車輛坐標(biāo)系 4.3.2.3 慣性、車輛及中間坐標(biāo)系慣性、車輛及中間坐標(biāo)系說明：1.Z軸平行于ZE軸X軸位于包含XV軸的鉛垂平面內(nèi)1.XE軸與X軸的夾角為圖圖4-11 慣性、車輛及中間坐標(biāo)系慣性、車輛及中間坐標(biāo)系4.3.3 基于兩自由度模

7、型的操縱穩(wěn)定性分析基于兩自由度模型的操縱穩(wěn)定性分析 將轉(zhuǎn)向角作為控制輸入，因此可以將方程寫成下面的狀態(tài)空間形式 則可得 rtx)(0)(tu)()()(tButAxtx00)(xtx4.3.3.1 汽車兩自由度模型的狀態(tài)空間表達(dá)汽車兩自由度模型的狀態(tài)空間表達(dá) 4.3.3.2 汽車操縱穩(wěn)定性的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)汽車操縱穩(wěn)定性的穩(wěn)態(tài)響應(yīng) 在穩(wěn)態(tài)情況下 ，可以結(jié)合車輛的過度轉(zhuǎn)向和不足轉(zhuǎn)向特性來進(jìn)行解釋： 1） 質(zhì)心側(cè)偏角 如果用質(zhì)心側(cè)偏角表示汽車操縱穩(wěn)定性的穩(wěn)態(tài)特性，則可得到0rs201Vlkmllrrfss圖圖4-12 汽車質(zhì)心側(cè)偏角的穩(wěn)態(tài)特性汽車質(zhì)心側(cè)偏角的穩(wěn)態(tài)特性 2) 質(zhì)心側(cè)偏角增益 22221Kul

8、kumlllfrs圖圖4-13 質(zhì)心側(cè)偏角增益與車速的關(guān)系質(zhì)心側(cè)偏角增益與車速的關(guān)系220)(1ulkkmlklkfrffrrFSFS圖圖4-14 汽車前輪轉(zhuǎn)角的穩(wěn)態(tài)特性汽車前輪轉(zhuǎn)角的穩(wěn)態(tài)特性3) 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角4.3.3.3 汽車操縱穩(wěn)定性的瞬態(tài)響應(yīng)汽車操縱穩(wěn)定性的瞬態(tài)響應(yīng)1）用橫擺角速度表示 設(shè)系統(tǒng)的輸入為階躍形式，根據(jù)二自由度的汽車運(yùn)動 微分方程，可以寫成以 為變量的形式，通常寫作 r01bbchmrrr圖圖4-15 橫擺角速度時域內(nèi)響應(yīng)（車速橫擺角速度時域內(nèi)響應(yīng)（車速20m/s） 如用質(zhì)心側(cè)偏角增益表示，則可得傳遞函數(shù)為： 21211sHsHTssssFs圖圖4-16 車速車速20m/s下不同下不同K值的質(zhì)心側(cè)偏角時間歷程值的質(zhì)心側(cè)偏角時間歷程 2） 用質(zhì)心側(cè)偏角增益表示 4.3.4 二自由度操縱穩(wěn)定性仿真參數(shù)二自由度操縱穩(wěn)定性仿真參數(shù)表表4-3 某車型兩自由度模