汽車操縱穩(wěn)定性的基本內(nèi)容及評價所用的物理參數(shù)

1、汽車操縱穩(wěn)定性汽車操縱穩(wěn)定性主要學(xué)習(xí)內(nèi)容主要學(xué)習(xí)內(nèi)容n概述概述n輪胎的側(cè)偏特性輪胎的側(cè)偏特性輪胎的側(cè)偏特性輪胎的側(cè)偏特性n線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應(yīng)線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應(yīng)n操縱性：能夠及時和準(zhǔn)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(cè)滑側(cè)翻的性能；汽車在外界干擾下抵抗干擾或迅速恢復(fù)原來行駛狀態(tài)的性質(zhì)。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(shí)際上指的是汽車的運(yùn)動參數(shù)與駕駛員要求的運(yùn)動參數(shù)之間的接近程度和漸進(jìn)過程。n穩(wěn)定性的好壞實(shí)際上指的是汽車的運(yùn)動參數(shù)與原來的運(yùn)動參

2、數(shù)之間的接近程度和漸進(jìn)過程。1 1 概述概述1 轉(zhuǎn)向盤中間位置操縱穩(wěn)定性 轉(zhuǎn)向靈敏度、轉(zhuǎn)向盤力特性 2、方向盤角階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)轉(zhuǎn)向特性，方向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益轉(zhuǎn)向靈敏度反應(yīng)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(yīng)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(yīng)4、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5、轉(zhuǎn)向半徑最小轉(zhuǎn)向半徑6、轉(zhuǎn)向輕便性：原地轉(zhuǎn)向輕便性、低速行駛轉(zhuǎn)向輕便性、高速行駛轉(zhuǎn)向輕便性轉(zhuǎn)向力與轉(zhuǎn)向功7、直線行駛性：側(cè)向風(fēng)穩(wěn)定性、路面不平度穩(wěn)定性、微曲率彎道行駛性側(cè)向偏移與轉(zhuǎn)向操舵力矩梯度8、典型行駛工況性能：蛇

3、行性能、移線性能、雙移線性能、方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向力、側(cè)向加速度、橫擺角速度、側(cè)偏角、車速等9、極限行駛能力：圓周行駛極限側(cè)向加速度、抗側(cè)翻能力、發(fā)生側(cè)滑時控制能力等極限側(cè)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(nèi)容及評價所用的物理參數(shù)n 車輛坐標(biāo)系 X方向：前進(jìn)、倒駛繞X軸的轉(zhuǎn)動：側(cè)傾運(yùn)動Y方向：側(cè)向運(yùn)動繞Y軸的轉(zhuǎn)動：俯仰運(yùn)動Z方向：垂直運(yùn)動繞Z軸的轉(zhuǎn)動：橫擺運(yùn)動 與操縱穩(wěn)定性有關(guān)的主要運(yùn)動參量：橫擺角速度 、側(cè)向速度 、側(cè)向加速度 等等。ryan 穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：汽車的時域響應(yīng)不隨時間變化；其特性通常可分為：不足轉(zhuǎn)向、中性轉(zhuǎn)向、過多轉(zhuǎn)向三種。n 瞬態(tài)響應(yīng)：汽車的時域響應(yīng)隨時間變化

4、。圖為方向盤階躍輸入下的汽車瞬態(tài)響應(yīng)，汽車的瞬態(tài)響應(yīng)汽車二階慣性環(huán)節(jié)特點(diǎn)：時間上的滯后；橫擺角速度超調(diào)；橫擺角速度的波動；進(jìn)入穩(wěn)態(tài)要經(jīng)歷時間。 瞬態(tài)響應(yīng)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?zhàn)饔?。人車閉環(huán)系統(tǒng)：把駕駛員與汽車作為統(tǒng)一的整體進(jìn)行研究，駕駛員可以根據(jù)需要進(jìn)行反饋控制。行駛方向穩(wěn)定性，即能否達(dá)到穩(wěn)態(tài)的問題；響應(yīng)品質(zhì)問題，即達(dá)到穩(wěn)態(tài)前的響應(yīng)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(jìn)入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)評價方向盤階躍輸入下進(jìn)入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)評價 穩(wěn)態(tài)橫擺增益曲線 、橫擺角速度增益（又稱為轉(zhuǎn)向靈敏度）、穩(wěn)定性因數(shù)K

5、。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(cè)向加速度、側(cè)傾角及轉(zhuǎn)向力等來評價操縱穩(wěn)定性的方法。主觀評價法讓試驗(yàn)者根據(jù)自己的感覺進(jìn)行評價，按規(guī)定的項(xiàng)目和評分方法進(jìn)行評價。 ttrrr%)100/(0或n方向盤階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)評價方向盤階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)評價n 橫擺角速度頻率響應(yīng)特性評價橫擺角速度頻率響應(yīng)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(yīng)曲線 、反應(yīng)時間、衰減振動圓頻率。n輪胎的側(cè)偏特性主要是指側(cè)偏力、回正力矩與側(cè)偏角間的關(guān)系。是研究操縱穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。2 輪胎的側(cè)偏特性輪胎的側(cè)偏特性1）輪胎的坐標(biāo)系2）輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象和側(cè)偏力側(cè)偏角曲線3）輪胎

6、的結(jié)構(gòu)、工作條件對側(cè)偏特性的影響4）回正力矩繞OZ軸的力矩n 側(cè)偏力 ：地面給車輪的側(cè)向反作用力。YF2）輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象和側(cè)偏力）輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象和側(cè)偏力側(cè)偏角曲線側(cè)偏角曲線剛性輪 當(dāng)車輪有側(cè)向力作用時，當(dāng)FY 沒有達(dá)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(dāng)FY 達(dá)到附著極限時，車輪與地面有滑動，車輪有側(cè)向行駛。n 側(cè)偏現(xiàn)象：當(dāng)車輪有側(cè)向力作用時，F(xiàn)Y 沒有達(dá)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(cè)偏現(xiàn)象。 彈性輪胎在側(cè)性力作用時的運(yùn)動狀態(tài)n 側(cè)偏特性曲線：描述側(cè)偏力側(cè)偏角關(guān)系的曲線n 輪胎的最大側(cè)偏力取決于附著條件，即垂直載荷，輪胎花紋、材料、

7、結(jié)構(gòu)尺寸、充氣壓力，路面的材料、結(jié)構(gòu)、潮濕程度以及車輪的外傾角等。n 一般而言，最大側(cè)偏力越大，汽車的極限性能越好。 稱為側(cè)偏角，k稱為側(cè)偏剛度。kFY在曲線線性段：n輪胎扁平率（H/B）對側(cè)偏特性的影響。3）輪胎的結(jié)構(gòu)、工作條件對側(cè)偏特性的影響）輪胎的結(jié)構(gòu)、工作條件對側(cè)偏特性的影響n 輪胎的垂直載荷對側(cè)偏特性的影響側(cè)偏剛度隨垂直載荷的增大而增大，但垂直載荷過大，側(cè)偏剛度反而會減小。n 輪胎氣壓對側(cè)偏特性的影響氣壓增大，側(cè)偏剛度增大，但氣壓過高，側(cè)偏剛度不再變化。n 車速對側(cè)偏剛度的影響很小。n 切向力側(cè)偏剛度的影響。n 路面狀況對側(cè)偏特性的影響。4）回正力矩繞OZ軸的力矩n 回正力矩的產(chǎn)生3

8、 線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應(yīng)線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應(yīng)1）模型簡化模型簡化（1）忽略轉(zhuǎn)向系的影響，直接以前輪轉(zhuǎn)角作為輸入。（2）忽略懸架的作用，認(rèn)為汽車只作平行于地面的平面運(yùn)動：z =0、 =0、 =0。（3）在特定條件下，u=常數(shù)，汽車只有側(cè)向運(yùn)動與橫擺運(yùn)動。（4）側(cè)向加速度小于0.4g，輪胎側(cè)偏特性屬于線性范圍。（5）忽略地面切向力對輪胎側(cè)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(biāo)系與汽車質(zhì)心重合，這樣，汽車質(zhì)量分布參數(shù)，如轉(zhuǎn)動慣量對于固結(jié)于汽車的坐標(biāo)系就是

9、常數(shù)。ox與oy為車輛坐標(biāo)系的縱軸與橫軸。質(zhì)心速度v于t時刻在坐標(biāo)軸上的分量為u、v。在t+t時刻，質(zhì)心速度的大小與方向均發(fā)生變化，且坐標(biāo)軸的方向也發(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(zhì)心絕對加速度在ox軸上的分量為：rdtddtdvyrdtddtduxuwvuavwuva同理： 做平面運(yùn)動的汽車對車輛坐標(biāo)系的微分方程式為：）（65coscos)(2121yyrzyyrbFFawIFFuwvmrrv awawvuuu質(zhì)心側(cè)偏角且）（）（微分方程為：整理后的二自由度運(yùn)動）式可改寫為：（）（后車輪的側(cè)偏角為：

10、根據(jù)坐標(biāo)系的規(guī)定，前95)()()()()(65122121211211212211221121rzrurrurzrubwubwvuawwIakwkbkabkakuwvmkwbkakkkwIbkakuwvmkkrrr2）前輪角階躍輸入下進(jìn)入的汽車穩(wěn)態(tài)響應(yīng)前輪角階躍輸入下進(jìn)入的汽車穩(wěn)態(tài)響應(yīng)等速圓等速圓周運(yùn)動周運(yùn)動 n 穩(wěn)態(tài)響應(yīng) 汽車等速行駛時，在前輪角階躍輸入下進(jìn)入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)就是等速圓周行駛。 常用穩(wěn)態(tài)橫擺角度速度與前輪轉(zhuǎn)角之比來評價穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。這個比值稱為穩(wěn)態(tài)角速度增益，也稱為轉(zhuǎn)向靈敏度。 穩(wěn)態(tài)時橫擺角速度 r為定值，此時 汽車的運(yùn)動微分方程變?yōu)椋?, 00rwv、0)(1)()(1)(1221

11、22112121akwkbkaubkakmuwkwbkakukkrrr消除v，便可求出穩(wěn)態(tài)橫擺角度增益：122221221/1/kbkaLmKKuLuukbkaLmLuwsr式中： K為穩(wěn)定性因數(shù)，它是表征穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一個重要參數(shù)。 n 穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的三種類型 根據(jù)穩(wěn)定性因數(shù)K，汽車的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)可分為三類：中性轉(zhuǎn)向：K=0， 此關(guān)系就是汽車以極低車速行而無側(cè)偏角時的轉(zhuǎn)向關(guān)系。LuWsr不足轉(zhuǎn)向：K0，此時橫擺角度增益比中性轉(zhuǎn)向時小，是一條下彎的曲線。當(dāng)橫擺角速度增益最大時， 稱為特征車速，它是表征不足轉(zhuǎn)向的一個參數(shù)。chchuKu,1過多轉(zhuǎn)向：K0，此時橫擺角速度增益比中性轉(zhuǎn)向時大，是一條上彎的曲線。

12、當(dāng)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(yīng)）前輪角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng) rZrrrwIakwkbkaubkakuwvmkwbkakukk122122112121)(1)()()(1)(n 運(yùn)動方程211221221122121221221)(1)(1)(1)(bkakakwkbkauwIbkakakwkbkauwIwIakwkbkaubkakrrZrrZrZruvuvuv/,/2112212)(1bkakakwkbkauwIrrZ2112212)(1bkakakwkbkauwIrrZubkakakwkbkauwIuvrrZ2112212)(1

13、)()(1)(12121rruwvmkwbkakukk12122122122121212212)()()()()(muakkLkwukbkakkubkakbkakmuwkkIkbkamwumIrrZrZ10bbwcwhwmrrr1121021221212212/)()()(muakbkLkbukkLbkakmuckkIkbkamhmuImZZ 式中：102002BBwwwwwrrr/) 2/(/00020mbBmwhmcw 上式為單自由度強(qiáng)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(zhuǎn)角的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 002002Bwwwwwrrr00

14、220001/srrwKuLuwBw02200rrrwwwww022002wsws這是二階常系數(shù)非齊次微分方程。對應(yīng)的齊次方程式為： 其通解可有特征方程式求得0,0,00,00ttt特解為兩兩個個不不同同實(shí)實(shí)根根，重重根根，一一對對共共軛軛復(fù)復(fù)根根，1111122ooooowwswsiwws根據(jù) 的數(shù)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(diào)上升，趨于 ，但車速超過臨界車速后， 發(fā)散

15、且趨于無窮稱為臨界阻尼， 單調(diào)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(yīng)，與小阻尼對應(yīng)的橫擺角速度為：)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(yīng)的參數(shù) 是

16、評價汽車瞬態(tài)響應(yīng)的一個重要參數(shù)。高些好。21212212221212212012122KukkmILkkIkbkamKumIkkLmIkkIkbkammwhzzzzz阻尼比阻尼比%165%112%100maxrorww8.05.04.0)/(3.31由此推算相應(yīng)的阻尼比試驗(yàn)工況為gasmuy反應(yīng)時間 2222020011arctan0sin0sinsinwwLkmuawwtwtCewBwtwtCewBtwotwoortwoorroo所所以以：即即，故故：時時，當(dāng)當(dāng)所所需需的的時時間間第第一一次次達(dá)達(dá)到到穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)值值的時間時達(dá)到第一峰值 1rw 20200000011arctanarctantan0tcossincossin000wwwwwwdttdwtwtwCetewtewCdttdwrtttr即：時，當(dāng)近代轎車的 s59. 023. 0 瞬態(tài)響應(yīng)