汽車操縱穩(wěn)定性的基本內(nèi)容

1、汽車操縱穩(wěn)定性需要采用較多的物理參量從多方面來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。表51給出了汽車操縱穩(wěn)定性的基本內(nèi)容及評(píng)價(jià)所用物理參量。在汽車操縱穩(wěn)定性的研究中，常把汽車作為一個(gè)控制系統(tǒng)，求出汽車曲線行駛的時(shí)域響應(yīng)和頻域響應(yīng)，并以它們來(lái)表征汽車的操縱穩(wěn)定性能。汽車曲線行駛的時(shí)域響應(yīng)，是指汽車在轉(zhuǎn)向盤輸入或外界側(cè)向干擾輸入下的側(cè)向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。轉(zhuǎn)向盤輸入有角輸入和力輸入兩種形式。給轉(zhuǎn)向盤作用一個(gè)角位移，稱為角位移輸入，簡(jiǎn)稱角輸入；給轉(zhuǎn)向盤作用一個(gè)力矩，稱為力矩輸入，簡(jiǎn)稱力輸入。在實(shí)際駕駛車輛時(shí)，駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向盤同時(shí)加入這兩種輸入。外界側(cè)向干擾輸入主要是指?jìng)?cè)向風(fēng)與路面不平產(chǎn)生的側(cè)向力。表44中的轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下進(jìn)入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)

2、及轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)，就是表征汽車操縱穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)向盤角位移輸入下的時(shí)域響應(yīng)。回正性是一種轉(zhuǎn)向盤力輸入下的時(shí)域響應(yīng)。橫擺角速度頻率響應(yīng)特性是指在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角正弦輸入下，頻率由0時(shí)，汽車橫擺角速度與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的振幅比及相位差的變化圖形。轉(zhuǎn)向盤中間位置操縱穩(wěn)定性是轉(zhuǎn)向盤小轉(zhuǎn)角、低頻正弦輸入下汽車高速行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)向半徑是評(píng)價(jià)汽車機(jī)動(dòng)性的物理參量。轉(zhuǎn)向輕便性是評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤輕便程度的特性。汽車直線行駛性能是評(píng)價(jià)汽車操縱穩(wěn)定性的另一個(gè)重要方面。其中，側(cè)向風(fēng)穩(wěn)定性與路面不平廢穩(wěn)定性是汽車直線行駛時(shí)在外界側(cè)向干擾輸入下的時(shí)域響應(yīng)。典型行駛工況性能，是指汽車通過(guò)某種模擬典型駕駛操作的通道的性能

3、。它們能更如實(shí)地反映汽車的操縱穩(wěn)定性。極限行駛性能，是指汽車在處于正常行駛與異常危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)之間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的特性。它表明了汽車安全行駛的極限性能。表44汽車操縱穩(wěn)定性的基本內(nèi)容及評(píng)價(jià)所用物理參量基本內(nèi)容主要評(píng)價(jià)參量1.轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下進(jìn)入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)轉(zhuǎn)向特性；轉(zhuǎn)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(shí)間、橫擺角速度波動(dòng)的無(wú)阻尼圓頻率2.橫擺角速度頻率響應(yīng)特性共振峰頻率、共振時(shí)振幅比、相位滯后角、穩(wěn)態(tài)增益3.轉(zhuǎn)向盤中間位置操縱穩(wěn)定性轉(zhuǎn)向靈敏度、轉(zhuǎn)向盤力特性轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩梯度、轉(zhuǎn)向功靈敏度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(shí)間5.轉(zhuǎn)向半徑最小轉(zhuǎn)向半徑6.

4、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、轉(zhuǎn)向功7.直線行駛性能直線行駛性側(cè)向風(fēng)穩(wěn)定性路面不平度穩(wěn)定性 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和側(cè)向偏移側(cè)向偏移8.典型行駛工況性能蛇行性能移線性能雙移線性能回避障礙性能 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9.極限行駛能力圓周行駛極限側(cè)向加速度抗例翻能力發(fā)生側(cè)滑時(shí)的控制性能 極限側(cè)向加速度極限車速回至原來(lái)路徑所需時(shí)間 本節(jié)只討論汽車操縱穩(wěn)定性的基本部分：轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)以及汽車側(cè)翻原理。汽車是一個(gè)由若干部件組成的物理系統(tǒng)。它具有慣性、彈性、阻尼等許多動(dòng)

5、力學(xué)的特點(diǎn)，是一個(gè)多自由度動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。構(gòu)成汽車動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)元件，如輪胎、懸架、轉(zhuǎn)向系等，具有非線性特性，描述汽車的微分方程應(yīng)是非線性微分方程，即汽車為非線性系統(tǒng)。通常，汽車側(cè)向加速度不超過(guò)0.4g，若忽略一些次要因素，則可以把汽車近似地看作線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。.2 車輛坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的時(shí)域響應(yīng)汽車的運(yùn)動(dòng)常用固連于運(yùn)動(dòng)著的汽車上的車輛坐標(biāo)系來(lái)描述。圖432所示為固連在汽車上的xOyz直角動(dòng)坐標(biāo)系，就是車輛坐標(biāo)系。xOz處于汽車左右對(duì)稱的平面內(nèi)。當(dāng)車輛在水平路面上處于靜止?fàn)顟B(tài)下，x軸平行于地面指向前方，z軸通過(guò)質(zhì)心指向上方，y指向駕駛員的左側(cè)，常令質(zhì)心為坐標(biāo)系的原點(diǎn)O。與操縱穩(wěn)定性有關(guān)的主要

6、運(yùn)動(dòng)參量，是車廂角速度在z軸上的分量r（橫擺角速度），汽車質(zhì)心速度在y軸上的分量v（側(cè)向速度），汽車質(zhì)心加速度在y軸上的分量ay（側(cè)向加速度）。汽車時(shí)域響應(yīng)可分為不隨時(shí)間變化的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和隨時(shí)間變化的瞬態(tài)響應(yīng)。汽車等速直線行駛就是一種穩(wěn)態(tài)。在汽車等速直線行駛時(shí)，若急速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤至某一轉(zhuǎn)角并維持此轉(zhuǎn)角不變時(shí)，即給汽車轉(zhuǎn)向盤一個(gè)角階躍輸入。一般汽車經(jīng)短暫時(shí)間后便進(jìn)入等速圓周行駛，這也是一種穩(wěn)態(tài)，稱為轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下進(jìn)入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。在等速直線行駛與等速圓周行駛這兩個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)之間的過(guò)渡過(guò)程是一種瞬態(tài)，相應(yīng)的瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)稱為轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)。汽車等速圓周行駛，即汽車轉(zhuǎn)向盤角階躍輸人下進(jìn)入的穩(wěn)

7、態(tài)響應(yīng)，在實(shí)際行駛中不常出現(xiàn)，但卻是表征汽車操縱穩(wěn)定性的一個(gè)重要的時(shí)域響應(yīng)，稱為汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性。汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性分為不足轉(zhuǎn)向、中性轉(zhuǎn)向和過(guò)度轉(zhuǎn)向三種類型。圖433所示為這三種不同轉(zhuǎn)向特性的汽車行駛特點(diǎn)。在轉(zhuǎn)向盤保持固定轉(zhuǎn)角sw下，緩慢加速或以不同車速等速行駛時(shí)，隨著車速的增加，不足轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向半徑增大；中性轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向半徑維持不變；而過(guò)度轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向半徑則越來(lái)越小。操縱穩(wěn)定性良好的汽車應(yīng)具有適度的不足轉(zhuǎn)向特性。一般汽車不應(yīng)具有過(guò)度轉(zhuǎn)向特性，也不應(yīng)具有中性轉(zhuǎn)向特性。因?yàn)橹行赞D(zhuǎn)向汽車在使用條件變動(dòng)時(shí)，有可能轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)度轉(zhuǎn)向特性。轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)也常被用來(lái)表征汽車操縱穩(wěn)定性。圖43

8、4所示為一輛等速行駛汽車在t=0時(shí)，駕駛員急速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤至角度sw并維持此轉(zhuǎn)角不變(即轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入)時(shí)的汽車瞬態(tài)響應(yīng)曲線。給汽車以轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入后，汽車橫擺角速度經(jīng)過(guò)一段過(guò)渡過(guò)程后達(dá)到穩(wěn)態(tài)橫擺角速度r0，此過(guò)渡過(guò)程即汽車的瞬態(tài)響應(yīng)。它具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：· 汽車橫擺角速度需要經(jīng)過(guò)時(shí)間后才能第一次達(dá)到r0，這一段滯后時(shí)間稱為反應(yīng)時(shí)間。反應(yīng)時(shí)間短，則駕駛員感到轉(zhuǎn)向響應(yīng)靈敏，否則就會(huì)覺(jué)得轉(zhuǎn)向遲鈍。也可用到達(dá)第一峰值的時(shí)間來(lái)描述滯后時(shí)間。·最大橫擺角速度r1常大于穩(wěn)態(tài)值r0。r1/r0×100%稱為超調(diào)量，它表示執(zhí)行指令誤差的大小。·在瞬態(tài)響應(yīng)中，橫擺角速度

9、r在r0值附近波動(dòng)。波動(dòng)頻率與汽車動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，它也是表征汽車操縱穩(wěn)定性的一個(gè)重要參數(shù)。·進(jìn)入穩(wěn)態(tài)所經(jīng)歷的時(shí)間，即橫擺角速度達(dá)到穩(wěn)態(tài)值95%105%之間的時(shí)間，稱為穩(wěn)定時(shí)間，它表明進(jìn)入穩(wěn)態(tài)響應(yīng)所經(jīng)歷的時(shí)間。個(gè)別汽車也可能出現(xiàn)汽車橫擺角速度r不能收斂的情況，即r值越來(lái)越大，轉(zhuǎn)向半徑越來(lái)越小，而導(dǎo)致汽車產(chǎn)生側(cè)向滑動(dòng)或翻車的危險(xiǎn)。由此可知，瞬態(tài)響應(yīng)包括兩方面的問(wèn)題：一是行駛方向穩(wěn)定性，即給汽車以轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入后，汽車能否達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)的問(wèn)題；二是響應(yīng)品質(zhì)問(wèn)題，即達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)之前，其瞬態(tài)響應(yīng)的特性如何。.3 人車閉環(huán)系統(tǒng)    假定駕駛員的任務(wù)只

10、是機(jī)械地急速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤至某轉(zhuǎn)角并維持此角度不變，而不允許對(duì)汽車轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)做出任何操縱修正動(dòng)作，即不允許駕駛員起任何反饋?zhàn)饔?。因此，汽車的時(shí)域響應(yīng)只是把汽車作為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的控制特性。它們完全取決于汽車的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，是汽車本身固有的特性。這種開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)可以通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論分析，也可用測(cè)試設(shè)備通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量進(jìn)行客觀分析。操縱穩(wěn)定性的研究對(duì)象應(yīng)把駕駛員與汽車作為統(tǒng)一的整體。圖435概括地描述了人車系統(tǒng)中駕駛員與汽車的關(guān)系。駕駛員根據(jù)需要，操縱轉(zhuǎn)向盤使汽車做一定的轉(zhuǎn)向行駛運(yùn)動(dòng)；路面凸凹不平、側(cè)向風(fēng)等干擾因素也影響汽車的行駛。駕駛員根據(jù)道路、交通等情況，通過(guò)身體器官感知到汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，經(jīng)頭腦

11、的分析、判斷，對(duì)轉(zhuǎn)向盤進(jìn)行操縱修正。如此不斷地反復(fù)循環(huán)，駕駛員操縱汽車行駛前進(jìn)。由此可知，在人車系統(tǒng)中，通過(guò)駕駛員把系統(tǒng)的輸出參數(shù)反饋到輸入控制中去。因此，人車系統(tǒng)是一個(gè)閉路系統(tǒng)。駕駛員的反饋?zhàn)饔檬謴?fù)雜，目前理論研究尚不成熟，人車系統(tǒng)的汽車操縱穩(wěn)定性借助試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。表44中的典型行駛工況性能就是人車閉環(huán)系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性能，是指人車系統(tǒng)通過(guò)某種典型通道時(shí)的性能。盡管試驗(yàn)得到的人車閉環(huán)系統(tǒng)的性能真實(shí)地反映了汽車的操縱穩(wěn)定性能，但是由于實(shí)施試驗(yàn)的駕駛員的操作特性起著反饋的作用，所以，客觀性及再現(xiàn)性就不如開(kāi)環(huán)系統(tǒng)汽車的時(shí)域響應(yīng)好。人車系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性只能在已具有實(shí)際車輛的條件下通過(guò)試驗(yàn)求得，目前尚

12、不能用理論分析與計(jì)算進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。.4 試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)評(píng)價(jià)有主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)兩種方法?？陀^評(píng)價(jià)法是通過(guò)測(cè)試儀器測(cè)出表征性能的物理量如橫擺角速度、側(cè)向加速度、側(cè)傾角及轉(zhuǎn)向力等來(lái)評(píng)價(jià)操縱穩(wěn)定性的方法。主觀評(píng)價(jià)法就是讓試驗(yàn)評(píng)價(jià)者根據(jù)試驗(yàn)時(shí)自己的感覺(jué)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。汽車本身特性的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)只能采用客觀評(píng)價(jià)法。人車閉路系統(tǒng)的試驗(yàn)常同時(shí)采用客觀評(píng)價(jià)與主觀評(píng)價(jià)兩種方法。汽車是由人來(lái)駕駛的，因此主觀評(píng)價(jià)法始終是操縱穩(wěn)定性的最終評(píng)價(jià)方法?？陀^評(píng)價(jià)中采用的物理量是否可以表征操縱穩(wěn)定性，就取決于用這些物理量評(píng)價(jià)性能的結(jié)果與主觀評(píng)價(jià)是否一致。有經(jīng)驗(yàn)的測(cè)試者在進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)時(shí)，還能發(fā)現(xiàn)儀器所不能檢驗(yàn)出來(lái)的現(xiàn)象。通常先由試驗(yàn)者的感覺(jué)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，然后再用儀器測(cè)試。雖然開(kāi)環(huán)系統(tǒng)試驗(yàn)只用客觀評(píng)價(jià)法，但是其試驗(yàn)方法的本身及采用的評(píng)價(jià)