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進行評價。表51給出了汽車操縱穩(wěn)定性的基本內(nèi)容及評價所用物理參量。在汽車操縱穩(wěn)定性的研究中，常把汽車作為一個控制系統(tǒng)，求出汽車曲線行駛的時域響應和頻域響應，并以它們來表征汽車的操縱穩(wěn)定性能。汽車曲線行駛的時域響應，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)向運動響應。轉(zhuǎn)向盤輸入有角輸入和力輸入兩種形式。給轉(zhuǎn)向盤作用一個角位移，稱為角位移輸入，簡稱角輸入；給轉(zhuǎn)向盤作用一個力矩，稱為力矩輸入，簡稱力輸入。在實際駕駛車輛時，駕駛員對轉(zhuǎn)向盤同時加入這兩種輸入。外界側(cè)向干擾輸入主要是指側(cè)向風與路面不平產(chǎn)生的側(cè)向力。表44中的轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應

2、及轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應，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域響應。回正性是一種轉(zhuǎn)向盤力輸入下的時域響應。橫擺角速度頻率響應特性是指在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角正弦輸入下，頻率由0時，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的操縱穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)向半徑是評價汽車機動性的物理參量。轉(zhuǎn)向輕便性是評價轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤輕便程度的特性。汽車直線行駛性能是評價汽車操縱穩(wěn)定性的另一個重要方面。其中，側(cè)向風穩(wěn)定性與路面不平廢穩(wěn)定性是汽車直線行駛時在外界側(cè)向干擾輸入下的時域響應。典型行駛工況性能，是指汽車通過某種模擬典型駕駛操作的通道的性能

3、。它們能更如實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運動之間的運動狀態(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)容及評價所用物理參量基本內(nèi)容主要評價參量1.轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應轉(zhuǎn)向特性；轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益轉(zhuǎn)向靈敏度反應時間、橫擺角速度波動的無阻尼圓頻率2.橫擺角速度頻率響應特性共振峰頻率、共振時振幅比、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.

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)滑時的控制性能 極限側(cè)向加速度極限車速回至原來路徑所需時間 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)響應和瞬態(tài)響應以及汽車側(cè)翻原理。汽車是一個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

5、力學的特點，是一個多自由度動力學系統(tǒng)。構(gòu)成汽車動力學系統(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力學系統(tǒng)。.2 車輛坐標系與轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的時域響應汽車的運動常用固連于運動著的汽車上的車輛坐標系來描述。圖432所示為固連在汽車上的xOyz直角動坐標系，就是車輛坐標系。xOz處于汽車左右對稱的平面內(nèi)。當車輛在水平路面上處于靜止狀態(tài)下，x軸平行于地面指向前方，z軸通過質(zhì)心指向上方，y指向駕駛員的左側(cè)，常令質(zhì)心為坐標系的原點O。與操縱穩(wěn)定性有關(guān)的主要

6、運動參量，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）。汽車時域響應可分為不隨時間變化的穩(wěn)態(tài)響應和隨時間變化的瞬態(tài)響應。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，若急速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤至某一轉(zhuǎn)角并維持此轉(zhuǎn)角不變時，即給汽車轉(zhuǎn)向盤一個角階躍輸入。一般汽車經(jīng)短暫時間后便進入等速圓周行駛，這也是一種穩(wěn)態(tài)，稱為轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應。在等速直線行駛與等速圓周行駛這兩個穩(wěn)態(tài)運動之間的過渡過程是一種瞬態(tài)，相應的瞬態(tài)運動響應稱為轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應。汽車等速圓周行駛，即汽車轉(zhuǎn)向盤角階躍輸人下進入的穩(wěn)

7、態(tài)響應，在實際行駛中不常出現(xiàn)，但卻是表征汽車操縱穩(wěn)定性的一個重要的時域響應，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。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，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；而過度轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向半徑則越來越小。操縱穩(wěn)定性良好的汽車應具有適度的不足轉(zhuǎn)向特性。一般汽車不應具有過度轉(zhuǎn)向特性，也不應具有中性轉(zhuǎn)向特性。因為中性轉(zhuǎn)向汽車在使用條件變動時，有可能轉(zhuǎn)變?yōu)檫^度轉(zhuǎn)向特性。轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應也常被用來表征汽車操縱穩(wěn)定性。圖43

8、4所示為一輛等速行駛汽車在t=0時，駕駛員急速轉(zhuǎn)動轉(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)時的汽車瞬態(tài)響應曲線。給汽車以轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入后，汽車橫擺角速度經(jīng)過一段過渡過程后達到穩(wěn)態(tài)橫擺角速度r0，此過渡過程即汽車的瞬態(tài)響應。它具有如下幾個特點：· 汽車橫擺角速度需要經(jīng)過時間后才能第一次達到r0，這一段滯后時間稱為反應時間。反應時間短，則駕駛員感到轉(zhuǎn)向響應靈敏，否則就會覺得轉(zhuǎn)向遲鈍。也可用到達第一峰值的時間來描述滯后時間。·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)響應中，橫擺角速度

9、r在r0值附近波動。波動頻率與汽車動力學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，它也是表征汽車操縱穩(wěn)定性的一個重要參數(shù)。·進入穩(wěn)態(tài)所經(jīng)歷的時間，即橫擺角速度達到穩(wěn)態(tài)值95%105%之間的時間，稱為穩(wěn)定時間，它表明進入穩(wěn)態(tài)響應所經(jīng)歷的時間。個別汽車也可能出現(xiàn)汽車橫擺角速度r不能收斂的情況，即r值越來越大，轉(zhuǎn)向半徑越來越小，而導致汽車產(chǎn)生側(cè)向滑動或翻車的危險。由此可知，瞬態(tài)響應包括兩方面的問題：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，汽車能否達到新的穩(wěn)定狀態(tài)的問題；二是響應品質(zhì)問題，即達到新的穩(wěn)態(tài)之前，其瞬態(tài)響應的特性如何。.3 人車閉環(huán)系統(tǒng)    假定駕駛員的任務只

10、是機械地急速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤至某轉(zhuǎn)角并維持此角度不變，而不允許對汽車轉(zhuǎn)向運動做出任何操縱修正動作，即不允許駕駛員起任何反饋作用。因此，汽車的時域響應只是把汽車作為開環(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。這種開環(huán)系統(tǒng)的時域響應可以通過建立數(shù)學模型進行理論分析，也可用測試設備通過試驗測量進行客觀分析。操縱穩(wěn)定性的研究對象應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)向行駛運動；路面凸凹不平、側(cè)向風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，通過身體器官感知到汽車運動狀態(tài)，經(jīng)頭腦

11、的分析、判斷，對轉(zhuǎn)向盤進行操縱修正。如此不斷地反復循環(huán)，駕駛員操縱汽車行駛前進。由此可知，在人車系統(tǒng)中，通過駕駛員把系統(tǒng)的輸出參數(shù)反饋到輸入控制中去。因此，人車系統(tǒng)是一個閉路系統(tǒng)。駕駛員的反饋作用十分復雜，目前理論研究尚不成熟，人車系統(tǒng)的汽車操縱穩(wěn)定性借助試驗進行測定。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)通過某種典型通道時的性能。盡管試驗得到的人車閉環(huán)系統(tǒng)的性能真實地反映了汽車的操縱穩(wěn)定性能，但是由于實施試驗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)性就不如開環(huán)系統(tǒng)汽車的時域響應好。人車系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性只能在已具有實際車輛的條件下通過試驗求得，目前尚

12、不能用理論分析與計算進行準確預測。.4 試驗評價方法汽車操縱穩(wěn)定性試驗評價有主觀評價和客觀評價兩種方法?？陀^評價法是通過測試儀器測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)向力等來評價操縱穩(wěn)定性的方法。主觀評價法就是讓試驗評價者根據(jù)試驗時自己的感覺來進行評價。汽車本身特性的開環(huán)系統(tǒng)只能采用客觀評價法。人車閉路系統(tǒng)的試驗常同時采用客觀評價與主觀評價兩種方法。汽車是由人來駕駛的，因此主觀評價法始終是操縱穩(wěn)定性的最終評價方法?？陀^評價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價性能的結(jié)果與主觀評價是否一致。有經(jīng)驗的測試者在進行主觀評價試驗時，還能發(fā)現(xiàn)儀器所不能檢驗出來的現(xiàn)象。通常先由試驗者的感覺發(fā)現(xiàn)問題，然后再用儀器測試。雖然開環(huán)系統(tǒng)試驗只用客觀評價法，但是其試驗方法的本身及采用的評價