車輛動力學操縱動力學

1、車輛(chling)動力學-操縱動力學北京科技大學USTB共六十四頁共六十四頁沿ox軸速度分量的變化，可投影計算(j sun)得（當角度很小時）前后輪的側偏角：共六十四頁共六十四頁將前后側偏角待遇汽車(qch)受力方程，得：共六十四頁前輪角階躍輸入下進入的汽車(qch)穩(wěn)態(tài)響應等速圓周運動1 穩(wěn)態(tài)響應的評價指標(zhbio)：穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益或轉向靈敏度共六十四頁共六十四頁穩(wěn)態(tài)響應的三種(sn zhn)類型過度(gud)轉向Over-Steering不足轉向Under- Steering中性轉向Neutral-Steering共六十四頁當汽車以很低的速度(sd)和/或很大轉向半徑行駛時，側偏

2、角很小，即則有共六十四頁特征(tzhng)車速共六十四頁臨界(ln ji)車速共六十四頁共六十四頁1. 基本操縱(cozng)模型最簡單的車輛操縱(cozng)模型：縱向運動，側向運動和橫擺運動輪胎縱向力：駕駛員通過加速踏板和變速機構控制驅動力大小，通過制動系統(tǒng)來控制制動力；輪胎側向力：通過轉向系統(tǒng)控制輪胎的側向力共六十四頁基本(jbn)操縱模型單軌操縱動力學模型：不考慮輪胎的左右載荷轉移(zhuny)坐標系： 車身上具有加速度的隨動坐標系，共六十四頁慣性(gunxng)參考基G(g1,g2,g3),隨動坐標A（a1,a2,a3)車輛的三個自由度：前進速度u, 側向速度v，橫擺角速度r共六十四

3、頁坐標系A與G的變換(binhun)：系統(tǒng)的運動方程：牛頓(ni dn)第二定律共六十四頁將輪胎(lnti)的側向力代入：輪胎(lnti)側偏角：共六十四頁系統(tǒng)(xtng)的狀態(tài)方程共六十四頁拉格朗日方程(fngchng)拉格朗日函數(shù)(hnsh)T：系統(tǒng)的動能U：系統(tǒng)的勢能qa：廣義坐標共六十四頁說明：拉格朗日方程是力學系統(tǒng)的基本運動方程。運動方程 在牛頓力學中為牛頓第二定律，在分析力學中為拉格 朗日(ln r)方程。牛頓方程：矢量方程；拉格朗日方程：標 量方程。分析力學中，特征函數(shù)為拉格朗日函數(shù)；牛頓力學中， 特征函數(shù)為力。 ：標量函數(shù) 共六十四頁 給出力學體系的坐標(zubio)和速度就能

4、完全確定經典力學 體系的狀態(tài)。 不再僅限于直角坐標、正交曲線坐標(如球坐標)， 在此為廣義坐標。很多情況下，由拉格朗日方程得到的關于廣義坐標的 運動微分方程是二階非線性的，求解很困難。 共六十四頁采用(ciyng)拉格朗日方法推導由于系統(tǒng)(xtng)變量是速度而不是位移，需要特殊形式的拉格朗日方程。系統(tǒng)的動能和廣義力：共六十四頁2. 操縱特性(txng)分析穩(wěn)態(tài)響應分析：前進速度和轉向角均為定值穩(wěn)定性分析：直線行駛條件下，車輛持續(xù)受到小的干擾，使其偏離(pinl)本身平衡狀態(tài)的程度。頻率響應分析：車輛在轉向角為正弦輸入下的響應共六十四頁操縱特性(txng)分析穩(wěn)態(tài)響應分析：設動態(tài)(dngti)

5、項為0橫擺角速度穩(wěn)態(tài)響應增益：共六十四頁穩(wěn)態(tài)橫擺角速度和側向(c xin)加速度分別為該式適用(shyng)于： 車速極低，且無側偏角共六十四頁轉向(zhunxing)曲率不足轉向參數(shù)：共六十四頁穩(wěn)定性分析：觀察小干擾下的瞬態(tài)響應(xingyng)特性無轉向輸入下系統(tǒng)的狀態(tài)方程：其解具有形式(xngsh)：特征方程（特征根）共六十四頁穩(wěn)定性分析(fnx)：李亞普諾夫穩(wěn)定性 ：指對系統(tǒng)平衡狀態(tài)(zhungti)為穩(wěn)定或不穩(wěn)定所規(guī)定的標準。 李亞普諾夫意義下穩(wěn)定性的含義a 穩(wěn)定 b 漸進穩(wěn)定 c 不穩(wěn)定共六十四頁李亞普諾夫穩(wěn)定性判定(pndng)方法 解系統(tǒng)的微分方程(wi fn fn chn)式

6、，然后根據(jù)解的性質來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，或根據(jù)特征方程根的情況來判定穩(wěn)定性，。對于系統(tǒng)來說，如果系統(tǒng)矩陣A的特征值全部位于復平面的左半部，即系統(tǒng)矩陣特征值的實部全部為負，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的；只要有一個特征值的實部大于0，則系統(tǒng)不穩(wěn)定，如果只有一個（或一對，且均不能是重根）特征值的實部等于0，其余特征值均小于0，則系統(tǒng)是李亞普諾夫意義下穩(wěn)定的。 共六十四頁特征方程（特征(tzhng)根）特征方程的解有兩種形式：（特征根）只要有一個特征值的實部大于0，則系統(tǒng)不穩(wěn)定，如果只有一個（或一對，且均不能是重根）特征值的實部等于0，其余特征值均小于0，則系統(tǒng)是李亞普諾夫意義下穩(wěn)定的。共六十四頁穩(wěn)定性分析(fnx)

7、特征根至原點的距離表示系統(tǒng)(xtng)無阻尼固有頻率；特征根的虛部為阻尼固有頻率；特征矢量與虛軸之間夾角的正弦為阻尼比共六十四頁頻率響應(pn l xin yn)分析轉向輸入下系統(tǒng)的狀態(tài)方程：系統(tǒng)的輸入U：方程(fngchng)的解：系統(tǒng)可表示為頻域下的形式：H為系統(tǒng)的傳遞矩陣共六十四頁頻率響應(pn l xin yn)分析系統(tǒng)的單輸入(shr)：側向速度和橫擺角速度：傳遞函數(shù)：系統(tǒng)的方程：共六十四頁頻率響應(pn l xin yn)分析傳遞函數(shù)的形式：單位轉向角引起的側向速度(sd)增益及相位移；單位轉向角引起的橫擺角速度增益和相位移共六十四頁頻率響應(pn l xin yn)分析橫擺角速度

8、和側向(c xin)加速度為重要的輸出參數(shù)。共六十四頁零頻率(pnl)-穩(wěn)態(tài)響應共六十四頁車輛參數(shù)(cnsh)為操縱性的影響穩(wěn)定裕度車輛的質心位置：輪胎垂直載荷也會隨之變化，影響輪胎側偏角。輪胎側偏剛度：可調節(jié)胎壓載荷的軸向轉移：車輪外傾角的影響變形(bin xng)轉向共六十四頁載荷(zi h)的軸向轉移：通過車輛前、后懸架側傾剛度的匹配關系來控制載荷轉移。側傾剛度受懸架彈簧體現(xiàn)的主懸架剛度和一些附加因素（橫向(hn xin)穩(wěn)定桿）的綜合影響。共六十四頁3.基本操縱(cozng)模型的擴展擴展的因素包括：簧載質量的側傾自由度車輪轉動效應轉向系統(tǒng)變形(bin xng)的影響懸架運動學效應變形

9、轉向效應共六十四頁操縱(cozng)模型三個坐標系: 地面慣性基G;車輛(chling)隨動參考基A; 車身運動參考基B共六十四頁共六十四頁共六十四頁基于(jy)拉格朗日方程的操縱模型共六十四頁拉格朗日方程(fngchng)動能(dngnng)：簧載質量， 平動動能： 轉動動能：前、后非簧載共六十四頁廣義力：廣義力取決于參考側傾軸高度的轉矩輪胎(lnti)位移：車身側傾轉矩的廣義力：共六十四頁車輛行駛速度恒定，導出側向速度，橫擺角速度和車身(ch shn)側傾角的三個微分方程：共六十四頁輪胎側向力相對(xingdu)側偏角和垂直載荷呈線性關系：共六十四頁車輪(ch ln)轉動效應對車輪很大的非

10、公路車，車輪的轉動效應對車輛的動態(tài)特性影響較顯著。三個自由度：繞x軸的外傾(wi qn)；繞y軸的轉動；繞z軸的轉向運動共六十四頁車輪(ch ln)輪心的位置矢量：車輪的轉動動能：共六十四頁轉向系統(tǒng)(xtng)的影響實際的轉向系統(tǒng)，當系統(tǒng)輸入以角位移或轉矩的形式施加(shji)于轉向盤，并假設轉向盤轉角與車輪轉角比值i為恒定。前輪的轉向轉動動能；轉向柱的勢能；轉向系統(tǒng)的耗散能；共六十四頁廣義力：轉向系統(tǒng)的運動(yndng)方程：共六十四頁輪胎側向(c xin)力和回正力矩與側偏角的關系：共六十四頁懸架運動學車身側傾引起車輪定位參數(shù)的變化(binhu)：繞z軸轉動的車輪轉向角；繞x軸轉動的車輪外

11、傾角；沿y軸方向的輪胎接地印跡側向位移懸架系數(shù)“車身側傾角較小時，各變量的變化對其的偏導數(shù)共六十四頁懸架運動學側傾轉向(zhunxing)附加轉向(zhunxing)角：前輪胎側偏角（前輪轉向角包括兩部分）前輪的橫擺角速度：共六十四頁懸架運動學車身側傾角產生的附加(fji)車輪外傾角：考慮由此引起的輪胎側偏角的變化：共六十四頁變形(bin xng)轉向變形轉向：懸架導向桿系變形所引起的車輪(ch ln)轉向角的變化。該附加的變形轉向角由輪胎側向力通過懸架變形的作用而產生的。變形轉向角：輪胎側向偏移量：共六十四頁變形(bin xng)轉向轉向系統(tǒng)的建模：通過變速機構與轉向橫拉桿和轉向垂臂先練的轉

12、向柱（傳動比 ）通過轉向橫拉桿和轉向臂與前輪相連(xin lin)的轉向桿系變形均在轉向柱上，轉向系統(tǒng)的總傳動比共六十四頁側向(c xin)變形 ，前軸的位移：由于其他元件均為剛性，由幾何關系轉向柱轉角共六十四頁后軸變形轉向效應：認為后軸相對車身產生橫擺運動過多變形轉向（Compliance Oversteer）：橫擺轉動中心(zhngxn)在后軸之前不足變形轉向（Compliance Understeer）橫擺轉動中心在后軸之后共六十四頁橫擺瞬時中心至后軸質心的距離br：變形轉向角和輪胎側向偏移量之比）后軸相對車身的扭轉(nizhun)剛度：共六十四頁后軸質心(zh xn)相對參考原點的位置矢量：共六十四頁位置矢量在慣性參考系內的速度：位置矢量P在參考(cnko)基C內的速度矢量 矢量(shling)P在慣性參考基G中的速度共六十四頁基于拉格朗日方程(fngchng)的后軸運動后軸的平移動(ydng)能項：共六十四頁內容摘要車輛動力學-操縱動力學。車輛動力學-操縱動力學。最簡單的車輛操縱模型：縱向運動，側向運動和橫擺運動。輪胎縱向力：駕駛員通過加速踏板和變速機構控制驅動力大小，通過制動系統(tǒng)來控制制動力。坐標系： 車身上具有加速度的隨動坐標系