車輛動(dòng)力學(xué)操縱動(dòng)力學(xué)

1、車輛(chling)動(dòng)力學(xué)-操縱動(dòng)力學(xué)北京科技大學(xué)USTB共六十四頁(yè)共六十四頁(yè)沿ox軸速度分量的變化，可投影計(jì)算(j sun)得（當(dāng)角度很小時(shí)）前后輪的側(cè)偏角：共六十四頁(yè)共六十四頁(yè)將前后側(cè)偏角待遇汽車(qch)受力方程，得：共六十四頁(yè)前輪角階躍輸入下進(jìn)入的汽車(qch)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)等速圓周運(yùn)動(dòng)1 穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)(zhbio)：穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益或轉(zhuǎn)向靈敏度共六十四頁(yè)共六十四頁(yè)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的三種(sn zhn)類型過度(gud)轉(zhuǎn)向Over-Steering不足轉(zhuǎn)向Under- Steering中性轉(zhuǎn)向Neutral-Steering共六十四頁(yè)當(dāng)汽車以很低的速度(sd)和/或很大轉(zhuǎn)向半徑行駛時(shí)，側(cè)偏

2、角很小，即則有共六十四頁(yè)特征(tzhng)車速共六十四頁(yè)臨界(ln ji)車速共六十四頁(yè)共六十四頁(yè)1. 基本操縱(cozng)模型最簡(jiǎn)單的車輛操縱(cozng)模型：縱向運(yùn)動(dòng)，側(cè)向運(yùn)動(dòng)和橫擺運(yùn)動(dòng)輪胎縱向力：駕駛員通過加速踏板和變速機(jī)構(gòu)控制驅(qū)動(dòng)力大小，通過制動(dòng)系統(tǒng)來控制制動(dòng)力；輪胎側(cè)向力：通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制輪胎的側(cè)向力共六十四頁(yè)基本(jbn)操縱模型單軌操縱動(dòng)力學(xué)模型：不考慮輪胎的左右載荷轉(zhuǎn)移(zhuny)坐標(biāo)系： 車身上具有加速度的隨動(dòng)坐標(biāo)系，共六十四頁(yè)慣性(gunxng)參考基G(g1,g2,g3),隨動(dòng)坐標(biāo)A（a1,a2,a3)車輛的三個(gè)自由度：前進(jìn)速度u, 側(cè)向速度v，橫擺角速度r共六十四

3、頁(yè)坐標(biāo)系A(chǔ)與G的變換(binhun)：系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程：牛頓(ni dn)第二定律共六十四頁(yè)將輪胎(lnti)的側(cè)向力代入：輪胎(lnti)側(cè)偏角：共六十四頁(yè)系統(tǒng)(xtng)的狀態(tài)方程共六十四頁(yè)拉格朗日方程(fngchng)拉格朗日函數(shù)(hnsh)T：系統(tǒng)的動(dòng)能U：系統(tǒng)的勢(shì)能qa：廣義坐標(biāo)共六十四頁(yè)說明：拉格朗日方程是力學(xué)系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)方程。運(yùn)動(dòng)方程 在牛頓力學(xué)中為牛頓第二定律，在分析力學(xué)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(biāo) 量方程。分析力學(xué)中，特征函數(shù)為拉格朗日函數(shù)；牛頓力學(xué)中， 特征函數(shù)為力。 ：標(biāo)量函數(shù) 共六十四頁(yè) 給出力學(xué)體系的坐標(biāo)(zubio)和速度就能

4、完全確定經(jīng)典力學(xué) 體系的狀態(tài)。 不再僅限于直角坐標(biāo)、正交曲線坐標(biāo)(如球坐標(biāo))， 在此為廣義坐標(biāo)。很多情況下，由拉格朗日方程得到的關(guān)于廣義坐標(biāo)的 運(yùn)動(dòng)微分方程是二階非線性的，求解很困難。 共六十四頁(yè)采用(ciyng)拉格朗日方法推導(dǎo)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(dòng)能和廣義力：共六十四頁(yè)2. 操縱特性(txng)分析穩(wěn)態(tài)響應(yīng)分析：前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)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(yīng)分析：車輛在轉(zhuǎn)向角為正弦輸入下的響應(yīng)共六十四頁(yè)操縱特性(txng)分析穩(wěn)態(tài)響應(yīng)分析：設(shè)動(dòng)態(tài)(dngti)

5、項(xiàng)為0橫擺角速度穩(wěn)態(tài)響應(yīng)增益：共六十四頁(yè)穩(wěn)態(tài)橫擺角速度和側(cè)向(c xin)加速度分別為該式適用(shyng)于： 車速極低，且無側(cè)偏角共六十四頁(yè)轉(zhuǎn)向(zhunxing)曲率不足轉(zhuǎn)向參數(shù)：共六十四頁(yè)穩(wěn)定性分析：觀察小干擾下的瞬態(tài)響應(yīng)(xingyng)特性無轉(zhuǎn)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(yè)穩(wěn)定性分析(fnx)：李亞普諾夫穩(wěn)定性 ：指對(duì)系統(tǒng)平衡狀態(tài)(zhungti)為穩(wěn)定或不穩(wěn)定所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。 李亞普諾夫意義下穩(wěn)定性的含義a 穩(wěn)定 b 漸進(jìn)穩(wěn)定 c 不穩(wěn)定共六十四頁(yè)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(zhì)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(duì)于系統(tǒng)來說，如果系統(tǒng)矩陣A的特征值全部位于復(fù)平面的左半部，即系統(tǒng)矩陣特征值的實(shí)部全部為負(fù)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的；只要有一個(gè)特征值的實(shí)部大于0，則系統(tǒng)不穩(wěn)定，如果只有一個(gè)（或一對(duì)，且均不能是重根）特征值的實(shí)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(yè)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(gè)特征值的實(shí)部大于0，則系統(tǒng)不穩(wěn)定，如果只有一個(gè)（或一對(duì)，且均不能是重根）特征值的實(shí)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(yè)穩(wěn)定性分析(fnx)

7、特征根至原點(diǎn)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(yè)頻率響應(yīng)(pn l xin yn)分析轉(zhuǎn)向輸入下系統(tǒng)的狀態(tài)方程：系統(tǒng)的輸入U(xiǎn)：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(yè)頻率響應(yīng)(pn l xin yn)分析系統(tǒng)的單輸入(shr)：側(cè)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(yè)頻率響應(yīng)(pn l xin yn)分析傳遞函數(shù)的形式：?jiǎn)挝晦D(zhuǎn)向角引起的側(cè)向速度(sd)增益及相位移；單位轉(zhuǎn)向角引起的橫擺角速度增益和相位移共六十四頁(yè)頻率響應(yīng)(pn l xin yn)分析橫擺角速度

8、和側(cè)向(c xin)加速度為重要的輸出參數(shù)。共六十四頁(yè)零頻率(pnl)-穩(wěn)態(tài)響應(yīng)共六十四頁(yè)車輛參數(shù)(cnsh)為操縱性的影響穩(wěn)定裕度車輛的質(zhì)心位置：輪胎垂直載荷也會(huì)隨之變化，影響輪胎側(cè)偏角。輪胎側(cè)偏剛度：可調(diào)節(jié)胎壓載荷的軸向轉(zhuǎn)移：車輪外傾角的影響變形(bin xng)轉(zhuǎn)向共六十四頁(yè)載荷(zi h)的軸向轉(zhuǎn)移：通過車輛前、后懸架側(cè)傾剛度的匹配關(guān)系來控制載荷轉(zhuǎn)移。側(cè)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(yè)3.基本操縱(cozng)模型的擴(kuò)展擴(kuò)展的因素包括：簧載質(zhì)量的側(cè)傾自由度車輪轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變形(bin xng)的影響懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)變形

9、轉(zhuǎn)向效應(yīng)共六十四頁(yè)操縱(cozng)模型三個(gè)坐標(biāo)系: 地面慣性基G;車輛(chling)隨動(dòng)參考基A; 車身運(yùn)動(dòng)參考基B共六十四頁(yè)共六十四頁(yè)共六十四頁(yè)基于(jy)拉格朗日方程的操縱模型共六十四頁(yè)拉格朗日方程(fngchng)動(dòng)能(dngnng)：簧載質(zhì)量， 平動(dòng)動(dòng)能： 轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能：前、后非簧載共六十四頁(yè)廣義力：廣義力取決于參考側(cè)傾軸高度的轉(zhuǎn)矩輪胎(lnti)位移：車身側(cè)傾轉(zhuǎn)矩的廣義力：共六十四頁(yè)車輛行駛速度恒定，導(dǎo)出側(cè)向速度，橫擺角速度和車身(ch shn)側(cè)傾角的三個(gè)微分方程：共六十四頁(yè)輪胎側(cè)向力相對(duì)(xingdu)側(cè)偏角和垂直載荷呈線性關(guān)系：共六十四頁(yè)車輪(ch ln)轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)對(duì)車輪很大的非

10、公路車，車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)對(duì)車輛的動(dòng)態(tài)特性影響較顯著。三個(gè)自由度：繞x軸的外傾(wi qn)；繞y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)；繞z軸的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)共六十四頁(yè)車輪(ch ln)輪心的位置矢量：車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能：共六十四頁(yè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(xtng)的影響實(shí)際的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)輸入以角位移或轉(zhuǎn)矩的形式施加(shji)于轉(zhuǎn)向盤，并假設(shè)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與車輪轉(zhuǎn)角比值i為恒定。前輪的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能；轉(zhuǎn)向柱的勢(shì)能；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的耗散能；共六十四頁(yè)廣義力：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)(yndng)方程：共六十四頁(yè)輪胎側(cè)向(c xin)力和回正力矩與側(cè)偏角的關(guān)系：共六十四頁(yè)懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)車身側(cè)傾引起車輪定位參數(shù)的變化(binhu)：繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的車輪轉(zhuǎn)向角；繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)的車輪外

11、傾角；沿y軸方向的輪胎接地印跡側(cè)向位移懸架系數(shù)“車身側(cè)傾角較小時(shí)，各變量的變化對(duì)其的偏導(dǎo)數(shù)共六十四頁(yè)懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)側(cè)傾轉(zhuǎn)向(zhunxing)附加轉(zhuǎn)向(zhunxing)角：前輪胎側(cè)偏角（前輪轉(zhuǎn)向角包括兩部分）前輪的橫擺角速度：共六十四頁(yè)懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)車身側(cè)傾角產(chǎn)生的附加(fji)車輪外傾角：考慮由此引起的輪胎側(cè)偏角的變化：共六十四頁(yè)變形(bin xng)轉(zhuǎn)向變形轉(zhuǎn)向：懸架導(dǎo)向桿系變形所引起的車輪(ch ln)轉(zhuǎn)向角的變化。該附加的變形轉(zhuǎn)向角由輪胎側(cè)向力通過懸架變形的作用而產(chǎn)生的。變形轉(zhuǎn)向角：輪胎側(cè)向偏移量：共六十四頁(yè)變形(bin xng)轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模：通過變速機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向橫拉桿和轉(zhuǎn)向垂臂先練的轉(zhuǎn)

12、向柱（傳動(dòng)比 ）通過轉(zhuǎn)向橫拉桿和轉(zhuǎn)向臂與前輪相連(xin lin)的轉(zhuǎn)向桿系變形均在轉(zhuǎn)向柱上，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總傳動(dòng)比共六十四頁(yè)側(cè)向(c xin)變形 ，前軸的位移：由于其他元件均為剛性，由幾何關(guān)系轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)角共六十四頁(yè)后軸變形轉(zhuǎn)向效應(yīng)：認(rèn)為后軸相對(duì)車身產(chǎn)生橫擺運(yùn)動(dòng)過多變形轉(zhuǎn)向（Compliance Oversteer）：橫擺轉(zhuǎn)動(dòng)中心(zhngxn)在后軸之前不足變形轉(zhuǎn)向（Compliance Understeer）橫擺轉(zhuǎn)動(dòng)中心在后軸之后共六十四頁(yè)橫擺瞬時(shí)中心至后軸質(zhì)心的距離br：變形轉(zhuǎn)向角和輪胎側(cè)向偏移量之比）后軸相對(duì)車身的扭轉(zhuǎn)(nizhun)剛度：共六十四頁(yè)后軸質(zhì)心(zh xn)相對(duì)參考原點(diǎn)的位置矢量：共六十四頁(yè)位置矢量在慣性參考系內(nèi)的速度：位置矢量P在參考(cnko)基C內(nèi)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(yè)基于拉格朗日方程(fngchng)的后軸運(yùn)動(dòng)后軸的平移動(dòng)(ydng)能項(xiàng)：共六十四頁(yè)內(nèi)容摘要車輛動(dòng)力學(xué)-操縱動(dòng)力學(xué)。車輛動(dòng)力學(xué)-操縱動(dòng)力學(xué)。最簡(jiǎn)單的車輛操縱模型：縱向運(yùn)動(dòng)，側(cè)向運(yùn)動(dòng)和橫擺運(yùn)動(dòng)。輪胎縱向力：駕駛員通過加速踏板和變速機(jī)構(gòu)控制驅(qū)動(dòng)力大小，通過制動(dòng)系統(tǒng)來控制制動(dòng)力。坐標(biāo)系： 車身上具有加速度的隨動(dòng)坐標(biāo)系