汽車理論課件

1、汽車理論課件汽車理論課件第4章 汽車轉向系統(tǒng)動力學4. 1 汽車轉向行駛動力學模型4. 2 固定轉向盤轉角時,轉向系統(tǒng)對汽車轉 向性能的影響4. 3 不固定轉向盤轉角時,轉向系統(tǒng)對汽車轉向性能的影響4. 4 汽車的四輪轉向4. 5汽車電動助力轉向系統(tǒng)(EPS) 簡介第4章 汽車轉向系統(tǒng)動力學4. 1 汽車轉向行駛動力學模型汽車轉向性能的定義 是指汽車能遵循駕駛者轉向盤的輸入，通過轉向系及轉向車輪給定的方向，按預定軌跡（路徑）行駛的能力。汽車轉向性能的定義4.1 汽車轉向行駛動力學模型4.1.1轉向系統(tǒng)等效動力學模型圖4-1汽車轉向系統(tǒng)4.1 汽車轉向行駛動力學模型4.1.1轉向系統(tǒng)等效動力學模

2、按功能原理將上述轉向系統(tǒng)轉化為繞轉向主銷轉動的等效動力學模型,如圖4-2.圖4-2 繞轉向主銷的轉向系統(tǒng)等效動力學模型按功能原理將上述轉向系統(tǒng)轉化為繞轉向主銷轉動的等效動力學模型 當汽車行駛時,若給轉向盤某一角度,則轉向輪產生的側偏力將繞轉向主銷形成回正力矩,如圖4-3:圖4-3 轉向側偏力繞轉向主銷的回正力矩 當汽車行駛時,若給轉向盤某一角度,則轉向輪產生 由圖4-2可分別寫出轉向盤和轉向輪繞轉向主銷的等效動力學方程式如下： 上述兩式表明，轉向輪轉角相對于駕駛員操作轉向盤力矩的響應和對汽車轉向行駛動力學與轉向系統(tǒng)特性及轉向輪側偏特性密切相關。因此，要分析轉向系統(tǒng)對汽車轉向性能的影響，還需要建

3、立汽車轉向形式動力學方程式。 由圖4-2可分別寫出轉向盤和轉向輪繞轉向主銷的等效動4.1.2汽車行駛動力學方程 圖4-4 汽車在地面固定坐標系中的運動描述 4.1.2汽車行駛動力學方程 圖4-4 汽車在地面固定坐標圖4-5 單位向量的時間微分 圖4-5 單位向量的時間微分 a) 車輪側偏力 b) 車輪速度 圖4-6 汽車在水平面內的運動 a) 車輪側偏力 b) 車輪速度 圖4-6 汽車在水平面內又參照圖4-6b，可以分別確定各車輪側偏角為：前后輪的左右輪側偏角分別相等，可表示為又參照圖4-6b，可以分別確定各車輪側偏角為：前后輪的左右輪 圖4-7 四輪汽車的等效二輪模型 圖4-7 四輪汽車的等

4、效二輪模型經(jīng)過整理后得到研究汽車轉向性能的基礎方程式：經(jīng)過整理后得到研究汽車轉向性能的基礎方程式： 4.2.1 轉向盤轉角固定時的汽車轉向行駛動力學方程 4.2 等速圓周運動基本特性比較式（4-19）、（4-20）與 （4-15）、（4-16）可知，前者實際上相當于是用e 和a分別代替后者的 和 .kf kf 4.2.1 轉向盤轉角固定時的汽車轉向行駛動力學方程 4.2.1 等速圓周運動基本特性汽車等速圓周運動方程為： 解得： 4.2.1 等速圓周運動基本特性汽車等速圓周運動方程為：1）低速圓周運動轉向特性圖4-8 極低速的等速圓周運動 滿足各車輪沿輪胎平面作純滾動的所謂阿克曼轉向幾何學原理。

5、1）低速圓周運動轉向特性圖4-8 極低速的等速圓周運動 滿足2）一定車速下的等速圓周運動轉向特性圖4-9一定車速下的等速圓周運動 2）一定車速下的等速圓周運動轉向特性圖4-9一定車速下的等速圖4-10 轉向半徑一定時，轉向盤轉角隨不同車速的變化 圖4-10 轉向半徑一定時，轉向盤轉角隨不同車速的變化 圖4-11橫擺角速度r與車速V的關系 （=0） 圖4-11橫擺角速度r與車速V的關系圖4-12 汽車質心側偏角隨車速V的變化 （=0） 圖4-12 汽車質心側偏角隨車速V的變化圖4-13 汽車相對于旋轉圓的姿態(tài)A）v較小時 b） v較大時 圖4-13 汽車相對于旋轉圓的姿態(tài)圖4-14 前輪轉角一定

6、時車速v與轉向半徑R的關系圖4-14 前輪轉角一定時車速v與轉向半徑R的關系圖4-15 汽車旋轉圓隨車速增大而變化圖4-15 汽車旋轉圓隨車速增大而變化當駕駛員急轉轉向盤并固定于某一個轉角時，式（4-3）左邊2項舊不能忽略了。此時，變形式（4-3）、 （4-11）、 （4-15）和 （4-16）可得：當駕駛員急轉轉向盤并固定于某一個轉角時，式（4-3）左邊2項圖4-16 轉向系統(tǒng)剛度對操縱響應的影響圖4-16 轉向系統(tǒng)剛度對操縱響應的影響 4.3 不固定轉向盤轉角時，轉向系統(tǒng)對汽車轉向性能的影響4.3.1不固定轉向盤轉角時的汽車轉向行使動力學方程 一、不固定轉向盤轉角 定義：是指轉向盤的轉角可

7、隨意變化的情形。式（4-2）、（4-3）可以化簡為： 4.3 不固定轉向盤轉角時，轉向系統(tǒng)對汽車轉向汽車理論課件代入式（430）（432），得代入式（430）（432），得4.3.2汽車運動的穩(wěn)定性條件對式（425）（427）作拉普拉斯變換，得特性方程為：其中，4.3.2汽車運動的穩(wěn)定性條件對式（425）（427綜上所述，在轉向操作力允許的范圍內應盡量大。轉向系統(tǒng)固有頻率s應盡量大，因此，Ih越小越好。計算所用各參數(shù)為:l=2.5m,k=19600N/rad,Ih=2.0kgm2,y=9.4rad/s圖4-17 與穩(wěn)定臨界速度的關系 綜上所述，在轉向操作力允許的范圍內應盡量大。轉向系統(tǒng)固有頻4

8、.3.2 駕駛員對轉向盤的操縱作用與汽車運動穩(wěn)定性 現(xiàn)實中的kh 只能取兼顧二者的適當值。具體表現(xiàn)在，駕駛員在操縱汽車高速行使時，既不是緊握乃至完全固定轉向盤而使kh很大，也不是完全從轉向盤撒手而使kh 為0，而是以適當?shù)牧Χ容p輕握住轉向盤，從而獲得合適的kh?？梢哉f，駕駛員輕輕搭在轉向盤上的 手、腕的作用是使汽車運動更趨穩(wěn)定。hhhh4.3.2 駕駛員對轉向盤的操縱作用與汽車運動穩(wěn)定性 4.4 汽車的四輪轉向4.4.1 四輪轉向的運動方程式設前后輪轉角分別為 ，則前后輪測向力可表示為： 代入式（413）、（414），得四輪轉向時得汽車運動方程式如下 4.4 汽車的四輪轉向4.4.1 四輪轉向

9、的運動方程式4.4.2 比例于前輪轉角的后輪轉向質心測向加速度、橫擺角速度相對于轉盤轉角的傳遞函數(shù)為4.4.2 比例于前輪轉角的后輪轉向質心測向加速度、橫擺角車速80km/h，1g=9.8m/s2圖4-18 與前輪轉角成比例的后輪轉向對汽車側向加速度響應的影響 圖418所示為利用式（460）計算中性轉向汽車后輪轉向對側向加速度的影響?？梢?，通過與前輪同向的后輪附加轉向，側向加速度的響應特性有了提高。車速80km/h，1g=9.8m/s2 圖4圖4-19 使側偏角恒為零的后輪對前輪轉角比 因此，四輪轉向汽車典型的轉向模式是：低速時前后輪轉向相逆，以減少轉向半徑，提高機動性；高速時轉向相同，以改善

10、操縱穩(wěn)定性。圖4-19 使側偏角恒為零的后輪對前輪轉角比 4.4.3 比例于橫擺角速度的后輪轉向以傳遞函數(shù)形式表示的偏側角和橫擺角速度響應為：4.4.3 比例于橫擺角速度的后輪轉向以傳遞函數(shù)形式表示的 可見，比例于橫擺角速度操縱后輪轉角的汽車，其穩(wěn)定性因素、系統(tǒng)固有頻率和阻尼比均發(fā)生了變化。 可見，比例于橫擺角速度操縱后輪轉角的汽車，其穩(wěn)4.4.4 質心側偏角為零的后輪轉向控制1）后輪相對于前輪轉角的變比例控制 相對于轉向盤轉角的橫擺角速度響應為：4.4.4 質心側偏角為零的后輪轉向控制1）后輪相對于前輪2）比例于前輪轉角比例于橫擺角速度的后輪轉向控制 按上述比例常數(shù)控制后輪轉角，將使 恒等于

11、0，從而使汽車質心側偏角相對于轉向盤轉角輸入保持恒為0。另外，此時橫擺角速度相對于轉向盤轉角的響應與（476）相同。2）比例于前輪轉角比例于橫擺角速度的后輪轉向控制 4.4.5 前后輪轉向的主動控制圖4-20 前后輪轉向主動控制的汽車 4.4.5 前后輪轉向的主動控制圖4-20 前后輪轉向主動圖4-21 前后輪轉角相對于轉向盤轉角的響應 圖4-21 前后輪轉角相對于轉向盤轉角的響應 圖4-22前后輪轉角相對于轉向盤轉角的頻率響應 圖4-22前后輪轉角相對于轉向盤轉角的頻率響應 4.5 汽車電動助力轉向系統(tǒng)簡介 4.5.1 EPS的發(fā)展三種助力轉向系統(tǒng)性能比較表 表4.1 4.5 汽車電動助力轉

12、向系統(tǒng)簡介 4.5.1 EPS的4.5.2 EPS硬件組成和工作原理圖4-23 EPS助力電動機的布置型式 4.5.2 EPS硬件組成和工作原理圖4-23 EPS助1）轉矩傳感器轉據(jù)傳感器用于檢測作用于轉向盤上的轉矩信號的大小和方向。圖4-24 EPS系統(tǒng)結構圖圖4-25 非接觸式轉矩傳感器 1）轉矩傳感器轉據(jù)傳感器用于檢測作用于轉向盤上的轉矩信號的大2）車速傳感器 車速傳感器通常采用電磁感應式傳感器，安裝在變速箱中。 3）電機EPS的動力源式電機，通常采用無刷永磁式直流電機，其功能式根據(jù)ECU的指令產生相應的輸出轉矩。 4）離合器離合器采用干式電磁離合器，其功能式保證EPS在預先設定的車速范圍 內閉合。 5）減速機構減速機構式用來增大電機輸出轉矩。2）車速傳感器 車速傳感器通常采用電磁感應