車輛操縱穩(wěn)定性(整理版)課件

車輛操縱穩(wěn)定性車輛操縱穩(wěn)定性輪胎側偏特性線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應輪胎側偏特性線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應一、輪胎的側偏特性一、輪胎的側偏特性側偏力：當路面傾斜、曲線行駛離心力時，車輪中心沿Y方向作用一個側向力，相應地地面產生一個側向反作用力，稱為側偏力。剛性輪情況:當車輪有側向力作用時，當FY沒有達到附著極限時，車輪與地面沒有滑動，車輪仍沿自身平面cc的方向行駛。當FY

達到附著極限時，車輪與地面有滑動，車輪有側向行駛。側偏力：當路面傾斜、曲線行駛離心力時，車輪中心沿Y方向側偏現(xiàn)象：當車輪有側向力作用時，F(xiàn)Y

沒有達到附著極限，車輪行駛方向亦將偏離車輪平面的方向。輪胎接地印跡中心線與輪胎平面的夾角稱為側偏角。側偏力：當路面傾斜、曲線行駛離心力時，車輪中心沿Y方向作用一個側向力，相應地地面產生一個側向反作用力，稱為側偏力。側偏現(xiàn)象：當車輪有側向力作用時，F(xiàn)Y沒有達到附著極限，車輪側偏現(xiàn)象：當車輪有側向力作用時，F(xiàn)Y

沒有達到附著極限，車輪行駛方向亦將偏離車輪平面的方向。輪胎接地印跡中心線與輪胎平面的夾角稱為側偏角。在曲線線性段：

輪胎的最大側偏力取決于附著條件，即垂直載荷，輪胎花紋、材料、結構尺寸角等。一般而言，最大側偏力越大，汽車的極限性能越好。側偏現(xiàn)象：當車輪有側向力作用時，F(xiàn)Y沒有達到附著極限，車輪側偏現(xiàn)象：當車輪有側向力作用時，F(xiàn)Y

沒有達到附著極限，車輪行駛方向亦將偏離車輪平面的方向。輪胎接地印跡中心線與輪胎平面的夾角稱為側偏角。有側偏現(xiàn)象時，輪胎印跡前端離車輪平面近，側向變形?。缓蠖俗冃未?。地面微元側向反作用力合力在接地印跡幾何中心的后方，偏移的距離稱為拖距e側偏現(xiàn)象：當車輪有側向力作用時，F(xiàn)Y沒有達到附著極限，車輪二、線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應前輪角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應前輪角階躍輸入下的瞬態(tài)響應橫擺角速度頻率響應特性二、線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應前輪角階躍輸入下進二、線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應前輪角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應前輪角階躍輸入下的瞬態(tài)響應橫擺角速度頻率響應特性二、線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應前輪角階躍輸入下進二、線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應前輪角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應前輪角階躍輸入下的瞬態(tài)響應橫擺角速度頻率響應特性二、線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應前輪角階躍輸入下進1）忽略轉向系統(tǒng)的影響，直接以前輪轉角作為輸入；

2）忽略懸架的作用，車身只作平行于地面的平面運動；繞y

軸的俯仰角和繞x軸的側傾角均為零；

3）汽車前進速度不變；

4）輪胎的側偏特性在線性范圍內；

5）假設驅動力不大，不考慮地面切向力對輪胎側偏特性的影響，沒有空氣動力的作用，忽略左右車輪輪胎由于載荷變化而引起輪胎特性的變化以及回正力矩的作用。汽車被簡化為只有側向和橫擺兩個自由度的兩輪汽車模型。假設2.1二自由度汽車模型1）忽略轉向系統(tǒng)的影響，直接以前輪轉角作為輸入；

2）忽略懸車輛操縱穩(wěn)定性(整理版)課件二自由度汽車動力學分析沿y軸的合力及繞z軸的合力矩為：其中：二自由度汽車動力學分析沿y軸的合力及繞z軸的合力矩為：其中：二自由度汽車動力學分析

由

其中，沿Oy軸加速度：二自由度汽車動力學分析由其中，沿Oy軸加速度：穩(wěn)態(tài)時橫擺角速度ωr為定值，即、聯(lián)立兩式消去v，可得穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益2.2前輪角階躍輸入下汽車的穩(wěn)態(tài)響應

其中穩(wěn)態(tài)時橫擺角速度ωr為定值，即、聯(lián)立兩式消16K的大小是與車輛自身的質量，車長，各輪胎側偏剛度等因素相關的。16K的大小是與車輛自身的質量，車長，各輪胎即橫擺角速度增益與車速成線性關系，斜率為，1）中性轉向當K=0

時，由穩(wěn)態(tài)響應的三種類型2）不足轉向3）過多轉向即橫擺角速度增益與車速成線性關系，斜率為，1即橫擺角速度增益與車速成線性關系，斜率為，1）中性轉向當K=0

時，由穩(wěn)態(tài)響應的三種類型2）不足轉向3）過多轉向即當車速增加時，轉向半徑不會發(fā)生改變，這是一種理想的狀態(tài)。即橫擺角速度增益與車速成線性關系，斜率為，1即橫擺角速度增益會小于同等車速下中性轉向的橫擺角速度增益。1）中性轉向當K>0

時，由穩(wěn)態(tài)響應的三種類型2）不足轉向3）過多轉向

稱為特征車速，當k值增加，相應的特征車速將會降低取到最大值即橫擺角速度增益會小于同等車速下中性轉向的橫擺角速度增益。1即橫擺角速度增益會小于同等車速下中性轉向的橫擺角速度增益。1）中性轉向當K>0

時，由穩(wěn)態(tài)響應的三種類型2）不足轉向3）過多轉向即當車速增加時，轉向半徑會隨車速增加而增大，這是實際應用中所追求的轉向方式。即橫擺角速度增益會小于同等車速下中性轉向的橫擺角速度增益。1

稱為臨界車速，臨界車速越低，過多轉向量越大。即橫擺角速度增益會大于同等車速下中性轉向的橫擺角速度增益。1）中性轉向當K<0

時，由穩(wěn)態(tài)響應的三種類型2）不足轉向3）過多轉向趨于無窮大稱為臨界車速，臨界車速越低，過多轉向量越大。即橫擺角速即橫擺角速度增益會大于同等車速下中性轉向的橫擺角速度增益。1）中性轉向當K<0

時，由穩(wěn)態(tài)響應的三種類型2）不足轉向3）過多轉向即當車速增加時，轉向半徑會隨車速增加而減小，在高速時，車輛很容易失去穩(wěn)定性。這是實際應用中所避免的轉向方式。即橫擺角速度增益會大于同等車速下中性轉向的橫擺角速度增益。11）中性轉向穩(wěn)態(tài)響應的三種類型2）不足轉向3）過多轉向過多轉向時，車輛很容易失去穩(wěn)定性；具有中性轉向的車輛，如果裝載不合理，輪胎氣壓不合規(guī)定，其轉向特性也可能會化為過多轉向特性。所以一般的汽車都應具有不足轉向特性。MotorFan1996轎車在側向加速度為0.3g時的平均K值為0.0024s2/m2，

在0.5g時的平均K值為0.0026s2/m2。1）中性轉向穩(wěn)態(tài)響應的三種類型2）不足轉向3）過多轉向過多轉3）靜態(tài)儲備系數(shù)S.M.2）轉向半徑的比R/R01）前、后輪側偏角絕對值之差α1-α2

由于ay與FY1/k1（即α1）、FY2/k2（即α2）符號相反，當α1、α2取絕對值時，ay也取絕對值K>0，不足轉向K=0，中性轉向K<0，過多轉向幾個表征穩(wěn)態(tài)響應的參數(shù)3）靜態(tài)儲備系數(shù)S.M.2）轉向半徑的比R/R01）前、后輪3）靜態(tài)儲備系數(shù)S.M.1）前、后輪側偏角絕對值之差α1-α22）轉向半徑的比R/R0幾個表征穩(wěn)態(tài)響應的參數(shù)已知R/R0=1，K=0，中性轉向；R/R0>1，K>0，不足轉向；R/R0<1，K<0，過多轉向。3）靜態(tài)儲備系數(shù)S.M.1）前、后輪側偏角絕對值之差α1-α2）轉向半徑的比R/R01）前、后輪側偏角絕對值之差α1-α23）靜態(tài)儲備系數(shù)S.M.幾個表征穩(wěn)態(tài)響應的參數(shù)中性轉向點汽車質心靜態(tài)儲備系數(shù)S.M.：中性轉向點到前輪的距離與汽車質心到前軸距離a

之差與軸距L之比。中性轉向不足轉向過多轉向2）轉向半徑的比R/R01）前、后輪側偏角絕對值之差α1-α消去得：二自由度汽車運動微分方程式2.3前輪角階躍輸入下的瞬態(tài)響應式中：消去得：二自由式中ζ—阻尼比—固有圓頻率式中ζ—阻尼比—固有圓頻率前輪角階躍輸入：討論：汽車前輪角階躍輸入情況即穩(wěn)態(tài)橫擺角速度特解為：前輪角階躍輸入：討論：汽車前輪角階躍輸入情況即穩(wěn)態(tài)橫擺角速度對應的齊次方程為：特征方程為：對應的齊次方程為：特征方程為：由于正常的汽車都具有小阻尼的瞬態(tài)響應，當ζ<1時由運動起始條件確定積分常數(shù)C、A1、A2由于正常的汽車都具有小阻尼的瞬態(tài)響應，當ζ<1時由運動起始條車輛操縱穩(wěn)定性(整理版)課件車輛操縱穩(wěn)定性(整理版)課件在達到穩(wěn)態(tài)的之前，是衰減的正弦函數(shù)，汽車的瞬態(tài)響應汽車二階慣性環(huán)節(jié)特點：時間上的滯后；橫擺角速度超調；橫擺角速度的波動；進入穩(wěn)態(tài)要經(jīng)歷時間。在達到穩(wěn)態(tài)的之前，是衰減的正弦函數(shù)，汽車的瞬態(tài)響應表征響應品質好壞的4個瞬態(tài)響應的參數(shù)1）固有圓頻率ω02）阻尼比3）反應時間τ4）達到第一個峰值ωr1的時間ε表征響應品質好壞的4個瞬態(tài)響應的參數(shù)1）固有圓頻率ω0當ζ≤1時，只要為正值，就收斂，否則發(fā)散而不穩(wěn)定。式中k1、k2為負值，恒為正值。當ζ≤1時，齊次微分方程的解均收斂而趨于0。穩(wěn)態(tài)響應的穩(wěn)定條件當ζ≤1時，只要為正值，就收斂，否則發(fā)散而不當ζ≥1時，特征根必須為負值，齊次微分方程的解才收斂趨于0。應為負值才收斂，即應為正值。當ζ≥1時，特征根必須為負值，齊次微分方程的解才收斂趨于0。

的第二項恒為正，當車速很低時，它是很大的值，均為正值，

ωr（t）收斂，汽車穩(wěn)定；

隨著車速的增加，第二項越來越??；在過多轉向條件下，就可能為負值，ωr（t）發(fā)散，汽車不穩(wěn)定的第一項為正的第一項為負不足轉向時過多轉向時的第二項恒為正，當車速很低時，它是很

在轉向盤正弦輸入下，頻率由0→∞時，汽車橫擺角速度與轉向盤的振幅比以及相位差的變化規(guī)律稱為頻率特性。

輸出、輸入的幅值比是頻率f的函數(shù)，稱為幅頻特性。相位差也是f的函數(shù)，稱為相頻特性。的傅里葉變換；的傅里葉變換。2.4橫擺角速度頻率響應特性在轉向盤正弦輸入下，頻率由0→∞時，汽車橫擺角速度與幅頻特性為相頻特性為幅頻特性為相頻特性為幅頻特性反映了駕駛員以不同頻率輸入指令時，汽車執(zhí)行駕駛員指令失真的程度。相頻特性反映了汽車橫擺角速度滯后于轉向盤轉角的失真程度。幅頻特性反映了駕駛員以不同頻率輸入指令時，汽車執(zhí)行駕駛員指令失真的程度。幅頻特性反映了駕駛員以不同頻率輸入指令時，汽1）頻率為零時的幅值比，即穩(wěn)態(tài)增益（圖中以a表示）；評價橫擺角速度頻率響應的五個參數(shù)

２）共振峰頻率fr，fr值越高，操縱穩(wěn)定性越好；

３）共振時的增幅比b/a，b/a應小一點；

４）f=0.1Hz時的相位滯后角，這個數(shù)值應該接近于零；

５），f=0.6Hz時的相位滯后角，其數(shù)值應當小些。1）頻率為零時的幅值比，即穩(wěn)態(tài)增益（圖中以a表示車輛操縱穩(wěn)定性車輛操縱穩(wěn)定性輪胎側偏特性線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應輪胎側偏特性線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應一、輪胎的側偏特性一、輪胎的側偏特性側偏力：當路面傾斜、曲線行駛離心力時，車輪中心沿Y方向作用一個側向力，相應地地面產生一個側向反作用力，稱為側偏力。剛性輪情況:當車輪有側向力作用時，當FY沒有達到附著極限時，車輪與地面沒有滑動，車輪仍沿自身平面cc的方向行駛。當FY

達到附著極限時，車輪與地面有滑動，車輪有側向行駛。側偏力：當路面傾斜、曲線行駛離心力時，車輪中心沿Y方向側偏現(xiàn)象：當車輪有側向力作用時，F(xiàn)Y

沒有達到附著極限，車輪行駛方向亦將偏離車輪平面的方向。輪胎接地印跡中心線與輪胎平面的夾角稱為側偏角。側偏力：當路面傾斜、曲線行駛離心力時，車輪中心沿Y方向作用一個側向力，相應地地面產生一個側向反作用力，稱為側偏力。側偏現(xiàn)象：當車輪有側向力作用時，F(xiàn)Y沒有達到附著極限，車輪側偏現(xiàn)象：當車輪有側向力作用時，F(xiàn)Y

沒有達到附著極限，車輪行駛方向亦將偏離車輪平面的方向。輪胎接地印跡中心線與輪胎平面的夾角稱為側偏角。在曲線線性段：

輪胎的最大側偏力取決于附著條件，即垂直載荷，輪胎花紋、材料、結構尺寸角等。一般而言，最大側偏力越大，汽車的極限性能越好。側偏現(xiàn)象：當車輪有側向力作用時，F(xiàn)Y沒有達到附著極限，車輪側偏現(xiàn)象：當車輪有側向力作用時，F(xiàn)Y

沒有達到附著極限，車輪行駛方向亦將偏離車輪平面的方向。輪胎接地印跡中心線與輪胎平面的夾角稱為側偏角。有側偏現(xiàn)象時，輪胎印跡前端離車輪平面近，側向變形?。缓蠖俗冃未?。地面微元側向反作用力合力在接地印跡幾何中心的后方，偏移的距離稱為拖距e側偏現(xiàn)象：當車輪有側向力作用時，F(xiàn)Y沒有達到附著極限，車輪二、線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應前輪角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應前輪角階躍輸入下的瞬態(tài)響應橫擺角速度頻率響應特性二、線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應前輪角階躍輸入下進二、線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應前輪角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應前輪角階躍輸入下的瞬態(tài)響應橫擺角速度頻率響應特性二、線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應前輪角階躍輸入下進二、線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應前輪角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應前輪角階躍輸入下的瞬態(tài)響應橫擺角速度頻率響應特性二、線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應前輪角階躍輸入下進1）忽略轉向系統(tǒng)的影響，直接以前輪轉角作為輸入；

2）忽略懸架的作用，車身只作平行于地面的平面運動；繞y

軸的俯仰角和繞x軸的側傾角均為零；

3）汽車前進速度不變；

4）輪胎的側偏特性在線性范圍內；

5）假設驅動力不大，不考慮地面切向力對輪胎側偏特性的影響，沒有空氣動力的作用，忽略左右車輪輪胎由于載荷變化而引起輪胎特性的變化以及回正力矩的作用。汽車被簡化為只有側向和橫擺兩個自由度的兩輪汽車模型。假設2.1二自由度汽車模型1）忽略轉向系統(tǒng)的影響，直接以前輪轉角作為輸入；

2）忽略懸車輛操縱穩(wěn)定性(整理版)課件二自由度汽車動力學分析沿y軸的合力及繞z軸的合力矩為：其中：二自由度汽車動力學分析沿y軸的合力及繞z軸的合力矩為：其中：二自由度汽車動力學分析

由

其中，沿Oy軸加速度：二自由度汽車動力學分析由其中，沿Oy軸加速度：穩(wěn)態(tài)時橫擺角速度ωr為定值，即、聯(lián)立兩式消去v，可得穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益2.2前輪角階躍輸入下汽車的穩(wěn)態(tài)響應

其中穩(wěn)態(tài)時橫擺角速度ωr為定值，即、聯(lián)立兩式消58K的大小是與車輛自身的質量，車長，各輪胎側偏剛度等因素相關的。16K的大小是與車輛自身的質量，車長，各輪胎即橫擺角速度增益與車速成線性關系，斜率為，1）中性轉向當K=0

時，由穩(wěn)態(tài)響應的三種類型2）不足轉向3）過多轉向即橫擺角速度增益與車速成線性關系，斜率為，1即橫擺角速度增益與車速成線性關系，斜率為，1）中性轉向當K=0

時，由穩(wěn)態(tài)響應的三種類型2）不足轉向3）過多轉向即當車速增加時，轉向半徑不會發(fā)生改變，這是一種理想的狀態(tài)。即橫擺角速度增益與車速成線性關系，斜率為，1即橫擺角速度增益會小于同等車速下中性轉向的橫擺角速度增益。1）中性轉向當K>0

時，由穩(wěn)態(tài)響應的三種類型2）不足轉向3）過多轉向

稱為特征車速，當k值增加，相應的特征車速將會降低取到最大值即橫擺角速度增益會小于同等車速下中性轉向的橫擺角速度增益。1即橫擺角速度增益會小于同等車速下中性轉向的橫擺角速度增益。1）中性轉向當K>0

時，由穩(wěn)態(tài)響應的三種類型2）不足轉向3）過多轉向即當車速增加時，轉向半徑會隨車速增加而增大，這是實際應用中所追求的轉向方式。即橫擺角速度增益會小于同等車速下中性轉向的橫擺角速度增益。1

稱為臨界車速，臨界車速越低，過多轉向量越大。即橫擺角速度增益會大于同等車速下中性轉向的橫擺角速度增益。1）中性轉向當K<0

時，由穩(wěn)態(tài)響應的三種類型2）不足轉向3）過多轉向趨于無窮大稱為臨界車速，臨界車速越低，過多轉向量越大。即橫擺角速即橫擺角速度增益會大于同等車速下中性轉向的橫擺角速度增益。1）中性轉向當K<0

時，由穩(wěn)態(tài)響應的三種類型2）不足轉向3）過多轉向即當車速增加時，轉向半徑會隨車速增加而減小，在高速時，車輛很容易失去穩(wěn)定性。這是實際應用中所避免的轉向方式。即橫擺角速度增益會大于同等車速下中性轉向的橫擺角速度增益。11）中性轉向穩(wěn)態(tài)響應的三種類型2）不足轉向3）過多轉向過多轉向時，車輛很容易失去穩(wěn)定性；具有中性轉向的車輛，如果裝載不合理，輪胎氣壓不合規(guī)定，其轉向特性也可能會化為過多轉向特性。所以一般的汽車都應具有不足轉向特性。MotorFan1996轎車在側向加速度為0.3g時的平均K值為0.0024s2/m2，

在0.5g時的平均K值為0.0026s2/m2。1）中性轉向穩(wěn)態(tài)響應的三種類型2）不足轉向3）過多轉向過多轉3）靜態(tài)儲備系數(shù)S.M.2）轉向半徑的比R/R01）前、后輪側偏角絕對值之差α1-α2

由于ay與FY1/k1（即α1）、FY2/k2（即α2）符號相反，當α1、α2取絕對值時，ay也取絕對值K>0，不足轉向K=0，中性轉向K<0，過多轉向幾個表征穩(wěn)態(tài)響應的參數(shù)3）靜態(tài)儲備系數(shù)S.M.2）轉向半徑的比R/R01）前、后輪3）靜態(tài)儲備系數(shù)S.M.1）前、后輪側偏角絕對值之差α1-α22）轉向半徑的比R/R0幾個表征穩(wěn)態(tài)響應的參數(shù)已知R/R0=1，K=0，中性轉向；R/R0>1，K>0，不足轉向；R/R0<1，K<0，過多轉向。3）靜態(tài)儲備系數(shù)S.M.1）前、后輪側偏角絕對值之差α1-α2）轉向半徑的比R/R01）前、后輪側偏角絕對值之差α1-α23）靜態(tài)儲備系數(shù)S.M.幾個表征穩(wěn)態(tài)響應的參數(shù)中性轉向點汽車質心靜態(tài)儲備系數(shù)S.M.：中性轉向點到前輪的距離與汽車質心到前軸距離a

之差與軸距L之比。中性轉向不足轉向過多轉向2）轉向半徑的比R/R01）前、后輪側偏角絕對值之差α1-α消去得：二自由度汽車運動微分方程式2.3前輪角階躍輸入下的瞬態(tài)響應式中：消去得：二自由式中ζ—阻尼比—固有圓頻率式中ζ—阻尼比—固有圓頻率前輪角階躍輸入：討論：汽車前輪角階躍輸入情況即穩(wěn)態(tài)橫擺角速度特解為：前輪角階躍輸入：討論：汽車前輪角階躍輸入情況即穩(wěn)態(tài)橫擺角速度對應的齊次方程為：特征方程為：對應的齊次方程為：特征方程為：由于正常的汽車都具有小阻尼的瞬態(tài)響應，當ζ<1時由運動起始條件確定積分常數(shù)C、A1、A2由于正常的汽車都具有小阻尼的瞬態(tài)響應，當ζ<1時由運動起始條車輛操縱穩(wěn)定性(整理版)課件車輛操縱穩(wěn)定性(整理版)課件在達到穩(wěn)態(tài)的之前，是衰減的正弦函數(shù)，汽車的瞬態(tài)響應汽車二階慣性環(huán)節(jié)特點：時間上的滯后；橫擺角速度超調；橫擺角速度的波動；進入穩(wěn)態(tài)要經(jīng)歷時間。在達到穩(wěn)態(tài)的之前，是衰減的正弦函數(shù)，汽車的瞬態(tài)響應表征響應品質好壞的4個瞬態(tài)響應的參數(shù)1）固有圓頻率ω02）阻尼比3）反應時間τ4）達到第一個峰值ωr1的時間ε表征響應品質好壞的4個瞬態(tài)響應的參數(shù)1）固有圓頻率ω0當ζ≤1時，只要為正值，就收斂，否則發(fā)散而不穩(wěn)定。式中k1、