汽車橫向動力學

汽車橫向動力學第1頁/共93頁第四章汽車橫向動力學問題的提出：隨著科學技術的進步和人民生活水平的提高，消費者對汽車安全性的關注越來越多，如何提高安全性是現(xiàn)代汽車研究的重要課題之一。汽車的安全性主要包括兩個方面：主動安全性和被動安全性。事故后安全和生態(tài)安全。主動安全性－－如何通過車輛的設計盡量減少或避免交通事故的發(fā)生；被動安全性－－通過車輛的設計使車輛在發(fā)生事故時盡量減小對乘員的傷害。發(fā)展趨勢－－電子控制裝置應用于汽車，提高了汽車的主動安全性。請看動畫吧！22009-10-19第2頁/共93頁第四章汽車橫向動力學4.1汽車轉向系統(tǒng)數(shù)學模型一、自由度分析主要內容二、二自由度汽車模型三、三自由度模型四、四自由度汽車模型五、多自由度汽車模型2009-10-193第3頁/共93頁第四章汽車橫向動力學汽車轉向系統(tǒng)動力學是研究駕駛員給系統(tǒng)以轉向指令后汽車在曲線行駛中的運動學和動力學特性。這一特性影響到汽車操縱的方便性和穩(wěn)定性，所以也是汽車安全性的重要因素之一。作為系統(tǒng)的輸入可以是轉向盤上力輸入，也可以是角輸入，系統(tǒng)的輸出是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應和瞬態(tài)響應，如圖4-1-1所示。2009-10-194第4頁/共93頁第四章汽車橫向動力學z一、橫向運動自由度分析V直線制動：√轉向時：√υ×√w√×p×√q√×γ×√rw&ms(υ?w?p+V?γ)=∑Fy&ms(w?V?q+υ?p)=∑Fz&Ixp?(Iy?Iz)qγ=∑MxIzγ&?(Ix?Iy)pq=∑Mz2009-10-19&ms(V?υ?γ+w?q)=∑FxVxυpqy&ms(V?υ?γ)=∑Fx&Ixp=∑Mx&Izγ=∑Mz&ms(υ+V?γ)=∑Fy&Iyq?(Iz?Ix)pγ=∑My5第5頁/共93頁第四章汽車橫向動力學二、兩自由度汽車模型(即角位移輸入下的響應

)汽車只作平行于路面的平面運動，并考慮了輪胎側偏特性。假定：1）汽車無垂直方向運動，也無繞y軸和x軸的俯仰和側傾運動；2）汽車作等速運動，不考慮切向力和空氣動力的作用；3）忽略轉向系統(tǒng)影響，直接以前輪轉角作為輸入；4）不考慮左右車輪由于載荷變化引起輪胎特性變化和回正力矩的作用。兩輪摩托車模型具有側向和橫擺運動兩自由度，則橫向運動方程可簡化為：2009-10-196第6頁/共93頁第7頁/共93頁第8頁/共93頁第四章汽車橫向動力學&ms(V?υ?γ)=∑Fx&Ixp=∑MxIzγ&=∑Mz其中：&ms(υ+V?γ)=∑Fy&ms(υ+V?γ)=∑Fy&Izγ=∑Mz∑F=F+F=Kαα+Kαα∑M=LF?LFyy1y211zay1by222前后輪胎側偏角：α1=Laγυ+β?δα2=β?Lbγυ2009-10-199第9頁/共93頁第四章汽車橫向動力學則可得：γ2(LaKα1?LbKα2)β+(LaKα1?L2Kα2)?LaKα1δ=Izγ&bυγ&(Kα1+Kα2)β+(LaKα1?LbKα2)?Kα1δ=ms(υ+γ&υ)υ消除υ,解方程，則有ωr?u/Lu/L=?=δ?S1+m(L1?L2)u21+Ku22Lk2k1mL1L2其中:K=(?)2Lk2k12009-10-19考慮整車，其側偏角應如何得到？穩(wěn)定性因數(shù)10第10頁/共93頁第四章汽車橫向動力學Yα11δ1B2υγVB1uLbLaα12δ2Xu1=u2=uν1=ν+aγν2=ν?bγ2009-10-19Bu11=u1－

1γ2B1γu12=u1+2ν11=ν12=ν1u21=u2－u22ν21B2γ2B2γ=u2+2=ν22=ν211第11頁/共93頁第四章汽車橫向動力學三、三自由度模型當汽車不是勻速前進時，則x方向會有運動，如加速或減速情況下的轉向運動，其運動方程為：&ms(V?υ?γ)=∑Fx&Ixp=∑MxIzγ&=∑Mz&ms(υ+V?γ)=∑Fy&ms(V?υ?γ)=∑FxIzγ&=∑Mz&ms(υ+V?γ)=∑Fy2009-10-1912第12頁/共93頁第四章汽車橫向動力學四、四自由度模型為了研究轉向系及懸架性能對汽車操縱運動的影響，可以在線性二自由度模型基礎上增加兩個自由度：前輪繞主銷轉向角和車身側傾角。側向速度和目的是：橫擺角速度①計入前輪繞主銷運動的慣性及阻尼，以及轉向系的綜合剛度；②計入懸架彈性、阻尼以及前、后軸側傾轉向效應的影響。前輪擺振假設在二自由度模型假設前三條基礎上，還有如下兩點：⑴忽略轉向輪繞主銷轉動與整車運動及自身滾動間的藕合效應，忽略轉向盤至轉向輪之間傳動部件的慣性及阻尼；⑵認為側傾軸近似處于水平位置，懸架彈性處于線性范圍。2009-10-19怎樣確定的？實際上呢？為什么？13第13頁/共93頁第四章汽車橫向動力學&ms(υ+V?γ)=&Ixp=Iz這樣可以得到一個四自由度線性系統(tǒng)，以轉向盤轉角δ為輸入，以橫擺角速度r、重心處側偏角β、車身側傾角φ及前輪轉向角δSW為輸出。&&mV(r+β)?MShp=Y1+Y2&&IZr+IXZp=(a?ξ1)Y1?(b?ξ2)Y2&&Iwδ+CWδ=CS(∑Mγ&=∑M∑FyxzδIwδ&+CWδ&=CS(SW?δ)?Y1ξ1′izr&&&IXp+IXZr?MShV(r+β)=?(Df+Dr)p?(C?1+C?2?MSgh)?wδSWi?δ)?Y1ξ1′υpaY1=k1(β+r?δ?Er?)VbY2=k2(β?r?Er?)V&?=pVxqy14第14頁/共93頁第四章MMS汽車橫向動力學整車質量懸架上質量前輪側偏剛度后輪側偏剛度前懸架彈簧側傾剛度后懸架彈簧側傾剛度IXIZIXZ懸架上質量對車輛坐標系X軸的轉動慣量整車繞車輛坐標系Z軸的轉動慣量懸架上質量對車輛坐標系X軸、Z軸的慣性積k1k2C?1IWhξ1′ξ1ξ2Ef兩轉向輪繞各自主銷轉動慣量之和懸架上質量質心至側傾軸距離前輪側向力對主銷軸的力臂前輪輪胎拖距后輪輪胎拖距前懸架側傾轉向系數(shù)后懸架側傾轉向系數(shù)轉向輪繞主銷的阻尼系數(shù)轉向系傳動比15C?2CS轉向系綜合剛度前輪側向力后輪側向力車身側傾角速度后懸架側傾阻尼系數(shù)前懸架側傾阻尼系數(shù)Y1Y2pDfErCWDri2009-10-19第15頁/共93頁第四章汽車橫向動力學五、多自由度汽車模型空間的任意一剛體，都有六個自由度。因此，整個汽車共有30個自由度(注：只按車身和四個車輪)。汽車本身的特性，除前面列舉的以外，還有如輪胎側偏特性對輪荷的依賴性，及對驅動力、制動力的依賴性，車輪的非穩(wěn)態(tài)特性，懸架機構的幾何關系的非線性，車身的空氣動力學特性，欲分析這些特性對汽車運動的影響，必須建立多自由度的非線性的汽車模型。對這種多自由度汽車模型的利用，只有依靠計算機進行數(shù)值分析，因此這種分析就不能像簡單模型的理論分析那樣，能得到普遍適用的結論，而必須針對具體車型而給出有針對性的個別適用的結論。2009-10-1916第16頁/共93頁第四章汽車橫向動力學下面我們了解一下汽車操縱穩(wěn)定性幾種試驗及其評價指標，該試驗借助ADAMS軟件仿真完成。汽車時域響應分為穩(wěn)態(tài)響應和瞬態(tài)響應。？r1T1.05r0r(t)r1×100%超調量r0r00.95r0τ反應時間2009-10-19τεσε滯后時間σ穩(wěn)定時間t17第17頁/共93頁第四章汽車橫向動力學轉向盤角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應：等速直線行駛，急劇轉動轉向盤，然后維持轉角不變，即對汽車施以轉向盤角階躍輸入，汽車經(jīng)短暫的過渡過程后進入等速圓周行駛工況。轉向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應：等速直線行駛和等速圓周行駛兩個穩(wěn)態(tài)運動之間的過渡過程所對應的瞬間運動響應。穩(wěn)態(tài)轉向特性：不足轉向、中性轉向、過度轉向。轉向盤保持一個固定轉角不變，緩慢加速或以不同車速等速行駛時，不足轉向的汽車轉向半徑逐漸增大，中性轉向的汽車轉向半徑不變，而過度轉向的汽車轉向半徑逐漸減小。2009-10-1918第18頁/共93頁第四章汽車橫向動力學半徑為15～20m1.穩(wěn)態(tài)回轉評價指標：中性轉向點的側向加速度、不足轉向度和車廂側傾度。①中性轉向點的側向加速度前、后橋側偏角差與側向加速度關系曲線上，斜率為零處的側向加速度。②不足轉向度前、后橋側偏角差與側向加速度關系曲線上側向加速度值為2m/s^2處的平均斜率。③車廂側傾度車廂側傾角與側向加速度關系曲線上側向加速度值為2m/s^2處的平均斜度。2009-10-1919第19頁/共93頁第四章汽車橫向動力學2009-10-1920第20頁/共93頁第四章汽車橫向動力學2.轉向回正有低速回正試驗和高速回正性（最高車速超過100km/h的汽車）試驗。按左、右轉向兩個方向進行。評價指標：松開方向盤3s時殘余橫擺角速度絕對值及橫擺角速度總方差。2009-10-1921第21頁/共93頁第四章汽車橫向動力學3.轉向輕便性評價指標：松轉向盤平均操舵力與轉向盤最大操舵力。2009-10-1922第22頁/共93頁第四章汽車橫向動力學4.單移線2009-10-1923第23頁/共93頁第四章汽車橫向動力學5.雙移線2009-10-1924第24頁/共93頁第四章汽車橫向動力學6.角階躍輸入側向加速度2009-10-19橫擺角速度25第25頁/共93頁第四章汽車橫向動力學7.角階躍輸入（翻車）8.蛇行2009-10-1926第26頁/共93頁第四章汽車橫向動力學4.2存在驅動或制動時的汽車的轉向運動主要內容一、驅動或制動時的汽車的力學模型及運動方程式二、驅動或制動時的轉向特性2009-10-1927第27頁/共93頁第四章汽車橫向動力學一、驅動或制動時的汽車的力學模型及運動方程式建立汽車在驅動或制動時的轉向運動模型，通常在如下兩個前提條件下進行：①②整車質心高于輪胎接地面；輪胎與地面間的切向力可在零與附著極限之間整個范圍內變化，輪荷和縱向力的變化將引起輪胎側偏特性的變化。2009-10-1928第28頁/共93頁第四章汽車橫向動力學2009-10-1929第29頁/共93頁第四章汽車橫向動力學考慮車身六個運動自由度的模型簡圖，整車的六個運動方程為：du?v?r)=dtdv+u?r)=m(dtdwms+mg=dtm(∑∑∑FFFxiyizidpdrdv?Ixz??ms(+ru)?hs=(Fy1+Fy2)?hf+(Fy3+Fy4)?hrdtdtdtbfb+(Fz1?Fz2)?+(Fz3?Fz4)?r22dqduIy?+ms(?v?r)?hs=?(Fz1+Fz2)?lf+(Fz3+Fz4)?lr?∑Fxi?hRCdtdtdrdpIz??Ixz?=(Fy1+Fy2)?lf?(Fy3+Fy4)?lrdtdtbfb+(Fx2?Fx1)?+(Fx4?Fx3)?r+∑Mzi22Ix?2009-10-1930第30頁/共93頁第四章汽車橫向動力學二、驅動或制動時的轉向特性汽車的不足－過度轉向特性取決于很多因素，但輪胎的側偏特性是最主要的。而輪胎的側偏特性又受車輪上縱向力和垂直負荷的影響。由輪胎側偏特性理論可知，同一側向力，當輪荷較大時對應的側偏角較小，當縱向力較大時對應的側偏角較大。注意：當汽車進行驅動或制動時，不但使各輪上縱向力發(fā)生變化，也通過輪荷移動使各輪上的垂直負荷發(fā)生變化。因此，在分析驅動或制動時汽車的不足－過度轉向特性時，必須考慮縱向力和垂直負荷這兩部分影響的綜合效果。在濕路面上，由于輪荷轉移較小，輪胎接地狀態(tài)離附著極限很近，因此縱向力的影響有決定性意義。2009-10-1931第31頁/共93頁第四章汽車橫向動力學（1）只考慮縱向力的影響當前輪的驅動力或制動力分配較大時，同一側加速度即前后輪側向力不變的情況下，前輪側偏角增大而后輪側偏角減小，從而增加不足轉向的傾向；當后輪的驅動力或制動力分配較大時，后輪側偏角增大而前輪側偏角減小，因而減小不足轉向的傾向。（2）懸架的側傾轉向效應正常圓周行駛情況下，后輪具有不足轉向傾向的設計，在轉彎制動工況下反而有過度轉向傾向。這是因為后懸架的變形在制動時與正常圓周行駛時不同，制動時由于車身前傾使后懸架大幅度伸張的緣故。2009-10-1932第32頁/共93頁第四章汽車橫向動力學4.3駕駛員-汽車閉環(huán)操縱系統(tǒng)2009-10-1933第33頁/共93頁第四章汽車橫向動力學問題的提出車輛的行駛實際上駕駛員一直是參與的（無人駕駛車除外），而前兩節(jié)介紹的汽車的橫向動力學特性，都沒有考慮人這一重要因素的影響。稱之為開環(huán)系統(tǒng)。本節(jié)將討論包括駕駛員在內的閉環(huán)系統(tǒng)。路面條件駕駛員側風路面不平汽車運動交通狀況駕駛員的手腳氣候汽車（橫擺、側傾.....2009-10-1934第34頁/共93頁第四章汽車橫向動力學主要內容一、汽車操縱系統(tǒng)（開環(huán)系統(tǒng)）的傳遞特性二、駕駛員

–汽車閉環(huán)操縱系統(tǒng)傳遞特性2009-10-1935第35頁/共93頁第四章汽車橫向動力學當考慮駕駛員的影響后，則需建立一種駕駛員-汽車閉環(huán)操縱系統(tǒng)的模型以便對曲線運動時汽車動力學進行更深入和全面的研究，這種系統(tǒng)的框圖如圖。2009-10-1936第36頁/共93頁第四章汽車橫向動力學一、汽車操縱系統(tǒng)（開環(huán)系統(tǒng)）的傳遞特性在此系統(tǒng)中轉向盤上轉角是系統(tǒng)輸入，汽車軌跡（用曲率半y徑的倒數(shù)或汽車橫向加速度

&&

)是系統(tǒng)輸出。L根據(jù)轉向系統(tǒng)的幾何關系，有下列關系：δL/R=tgδ≈δ而δ=δsw/iR1/R=δ/L=δsw/il若考慮車速的影響，則可用汽車橫向加速度作為輸出o&&=υ/R=υδ/L=δswy22υ2iL圖4-3-2如用方塊圖表示，則如圖4-3-2所示.2009-10-1937第37頁/共93頁第四章汽車橫向動力學二、駕駛員

–汽車閉環(huán)操縱系統(tǒng)傳遞特性建立此模型時，假定：1）駕駛員反應迅速，不考慮反應滯后時間；2）駕駛員目光集中于前方一點A，而不是一段路，故稱為單點預瞄；3）汽車軌跡曲率與轉向盤轉角關系，不考慮側偏角的影響系統(tǒng)的輸入、輸出是什么？Af(t+T)T2009-10-19--駕駛員前視點的理想橫向坐標--前視時間,為T=d/v圖4-3-338第38頁/共93頁第四章汽車橫向動力學曲率為1/R的軌跡y橫向加速度

&&(t)駕駛員選擇一個轉向盤角度δsw這樣經(jīng)過時間T后，汽車橫向位移可用等加速度運動方程式表示：1&y(t+T)?y(t)=y(t)T+&&(t)T2y2我們希望駕駛員選擇的軌跡曲率1/R*最佳，使得汽車走過距離d后，其橫向位置與f(t+T)一致，即:y(t+T)=f(t+T)υ222&&=υ/R=υδ/L=δswy12&f(t+T)?y(t)=yT+&&TyiL則有2最佳橫向加速度為:2&&?(t)=yT2&[f(t+T)?y(t)?y(t)T]δsw=iL2υ&&y*由此可得最佳轉向角表達式為：δsw=2iL&[f(t+T)?y(t)?Ty(t)]d22009-10-1939第39頁/共93頁第四章汽車橫向動力學2T2&[f(t+T)?y(t)?y(t)T]&&?(t)=y1/R=δ/L=δsw/il2υ22?iL?=2d2iLT2009-10-1940第40頁/共93頁第四章汽車橫向動力學?1(T2S2/2)+TS+1這是一個具有超前時間T的二階系統(tǒng)，上式可改寫為:Y(SF(S)=)eS2TST2/2+22S+TT2Y(S)1/M=2F(S)S+(C/M)S+K/M其固有頻率:其阻尼比:ω=2/T2=1.414/Tξ=2/T22/T2=0.707假設輸入為一階躍函數(shù)，求系統(tǒng)的響應1階躍函數(shù)f(t)的拉氏變換為：F(S)=S2009-10-1941第41頁/共93頁第四章汽車橫向動力學TS函數(shù)e可按泰勒級數(shù)展開eTST22T33S+S+L=1+TS+2tω21+TS+S2/ω2eTS/T2/2=Y(S)=F(S)22S+(2S/T)+2/TSS2+2ωξS+ω2(())(())拉氏逆變換得系統(tǒng)的響應如下：y(t)=L?1[Y(S)]=1+e?ξωt11?ξ2sinω1?ξ2t?α[]結論在不考慮駕駛員反應滯后的前提下，前視時間越短，追隨性能越好。2009-10-1942第42頁/共93頁第四章汽車橫向動力學2．考慮駕駛員反應滯后的閉環(huán)模型*td，則圖4-3-4中δw與δw之間的理如駕駛員反應滯后時間為想環(huán)節(jié)“I”被e?tdS所代替，系統(tǒng)的方塊圖應為圖4-3-8所示。e?tds圖4-3-4圖4-3-92009-10-1943第43頁/共93頁第四章汽車橫向動力學此系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為:Y(S)eTS=F(S)1+TS+T2S2etdS/2圖4-3-10?在低頻域內，ed可用下式表示：etS≈?1+tsdY(S)=eTSF(S)t1?dS2td?TT2?21+?T??S+(T?td)S+tdS32?24??td??t?S?/?1?dS?2??2?此系統(tǒng)的特征方程式的形式為:A3S3+A2S2+A1S1+1=0其中:tdTT2A1=T?，A2=(T?td),A3=td224442009-10-19第44頁/共93頁第四章汽車橫向動力學應用勞斯穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，穩(wěn)定性條件為：（1）A1必須大于零，則T>；（2）A2必須大于零，則T>td

；（3）A1A2>A3，則T>1.7070td當t=0.4s，T=0.4，0.5s時，不滿足條件3產(chǎn)生的振蕩發(fā)散情形。td2結論由此可見，當考慮駕駛員反應滯后時，前視時間不能太短。圖4-3-112009-10-1945第45頁/共93頁第四章汽車橫向動力學4.4全輪轉向特性問題的提出隨著車輛行駛速度的不斷提高，交通事故愈發(fā)頻繁，其行駛穩(wěn)定性成為汽車設計師的重要研究方向之一。電子技術的發(fā)展及其在汽車領域應用的不斷拓展，汽車的性能不再只靠單一的機械結構的優(yōu)化設計來實現(xiàn)，電子控制技術對汽車性能的改善起到了非常關鍵的作用。全輪轉向便是其一。2009-10-1946第46頁/共93頁第四章汽車橫向動力學主要內容一、概述二、全輪轉向運動學三、操縱穩(wěn)定性的主動控制2009-10-1947第47頁/共93頁第四章汽車橫向動力學一、概述全輪轉向的含義是在轉向時，除前輪轉向外，再附加后輪轉向，這種附加后輪轉向角是有限的，與前輪轉向角有一定比例關系，其主要目的是改善整車的轉向特性和響應特性。把后輪與前輪同相位轉向，可以減小車輛轉向時的旋轉運動（橫擺），改善高速行駛的穩(wěn)定性。把后輪與前輪逆相位轉向，能夠改善車輛中低速行駛的操縱性，提高快速轉向性。通常所說的4WS便是（對雙軸車來說）。2009-10-1948第48頁/共93頁第四章汽車橫向動力學二、全輪轉向運動學后輪附加轉向既可以同向也可以反向，為了統(tǒng)一表達這一關系，引入轉向角比這一概念，用符號KL來表示，它定義為后轉向角與前轉向角之比，即：KL=δh/δvδ式中：δv、h分別表示前后輪的轉角前輪轉向，后輪不轉向時,KL=0前輪轉向，后輪同向轉向時，KL>0前輪轉向，后輪反向轉向時，KL<0KL可以是一個常數(shù)，也可以根據(jù)一定的轉向規(guī)律隨各種行駛參數(shù)而變。2009-10-1949第49頁/共93頁第四章汽車橫向動力學1.全輪轉向對汽車性能的影響①對轉彎半徑的影響若前輪轉向角保持不變，附加后輪轉角后，將使轉彎半徑發(fā)生變化，改變后的轉彎半徑與KL值有關純前輪轉向時，其轉彎半徑R為:ctgδv=R/L或R=LcosδvL≈

(δv較小時)sinδvδv圖4-4-3因后輪附加轉向而改變的轉彎半徑R*計算附加后輪轉向后的轉彎半徑為R*，即：LcosδvLR=≈sin[δv(1?KL)]δv(1?KL)*2009-10-1950第50頁/共93頁第四章汽車橫向動力學②對轉向傳動比影響純前輪轉向時，傳動比Δδhiav=Δδviav為：而全輪轉向時傳動比ia為：ia=iΔδhΔδh==avΔδv?ΔδhΔδv(1?KL)(1?KL)2009-10-1951第51頁/共93頁第四章汽車橫向動力學③全輪轉向時穩(wěn)態(tài)特性，非穩(wěn)態(tài)轉向特性汽車以車輪階躍角輸入，其響應為等速圓周運動，前輪轉向時，其穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益即：&ψυ/L=δ1+Kυ2對轉向盤轉角而言為：δh/iav&ψ=υ/L1+Kυ2全輪轉向時，由于附加后輪轉角，因而改變了由轉向盤到轉向前輪的傳動比，其穩(wěn)態(tài)橫擺速度增益即：1(υ/L)(1?KL)υ/Liaψ&==δh1+Kυ2iav1+Kυ2()522009-10-19第52頁/共93頁第四章汽車橫向動力學④全輪轉向時穩(wěn)態(tài)特性，非穩(wěn)態(tài)轉向特性后輪反向時，前輪與后輪上的側向力繞質心產(chǎn)生相同轉動方向，由此產(chǎn)生了強烈的橫擺角速度，而同向轉向時橫擺角速度就小，而在質心上的橫向力則大。2009-10-1953第53頁/共93頁第四章2.汽車橫向動力學全輪轉向的原理共有四種形式①前輪轉角車速感應型為了把前輪轉角傳給后輪，在前輪齒輪齒條式轉向器的齒條軸上，安裝了后輪轉向齒輪，其角位移，通過中間傳動軸，傳給后輪轉向器。后輪具有小轉角同向轉向，大轉角逆向轉向的功能。在微小轉向的高速行駛時，形成了同向轉向，獲得了行駛穩(wěn)定性，在大轉角轉向的極低速行駛時，變成逆向轉向，獲得了小半徑轉向性能。2009-10-1954第54頁/共93頁第四章汽車橫向動力學②前輪轉角感應型在該系統(tǒng)中，從油泵出來的油液直接流入電磁閥，車速傳感器，轉角傳感器分別將車速和前輪轉角信號輸入計算機。按計算機指令，控制油液流入后輪執(zhí)行機構。如下圖2009-10-1955第55頁/共93頁第四章汽車橫向動力學③前輪轉角比例車速感應型在動力傳至后輪轉向軸之前，與前者基本相同，但后輪的執(zhí)行機構由相位控制部分和動力補助部分構成。動力補助部分以油壓為動力，由后輪滑閥和動力缸構成。相位控制部分能實現(xiàn)對后輪同相位或逆相位的控制。④橫向加速度車速感應型其結構是在前輪的動力轉向器上，再安裝一個后輪專用的控制閥，產(chǎn)生一個大致與橫向加速度成比例的，與前輪轉向器阻力相平衡的油壓，把該壓力的油液送到后輪執(zhí)行機構。在執(zhí)行機構中，裝入高剛性彈簧，當與送來的油壓達到平衡狀態(tài)時，輸出桿便產(chǎn)生位移，從而帶動后輪開始轉向。如下圖2009-10-1956第56頁/共93頁第四章汽車橫向動力學2009-10-1957第57頁/共93頁第四章汽車橫向動力學3.數(shù)學模型四輪轉向車輛的理論研究通常采用線性二自由度汽車模型，如圖4-4-7所示，其運行方程如下：&ms(υ+V?γ)=∑Fy=Fy1+Fy2=kfαf+krαr&Izγ=∑Mz=lfFy1?lrFy2αf=QlfγV+β?δfαr=β?lrγVv?lrγlrγαr=?(δf?)=β??δfVV圖4-4-74WS車二自由度模型mV?S+2(kf+kr)??r??11??kf?δf??mV+2(lfkf)/V????=2???22β??lf?lr??kr?δr?2(lfkf?lrkr)Iz?S+2(lfkf+lrkr)/V??????2009-10-1958第58頁/共93頁第四章汽車橫向動力學看書P83～854.四輪轉向的目的:①由于0<k<1時，側向加速度及橫擺角速度的穩(wěn)態(tài)增益均比前輪轉向汽車下降1-k倍，不足轉向量增大。高速時后輪與前輪具有同向轉角的4WS車具有更好的穩(wěn)定性；②減小低速時的轉彎半徑，提高轉彎的靈活性；③減小各種外部干擾對駕駛員駕駛操作的影響。過多轉向汽車，只要極小的外界干擾系統(tǒng)就會失去穩(wěn)定性2009-10-1959第59頁/共93頁第四章汽車橫向動力學舉例1菱形車轉向分析L2L1a＝1.565b=0.175vyvxVF1X車輛連體坐標系的運動微分方程式為:F3c=1.625&?Fcosδf+F2+F3cosδr=may=m(vy+vxωr)1?&aFcosδf+bF?cFcosδr=Izωr123?當考慮到δf和δr不大時，上面的微分方程可簡化為：ωr&?F1+F2+F3=m(vy+vxωr)?&?aF1+bF2?cF3=IzωrY圖6-2-6考慮側偏角的二自由度模型2009-10-1960第60頁/共93頁第四章汽車橫向動力學當β足夠小時，可近似地認為:β=arctg(vyvx)≈vyvxvx≈vε1≈vy+aωrvx&&vy≈vβωrv&&ay=vy+vxωr≈v(β+ωr)cωr?vy同時，在各輪上的汽車速度方向和側偏角也可近似表示：≈β+a,ε3≈α1=ε1?δf≈β+aωrv?δf,vxvvy+ωrω≈β+brα2=vxv≈?β+cωrα3=?(ε3?δr)≈β?cωrv+δr2009-10-1961第61頁/共93頁第四章汽車橫向動力學代入并整理運動微分方程式后,得:aK+bK2?cK3KK?&K1+K2+K3β=?1)ωr?1δf+4δr+β+(1?mvmv2mvmv?aK1+bK2?cK3a2K1+b2K2+c2K4aKcK&?ωr=β+ωr?1δf?4δr?IzIzvIzIz?選取狀態(tài)變量和輸出變量x=[βωr]y=[βωr]TTu=δf,δr[]T用狀態(tài)方程表示為:&X=AX+BUY=CX+DU2009-10-1962第62頁/共93頁第四章汽車橫向動力學aK1+bK2?cK3??1?mv2a2K1+b2K2+c2K3?Izv??K1+K2+K3?mvA=??aK1+bK2?cK3Iz??K1??mvB=?aK??

1?IzK3?mv?cK3???Iz?β&β取為[-0.05，0.05]，取[-0.005，-0.005]，取[-0.1，0.1]。?1C=??00?1??00?D=???00dr2009-10-1963第63頁/共93頁第四章汽車橫向動力學仿真中各參數(shù)取值如下：m=1100kgIz=1600kg?m2L1=1.390mL2=1.800mL2F3c=1.625L1a＝1.565b=0.175vyvxVF1Xa=1.565mb=0.175mωrc=1.625mK1=32000N/radK2=45000×2=90000N/radY圖6-2-6考慮側偏角的二自由度模型K3=32000N/rad2009-10-1964第64頁/共93頁第四章汽車橫向動力學Simulink方塊圖2009-10-1965第65頁/共93頁第四章汽車橫向動力學前后輪角輸入,汽車質心側偏角響應仿真曲線實線－－施加控制虛線－－不加控制2009-10-1966第66頁/共93頁第四章汽車橫向動力學前后輪角輸入,汽車橫擺角速度響應仿真曲線實線－－施加控制虛線－－不加控制2009-10-1967第67頁/共93頁第四章汽車橫向動力學不加控制時的橫擺角速度-前輪轉角-車速的三維關系曲面圖2009-10-19加控制時的橫擺角速度-前輪轉角-車速的三維關系曲面圖68第68頁/共93頁第四章汽車橫向動力學影響因素分析我們都知道影響汽車轉向瞬態(tài)響應有很多因素，比如:各個車胎的側偏剛度，質心位置，軸距，轉動慣量等。通過仿真發(fā)現(xiàn)，對類菱形新概念車來說，有些因素的影響甚微，有些影響很大，因此，我們可以忽略那些影響小的因素，而主要考慮那些重要的問題。①整車的質心位置結論汽車質心如在軸之后將不利于減小質心側偏角。【新概念車質心在中軸之后0.175m處】2009-10-1969第69頁/共93頁第四章汽車橫向動力學②中軸本身的位置前軸到中軸的距離值的大小也對操縱穩(wěn)定性有很大影響。結論前軸越接近中軸汽車的轉向性能越好。因為這樣能彌補因質心后置而帶來的操縱穩(wěn)定性的降低。2009-10-1970第70頁/共93頁第四章汽車橫向動力學聽一聽三、操縱穩(wěn)定性的主動控制近年來，隨著電子、液壓與傳感技術的發(fā)展，人們已有可能控制汽車在驅動、制動或轉彎時的輪胎力和空氣力，或改變轉向系與懸架系等汽車系統(tǒng)內部的固有特性，從而直接或間接地改變汽車在駕駛員轉向操縱或其他干擾作用的操縱穩(wěn)定性。其中有代表性的例子如下：1.ABS2.ASR3.4WS(AntilockBrakingSystem)(Anti-slipRegulation)(FourWheelSteering)4.ARC(ActiveRollControl)5.VDC(VehicleDynamicsControl)聽一聽2009-10-1971第71頁/共93頁第四章汽車橫向動力學控制輪胎的制動力，可以防止制動車輪抱死及制動穩(wěn)控制輪胎的驅動人力，可以避免驅動車輪滑轉，控制四個車輪上縱向的有無、大小、方向及分1.ABS2.ASR3.4WS定性的更喪失。提高驅效能和安全性。配，可以保證車輛在各種運動工況下的穩(wěn)定性并提高操縱性能。4.ARC主動改變是懸架的抗側傾特性，可以保證車身的正常姿勢，并間接地改善汽車的轉彎性能。5.VDC控制輪胎的側向力，可以改善汽車轉向操縱性能并提高抗側向干擾能力。6.ESP電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)。2009-10-1972第72頁/共93頁第四章汽車橫向動力學2009-10-1973第73頁/共93頁第四章汽車橫向動力學1.主動側傾控制(ARC)汽車在轉彎、路面不平或側風干擾時車身會發(fā)生側傾，側傾會改變車身的姿勢，影響駕駛員的視覺和乘員的舒適性，并導致車輪定位參數(shù)發(fā)生變化，引起車輪側傾轉向及側傾外傾(或內傾)，相伴的輪荷轉移干擾輪胎的側偏特性，從而影響著汽車的操縱穩(wěn)定性。主動懸架可以對車身的上下振動、前后俯仰及左右側傾三個運動自由度加以控制，這里把主動懸架的功能之一即對側傾的控制稱為主動側傾控制(通常只要求低頻響應)。2009-10-1974第74頁/共93頁第四章汽車橫向動力學對于被動懸架，車身側傾運動方程為：Izp+Ixzr+(Df+Dr)p+(C?1+C?2)?=MshV(r+β)+Msgh?對于主動懸架，車身傾運動方程將變?yōu)椋篒zp+Ixzr+(Df+Dr)p+(C?1+C?2)?=MshV(r+β)+Msgh??M?M?代表由力發(fā)生器作用在車身的繞側傾軸的力矩。不同的力控制信號將產(chǎn)生不同的控制力矩。例如：當M?與側向慣性力成比例時有：M?=a?Ms?V(r+β)α式中α為常數(shù)，的大小及在前后軸的分配比例都將對汽