汽車理論操縱穩(wěn)定性

汽車理論操縱穩(wěn)定性第一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日§5-1汽車操縱穩(wěn)定性的評價汽車的操縱穩(wěn)定性包括相互聯(lián)系的兩部分，一是操縱性，二是穩(wěn)定性。操縱性是指汽車能夠確切地相應(yīng)駕駛員轉(zhuǎn)向指令的能力。穩(wěn)定性是汽車在行駛過程中，具有抵抗改變其行駛方向的各種干擾，并保持穩(wěn)定行駛的能力。汽車的操縱穩(wěn)定性不僅影響到汽車駕駛的操縱方便程度，而且也是決定高速汽車安全行駛的一個主要性能。汽車的操縱穩(wěn)定性涉及到的問題較為廣泛，與前面討論的幾個性能有所不同，它需要采用較多的物理參量從幾個方面來進行評價。第二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日§5-1汽車操縱穩(wěn)定性的評價一、評價方法1.開路系統(tǒng)把汽車作為一個多自由度的動力學(xué)系統(tǒng)，不考慮駕駛員的反饋，建立汽車的輸入與輸出關(guān)系，以確定其轉(zhuǎn)向特性。汽車XYX—駕駛員給汽車的轉(zhuǎn)向指令（方向盤轉(zhuǎn)角或力）Y—汽車轉(zhuǎn)向運動參量（橫擺角速度、轉(zhuǎn)彎半徑）第三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日§5-1汽車操縱穩(wěn)定性的評價一、評價方法2.閉路系統(tǒng)閉路評價把環(huán)境—汽車—駕駛員看成一個閉路系統(tǒng)，根據(jù)自動調(diào)節(jié)原理，全面地研究它們之間的聯(lián)系、響應(yīng)和反饋。因為對人體特性研究尚不成熟，閉路系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性只能在具有實際車輛的條件下通過試驗求得，目前還不能做到通過理論分析與計算來進行準確的預(yù)測。汽車操縱動作駕駛員外界干擾環(huán)境因素汽車運動（橫擺、側(cè)傾、轉(zhuǎn)向）第四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日§5-1汽車操縱穩(wěn)定性的評價二、評價指標1.汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性2.轉(zhuǎn)向回正性能3.瞬態(tài)橫擺響應(yīng)特性4.蛇形性能5.低速行駛轉(zhuǎn)向輕便性6.轉(zhuǎn)向半徑（機動性、通過性）三、操縱穩(wěn)定性不好的汽車的具體表現(xiàn)（感性認識）1.發(fā)飄：駕駛員未發(fā)出轉(zhuǎn)向指令，汽車不斷改變行駛方向2.反應(yīng)遲鈍：轉(zhuǎn)向過程完成過慢3.喪失路感：路面的變化不能反饋給駕駛員4.失去控制：駕駛員不能控制方向并不是所有操縱穩(wěn)定性不好的汽車都同時具有以上的表現(xiàn)。第五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日§5-2輪胎的側(cè)偏特性輪胎的側(cè)偏特性主要是指側(cè)偏力、回正力矩與側(cè)偏角之間的關(guān)系，它是研究汽車操縱穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。一、輪胎坐標系輪胎平面：垂直于車輪旋轉(zhuǎn)軸線的輪胎中分平面。第六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日§5-2輪胎的側(cè)偏特性二、輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象和側(cè)偏力—側(cè)偏角曲線汽車在行駛過程中，由于路面的側(cè)向傾斜、側(cè)向風(fēng)或曲線行駛的離心力等的作用，車輪中心沿Y軸方向?qū)⒆饔糜袀?cè)向力Fy，相應(yīng)地在地面上產(chǎn)生地面?zhèn)认蚍醋饔昧Y—側(cè)偏力。如果是剛性車輪第七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日§5-2輪胎的側(cè)偏特性二、輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象和側(cè)偏力—側(cè)偏角曲線當(dāng)車輪有側(cè)向彈性時，車輪行駛方向?qū)⑵x輪胎平面方向（受到側(cè)偏力作用），這就是輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象。由于輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象，產(chǎn)生側(cè)偏角。輪胎的旋轉(zhuǎn)平面與前進方向的夾角稱為側(cè)偏角α。當(dāng)α不超過4～5°時，可以認為α與FY成線性關(guān)系。第八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日§5-2輪胎的側(cè)偏特性二、輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象和側(cè)偏力—側(cè)偏角曲線k—側(cè)偏剛度，單位為：N/rad，N/(°)側(cè)偏角與側(cè)偏力方向永遠相反，負的側(cè)偏力產(chǎn)生正的側(cè)偏角，因此，k為負值。側(cè)偏剛度是決定操縱穩(wěn)定性的重要輪胎參數(shù)。輪胎應(yīng)有高的側(cè)偏剛度，以保證汽車良好的操縱穩(wěn)定性。小型轎車：k=-28000～-80000N/rad。在FY較大時，隨著k的增加，α增長很快，這是因為FY接近Fφ時，輪胎在接地處已發(fā)生部分側(cè)滑。第九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日§5-2輪胎的側(cè)偏特性三、影響輪胎側(cè)偏特性的因素輪胎的尺寸、型式和結(jié)構(gòu)參數(shù)對側(cè)偏剛度有顯著的影響。尺寸較大的輪胎有較高的側(cè)偏剛度。1.扁平率（H／B×100%）H／B越小，側(cè)偏剛度越大。2.垂直載荷K隨著垂直載荷的增加而增大，但W過大時，輪胎產(chǎn)生很大的徑向變形，K反而有所減小。3.輪胎氣壓隨著氣壓的增加，側(cè)偏剛度增大，但氣壓過高后剛度不再發(fā)生變化。4.行駛車速對K影響很小第十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日§5-2輪胎的側(cè)偏特性四、回正力矩TZ汽車的四個定位參數(shù)：α—車輪外傾角（使車輪回正、轉(zhuǎn)向輕便）β—主銷內(nèi)傾角γ—主銷后傾角前束—克服車輪外傾造成的不利影響1.側(cè)偏角αα增大，TZ增大；α＝4～6°時，TZ最大；隨后，隨著α的增加，TZ減小，α＝10～16°時，TZ＝0。2.垂直載荷垂直載荷增加，回正力矩增加3.α一定時，尺寸大的輪胎，TZ也大4.子午線輪胎回正力矩大第十一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日§5-3汽車的轉(zhuǎn)向特性一、線性二自由度汽車模型的運動微分方程式1.車輛坐標系第十二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日§5-3汽車的轉(zhuǎn)向特性2.線性二自由度汽車模型①忽略轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響，直接以前輪轉(zhuǎn)角作為輸入。②忽略懸架的作用，認為汽車只作平行于地面的平面運動。（垂直速度w、側(cè)傾角速度ωp

、俯仰角速度ωq均為0）③汽車沿X軸的前進車速u視為不變。④ay<0.4g，輪胎側(cè)偏特性處于線性范圍。⑤驅(qū)動力不大，不考慮地面切向力對輪胎側(cè)偏特性的影響第十三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日§5-3汽車的轉(zhuǎn)向特性2.汽車模型的運動微分方程k1、k2—前后軸側(cè)偏剛度β—質(zhì)心的側(cè)偏角u—前進速度ωr—橫擺角速度δ—前輪轉(zhuǎn)角IZ—汽車繞Z軸的轉(zhuǎn)動慣量—側(cè)向加速度—橫擺角加速度第十四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日§5-3汽車的轉(zhuǎn)向特性二、汽車的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性1.穩(wěn)態(tài)響應(yīng)（SteadyState）汽車等速行駛時，在前輪角階躍輸入下，進入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)就是等速圓周行駛?！€(wěn)態(tài)橫擺角速度增益（轉(zhuǎn)向靈敏度）穩(wěn)態(tài)時：代入運動微分方程式K—穩(wěn)定性因數(shù)第十五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日§5-3汽車的轉(zhuǎn)向特性二、汽車的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性2.穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的三種類型根據(jù)K的數(shù)值，汽車的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)可分為三類①中性轉(zhuǎn)向K=0橫擺角速度增益與車速成線性關(guān)系②不足轉(zhuǎn)向K>0K值越大，不足轉(zhuǎn)向量越大③過多轉(zhuǎn)向K<0K值越小，過多轉(zhuǎn)向量越大。過多轉(zhuǎn)向汽車達到臨界車速時，將失去穩(wěn)定性。第十六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日§5-3汽車的轉(zhuǎn)向特性二、汽車的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性3.表示穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的幾個特征參數(shù)①前后車輪側(cè)偏角之差（α1-α2）A.α1＝α2時K=0中性轉(zhuǎn)向B.α1>α2時K>0不足轉(zhuǎn)向C.α1<α2時K<0過多轉(zhuǎn)向②轉(zhuǎn)向半徑的比值R／R0A.R／R0＝1K=0中性轉(zhuǎn)向R／R0<1K<0過多轉(zhuǎn)向C.R／R0>1K>0不足轉(zhuǎn)向第十七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日§5-3汽車的轉(zhuǎn)向特性三、汽車的瞬態(tài)響應(yīng)特性1.反應(yīng)時間τ應(yīng)小些，比較好2.峰值反應(yīng)時間ε越小越好3.超調(diào)量越小越好4.橫擺角速度ωr波動時的固有圓頻率ω0應(yīng)高些較好5.穩(wěn)定時間σ越短越好第十八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日§5-4汽車操縱穩(wěn)定性與轉(zhuǎn)向系的關(guān)系一、轉(zhuǎn)向系的功能與轉(zhuǎn)向盤力特性功能：1.駕駛者通過轉(zhuǎn)向盤控制前輪繞主銷的轉(zhuǎn)角來操縱汽車運動的方向。（角輸入和力輸入）2.憑借轉(zhuǎn)向盤（反作用）力，將整車及輪胎的運動、受力狀況反饋給駕駛者。反饋—路感（RoadFeeling）轉(zhuǎn)向盤力隨汽車運動狀況而變化的規(guī)律稱為轉(zhuǎn)向盤力特性。轉(zhuǎn)向盤力特性決定于下列因素：轉(zhuǎn)向器傳動比及其變化規(guī)律、轉(zhuǎn)向器效率、動力轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向盤操作力特性、轉(zhuǎn)向桿系傳動比、轉(zhuǎn)向桿系效率、由懸架導(dǎo)向桿系決定的主銷位置、輪胎上的載荷、輪胎氣壓、輪胎力學(xué)特性、地面附著條件、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動慣量、轉(zhuǎn)向柱摩擦阻力以及汽車整體動力學(xué)特性。第十九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日§5-4汽車操縱穩(wěn)定性與轉(zhuǎn)向系的關(guān)系二、不同行駛工況下對操縱穩(wěn)定性的要求1.在低車速、低側(cè)向加速度行駛工況下，汽車應(yīng)具有適度的轉(zhuǎn)向盤力與轉(zhuǎn)向盤總回轉(zhuǎn)角，也應(yīng)具有良好的回正性能。2.在高車速、轉(zhuǎn)向盤小轉(zhuǎn)角、低側(cè)向加速度范圍內(nèi)，汽車應(yīng)具有良好的橫擺角速度頻率特性、直線行駛能力與回正性能。在以中、高側(cè)向加速度作曲線行駛時，汽車的側(cè)向加速度、輪胎地面?zhèn)认蚍醋饔昧σ约拜喬サ母街惹闆r，主要靠轉(zhuǎn)向盤（反作用）力傳遞的。所以有人認為轉(zhuǎn)向盤力最好與側(cè)向加速度有線性關(guān)系。第二十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日§5-4汽車操縱穩(wěn)定性與轉(zhuǎn)向系的關(guān)系三、評價高速公路行駛操縱穩(wěn)定性試驗（一）試驗方法（二）轉(zhuǎn)向盤力輸入方面的評價指標四、轉(zhuǎn)向系與汽車橫擺角速度穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的關(guān)系（一）側(cè)傾時轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與懸架的運動干涉（二）轉(zhuǎn)向系剛度與轉(zhuǎn)向車輪的變形轉(zhuǎn)向第二十一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日§5-5汽車操縱穩(wěn)定性與傳動系