車輛操縱穩(wěn)定性整理學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1車輛車輛(chling)操縱穩(wěn)定性整理操縱穩(wěn)定性整理第一頁(yè)，共42頁(yè)。輪胎側(cè)偏輪胎側(cè)偏特性特性線性二自線性二自由度汽車由度汽車模型對(duì)前模型對(duì)前輪角輸入輪角輸入的響應(yīng)的響應(yīng)第1頁(yè)/共42頁(yè)第二頁(yè)，共42頁(yè)。一、輪胎(lnti)的側(cè)偏特性第2頁(yè)/共42頁(yè)第三頁(yè)，共42頁(yè)。側(cè)偏力 ：當(dāng)路面傾斜、曲線行駛(xngsh)離心力時(shí)，車輪中心沿Y方向作用一個(gè)側(cè)向力，相應(yīng)地地面產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向反作用力，稱為側(cè)偏力。YF剛性輪情況:當(dāng)車輪有側(cè)向力作用時(shí)，當(dāng)FY 沒(méi)有達(dá)到附著極限(jxin)時(shí)，車輪與地面沒(méi)有滑動(dòng)，車輪仍沿自身平面cc的方向行駛。當(dāng)FY 達(dá)到附著極限(jxin)時(shí)，車輪與地面有滑動(dòng)，車輪有側(cè)向

2、行駛。第3頁(yè)/共42頁(yè)第四頁(yè)，共42頁(yè)。側(cè)偏現(xiàn)象：當(dāng)車輪有側(cè)向力作用(zuyng)時(shí)，F(xiàn)Y 沒(méi)有達(dá)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(cè)偏角。側(cè)偏力 ：當(dāng)路面傾斜、曲線行駛(xngsh)離心力時(shí)，車輪中心沿Y方向作用一個(gè)側(cè)向力，相應(yīng)地地面產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向反作用力，稱為側(cè)偏力。YF第4頁(yè)/共42頁(yè)第五頁(yè)，共42頁(yè)。側(cè)偏現(xiàn)象：當(dāng)車輪有側(cè)向力作用時(shí)，F(xiàn)Y 沒(méi)有達(dá)到附著極限，車輪行駛方向(fngxing)亦將偏離車輪平面的方向(fngxing)。輪胎接地印跡中心線與輪胎平面的夾角稱為側(cè)偏角。kFY在曲線(qxin)線性段： 輪胎的最大側(cè)偏力取決于附著(fz

3、hu)條件，即垂直載荷，輪胎花紋、材料、結(jié)構(gòu)尺寸角等。 一般而言，最大側(cè)偏力越大，汽車的極限性能越好。第5頁(yè)/共42頁(yè)第六頁(yè)，共42頁(yè)。側(cè)偏現(xiàn)象：當(dāng)車輪有側(cè)向力作用時(shí)，F(xiàn)Y 沒(méi)有(mi yu)達(dá)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(cè)偏角。有側(cè)偏現(xiàn)象時(shí)，輪胎印跡前端離車輪平面近，側(cè)向變形(bin xng)小；后端變形(bin xng)大。地面微元側(cè)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eZYTF e第6頁(yè)/共42頁(yè)第七頁(yè)，共42頁(yè)。二、線性二自由度汽車模型對(duì)前輪角輸入二、線性二自由度汽車模型對(duì)前輪角輸入(shr)(shr)的響

4、應(yīng)的響應(yīng)前輪角階躍輸入(shr)下進(jìn)入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)前輪角階躍輸入(shr)下的瞬態(tài)響應(yīng)橫擺角速度頻率響應(yīng)特性第7頁(yè)/共42頁(yè)第八頁(yè)，共42頁(yè)。二、線性二自由度汽車模型對(duì)前輪角輸入二、線性二自由度汽車模型對(duì)前輪角輸入(shr)(shr)的響的響應(yīng)應(yīng)前輪角階躍輸入(shr)下進(jìn)入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)前輪角階躍輸入(shr)下的瞬態(tài)響應(yīng)橫擺角速度頻率響應(yīng)特性第8頁(yè)/共42頁(yè)第九頁(yè)，共42頁(yè)。二、線性二自由度汽車模型對(duì)前輪角輸入二、線性二自由度汽車模型對(duì)前輪角輸入(shr)(shr)的的響應(yīng)響應(yīng)前輪角階躍輸入(shr)下進(jìn)入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)前輪角階躍輸入(shr)下的瞬態(tài)響應(yīng)橫擺角速度頻率響應(yīng)特性第9頁(yè)/共42頁(yè)第十頁(yè)

5、，共42頁(yè)。汽車(qch)被簡(jiǎn)化為只有側(cè)向和橫擺兩個(gè)自由度的兩輪汽車(qch)模型。假設(shè)(jish)2.1 二自由度汽車模型二自由度汽車模型第10頁(yè)/共42頁(yè)第十一頁(yè)，共42頁(yè)。第11頁(yè)/共42頁(yè)第十二頁(yè)，共42頁(yè)。二自由度汽車(qch)動(dòng)力學(xué)分析11221122YZFkkMakbkr1au rr2vbbuurr12YabFkkuurr12ZabMakbkuu沿y軸的合力(hl)及繞z軸的合力(hl)矩為：其中(qzhng)：第12頁(yè)/共42頁(yè)第十三頁(yè)，共42頁(yè)。二自由度汽車(qch)動(dòng)力學(xué)分析 由rYyZZFmaMI 其中(qzhng)，沿Oy軸加速度：ryavu1212r1r221212r

6、1r11Zkkakbkkm vuuakbka kb kakIu第13頁(yè)/共42頁(yè)第十四頁(yè)，共42頁(yè)。穩(wěn)態(tài)時(shí)橫擺角速度r為定值，即 、聯(lián)立兩式消去(xio q)v，可得穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益2.2 前輪角階躍輸入前輪角階躍輸入(shr)下汽車的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)下汽車的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)0vr01212r1r221212r1110vkkakbkkmuuuvakbka kb kakuursr2s222111u Lu LKumabuLkk221mabKLkk 其中其中(qzhng)第14頁(yè)/共42頁(yè)第十五頁(yè)，共42頁(yè)。16221mabKLkk K的大小的大小(dxio)是與車輛自身的質(zhì)量，車是與車輛自身的質(zhì)量，車長(zhǎng)，各輪胎

7、側(cè)偏剛度等因素相關(guān)的。長(zhǎng)，各輪胎側(cè)偏剛度等因素相關(guān)的。第15頁(yè)/共42頁(yè)第十六頁(yè)，共42頁(yè)。即橫擺角速度增益(zngy)與車速成線性關(guān)系，斜率為 ，1）中性(zhngxng)轉(zhuǎn)向當(dāng) K=0 時(shí)，由穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的三種(sn zhn)類型r2s1u LuKuL1/ L2）不足轉(zhuǎn)向3）過(guò)多轉(zhuǎn)向第16頁(yè)/共42頁(yè)第十七頁(yè)，共42頁(yè)。即橫擺角速度增益(zngy)與車速成線性關(guān)系，斜率為 ，1）中性(zhngxng)轉(zhuǎn)向當(dāng) K=0 時(shí)，由穩(wěn)態(tài)響應(yīng)(xingyng)的三種類型r2s1u LuKuL1/ Lr2s1u LuKuLruLR2）不足轉(zhuǎn)向3）過(guò)多轉(zhuǎn)向即當(dāng)車速增加時(shí)，轉(zhuǎn)向半徑不會(huì)發(fā)生改變，這是一種理想的狀

8、態(tài)。第17頁(yè)/共42頁(yè)第十八頁(yè)，共42頁(yè)。即橫擺角速度增益會(huì)小于同等(tngdng)車速下中性轉(zhuǎn)向的橫擺角速度增益。1）中性(zhngxng)轉(zhuǎn)向當(dāng) K0 時(shí)，由穩(wěn)態(tài)響應(yīng)(xingyng)的三種類型r2s1u LKu2）不足轉(zhuǎn)向3）過(guò)多轉(zhuǎn)向ch1uK當(dāng)，chu 稱為特征車速，當(dāng)k值增加，相應(yīng)的特征車速將會(huì)降低rs取到最大值第18頁(yè)/共42頁(yè)第十九頁(yè)，共42頁(yè)。即橫擺角速度增益會(huì)小于同等(tngdng)車速下中性轉(zhuǎn)向的橫擺角速度增益。1）中性(zhngxng)轉(zhuǎn)向當(dāng) K0 時(shí)，由穩(wěn)態(tài)響應(yīng)(xingyng)的三種類型r2s1u LKur2s1u LKu2）不足轉(zhuǎn)向3）過(guò)多轉(zhuǎn)向201RRKu即當(dāng)車速

9、增加時(shí)，轉(zhuǎn)向半徑會(huì)隨車速增加而增大，這是實(shí)際應(yīng)用中所追求的轉(zhuǎn)向方式。第19頁(yè)/共42頁(yè)第二十頁(yè)，共42頁(yè)。 稱為(chn wi)臨界車速，臨界車速越低，過(guò)多轉(zhuǎn)向量越大。即橫擺角速度增益會(huì)大于同等(tngdng)車速下中性轉(zhuǎn)向的橫擺角速度增益。1）中性(zhngxng)轉(zhuǎn)向當(dāng) K0 時(shí)，由穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的三種類型r2s1u LKu2）不足轉(zhuǎn)向3）過(guò)多轉(zhuǎn)向cr-1uK當(dāng)，crurs趨于無(wú)窮大第20頁(yè)/共42頁(yè)第二十一頁(yè)，共42頁(yè)。即橫擺角速度增益會(huì)大于同等(tngdng)車速下中性轉(zhuǎn)向的橫擺角速度增益。1）中性(zhngxng)轉(zhuǎn)向當(dāng) K0，不足轉(zhuǎn)向K=0，中性轉(zhuǎn)向K1，K0 ，不足轉(zhuǎn)向；R/R01，

10、K0，過(guò)多轉(zhuǎn)向。第24頁(yè)/共42頁(yè)第二十五頁(yè)，共42頁(yè)。2）轉(zhuǎn)向(zhunxing)半徑的比R/R01）前、后輪側(cè)偏角絕對(duì)值之差1-23）靜態(tài)儲(chǔ)備(chbi)系數(shù)S.M.幾個(gè)表征(bio zhn)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的參數(shù)中中性性轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向向點(diǎn)點(diǎn)汽汽車車質(zhì)質(zhì)心心2YF1YF靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù) S.M.：中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)到前輪的距離 與汽車質(zhì)心到前軸距離 a 之差與軸距L之比。a212S.M.kaaaLkkL中性轉(zhuǎn)向aa S.M.012不足轉(zhuǎn)向aa S.M.012過(guò)多轉(zhuǎn)向aaS.M.012第25頁(yè)/共42頁(yè)第二十六頁(yè)，共42頁(yè)。消去 得：二自由度汽車二自由度汽車(qch)運(yùn)動(dòng)微分運(yùn)動(dòng)微分方程式方程式2.3 前輪角階躍輸入(

11、shr)下的瞬態(tài)響應(yīng)1212r1r1kkakbkkm vuu221212r1r1Zakbka kb kakIuvv、 、rrr10mhcbb式中式中：ZmmuI 221212Zhm a kb kIkk 2221212121221212kka kb kakbkcmu akbkuuL k kmu akbku11bmuak 012bLk k第26頁(yè)/共42頁(yè)第二十七頁(yè)，共42頁(yè)。式中式中阻尼比阻尼比rrr10mhcbb2r0r0r102BB 20cm02hm11bBm00bBm0固有固有(gyu)(gyu)圓頻率圓頻率第27頁(yè)/共42頁(yè)第二十八頁(yè)，共42頁(yè)。前輪角階躍輸入(shr)：討論：汽車前輪角

12、階躍輸入討論：汽車前輪角階躍輸入(shr)情況情況00,00,0,0ttt2r0r0r102BB 2r0r0r002B 00rr00220s1Bu LKu即穩(wěn)態(tài)橫擺角速度rr00s特解為：0t 當(dāng)時(shí)0012222120121BbLk ku LL k kcKumu akbku第28頁(yè)/共42頁(yè)第二十九頁(yè)，共42頁(yè)。對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)(duyng)的齊次方程的齊次方程為：為：2r0r0r20 220020ss200020011111siss 一對(duì)共軛復(fù)根兩個(gè)不同實(shí)根特征方程為：特征方程為：002200002rr00rr01211rr0341+ esin11+e1+eettttCtCC tCC小阻尼臨界阻尼大

13、阻尼第29頁(yè)/共42頁(yè)第三十頁(yè)，共42頁(yè)。由于正常(zhngchng)的汽車都具有小阻尼的瞬態(tài)響應(yīng)，當(dāng)1時(shí) 0200r020esin1tBtCt201令 0000r1220ecos tesin tttBtAA由運(yùn)動(dòng)起始條件確定積分(jfn)常數(shù)C、A1、A2第30頁(yè)/共42頁(yè)第三十一頁(yè)，共42頁(yè)。1001000,0,rrZaktwvwBI 時(shí)，00120BA 20001r200022s002111BmuaBABLk2220r1202s2220r002s221112111muaCAALkmuamuaLkLk210221arctanarctanAmuaALk第31頁(yè)/共42頁(yè)第三十二頁(yè)，共42頁(yè)。

14、 000r20esintBtCt 0220rr002s222111esin1tmuamuattLkLk 0rr0r0se0tt 當(dāng)時(shí)，第32頁(yè)/共42頁(yè)第三十三頁(yè)，共42頁(yè)。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)的之前， 是衰減的正弦(zhngxin)函數(shù)，汽車的瞬態(tài)響應(yīng)汽車二階慣性環(huán)節(jié)特點(diǎn)： 時(shí)間上的滯后； 橫擺角速度超調(diào)； 橫擺角速度的波動(dòng)； 進(jìn)入穩(wěn)態(tài)要經(jīng)歷時(shí)間。rt（ ） 0220rr002s222111esin1tmuamuattLkLk第33頁(yè)/共42頁(yè)第三十四頁(yè)，共42頁(yè)。表征響應(yīng)表征響應(yīng)(xingyng)品質(zhì)好壞的品質(zhì)好壞的4個(gè)瞬態(tài)響應(yīng)個(gè)瞬態(tài)響應(yīng)(xingyng)的參數(shù)的參數(shù)1）固有圓頻率(pnl)02）阻

15、尼比3）反應(yīng)時(shí)間4）達(dá)到第一個(gè)峰值r1的時(shí)間第34頁(yè)/共42頁(yè)第三十五頁(yè)，共42頁(yè)。當(dāng)當(dāng)1時(shí)，只要時(shí)，只要 為正值，就收斂，否則發(fā)散為正值，就收斂，否則發(fā)散(fsn)而不穩(wěn)定。而不穩(wěn)定。 式中k1、k2為負(fù)值(f zh)， 恒為正值。當(dāng)當(dāng)11時(shí)，齊次微分方程時(shí)，齊次微分方程(wi fn fn chn)(wi fn fn chn)的解均收斂而趨于的解均收斂而趨于0 0。 穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的穩(wěn)定條件穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的穩(wěn)定條件022121202ZZm a kb kkkImuI0002200002rr00rr01211rr0341+ esin11+e1+eettttCtCC tCC小阻尼臨界阻尼大阻尼第35頁(yè)/共42

16、頁(yè)第三十六頁(yè)，共42頁(yè)。當(dāng)1時(shí)，特征根必須為負(fù)值，齊次微分方程(wi fn fn chn)的解才收斂趨于0。應(yīng)為負(fù)值(f zh)才收斂，即 應(yīng)為正值。220002021221202ZZakbkk k LImu I221mabKLkk21212Kk k Lakbkm22000011rr0341+eettCC大阻尼222121202ZZKk k Lk k LmImu I第36頁(yè)/共42頁(yè)第三十七頁(yè)，共42頁(yè)。 的第二項(xiàng)恒為正，當(dāng)車速很低時(shí)，它是很大的值，均為正值， r（t）收斂，汽車穩(wěn)定(wndng)； 隨著車速的增加， 第二項(xiàng)越來(lái)越?。辉谶^(guò)多轉(zhuǎn)向條件下 ， 就可能為負(fù)值，r（t）發(fā)散，汽車不穩(wěn)定

17、(wndng)202020的第一項(xiàng)為正的第一項(xiàng)為正的第一項(xiàng)為負(fù)的第一項(xiàng)為負(fù)不足不足(bz)轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向時(shí)過(guò)多過(guò)多(u du)轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向時(shí)0K 0K 2020222121202ZZKk k Lk k LmImu I第37頁(yè)/共42頁(yè)第三十八頁(yè)，共42頁(yè)。 在轉(zhuǎn)向(zhunxing)盤正弦輸入下，頻率由0時(shí)，汽車橫擺角速度與轉(zhuǎn)向(zhunxing)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(binhun)；的傅里葉變換(binhun)。 22r0r0r102jjBB 2r0r0r102BB 2.4 橫擺角速度頻率響應(yīng)特性rr( ) 為( ) 為第38頁(yè)/共42頁(yè)第三十九頁(yè)，共42頁(yè)。幅頻特性為幅頻特性為 相頻特性為相頻特性為 rr1022002210002222000022222100010102222222222220000jj2jj2j2j2j22j44jBBHBBBBBBBC 22ABC arctanCB 第39頁(yè)/共42頁(yè)第四十頁(yè)，共42頁(yè)。 幅頻特性反映了駕駛員以不同頻率輸入指令時(shí)，汽車執(zhí)行駕駛員指令失真的(zhn de)程度。 相頻特性反映了汽車橫擺角速度 滯后于轉(zhuǎn)向(zhunxing)盤