第5章汽車操縱穩(wěn)定性

1、第五章 汽車的操縱穩(wěn)定性基本內容基本內容：汽車操縱穩(wěn)定性研究概述 輪胎的側偏特性重點重點：線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應分析自學答疑自學答疑：汽車操縱穩(wěn)定性與懸架的關系 汽車操縱穩(wěn)定性與轉向角的關系 汽車操縱穩(wěn)定性與傳動系的關系 提高操縱穩(wěn)定性的電子控制系統(tǒng) 汽車的側翻 汽車的操縱穩(wěn)定性汽車的操縱穩(wěn)定性是指在駕駛者不感到過分緊張、疲勞的條件下，汽車能遵循駕駛者通過轉向系及轉向車輪給定的方向行駛，且當遭遇外界干擾時，汽車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力。 5-1 概概 述述 一、汽車操縱穩(wěn)定性包含的內容一、汽車操縱穩(wěn)定性包含的內容 1、在汽車操縱穩(wěn)定性的研究中，常把汽車作為一控制系統(tǒng)，求出

2、汽車曲線行駛的時域響應時域響應與頻率響應頻率響應特性特性，并以它們來表征汽車的操縱穩(wěn)定性能。 2、方向盤輸入有兩種形式：給方向盤作用一個角位移，稱為角位移輸入角位移輸入，簡稱為角輸入角輸入；給方向盤作用一個力矩，稱為力矩輸入力矩輸入，簡稱為力輸入力輸入。 3、方向盤角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應方向盤角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應及方向盤方向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應角階躍輸入下的瞬態(tài)響應，就是表征汽車操縱穩(wěn)定性的方向盤角位移輸入下的時域響應。回正性回正性是一種方向盤力輸入下的時域響應。 橫擺角速度頻率響應特性橫擺角速度頻率響應特性是方向盤轉角正弦輸入下，頻率由0 時，汽車橫擺角速度與方向盤轉角的振幅比

3、及相位差的變化圖形。 轉向半徑轉向半徑是評價汽車機動靈活性的物理參量。 轉向輕便性轉向輕便性是評價轉動方向盤輕便程度的特性。 二、車輛坐標系與方向盤角階躍輸入下的時域響應二、車輛坐標系與方向盤角階躍輸入下的時域響應 1、汽車的運動是借固結于運動著的汽車上的動坐標系車輛坐標系來描述的。圖5-1所示固結于汽車上的oxyz直角動坐標系就是車輛坐標系車輛坐標系。 XOZ處于汽車左右對稱的平面內。當車輛在水平路面上靜止狀態(tài)下，x軸平行于地面指向前方。z軸通過質心指向上方，y軸指向駕駛員的左側，坐標系的原點O常可令其與質心重合。與操縱穩(wěn)定性有關的主要運動參量為，車廂角速度在z軸上的分量橫擺角速度 等等（參

4、看圖5-1） r 2、汽車的時域響應可分為不隨時間變化的穩(wěn)態(tài)響應穩(wěn)態(tài)響應和隨時間變化的瞬態(tài)響應瞬態(tài)響應。汽車等速直線行駛是一種穩(wěn)態(tài)，給汽車以方向盤角階躍輸入，一般汽車經(jīng)短暫時間后便進入等速圓周行駛，這也是一種穩(wěn)態(tài)，稱為方向盤角階躍輸方向盤角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應入下進入的穩(wěn)態(tài)響應。 在等速直線行駛與等速圓周行駛這兩個穩(wěn)態(tài)運動之間的過渡過程便是一種瞬態(tài)，相應的瞬態(tài)運動響應稱為方方向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應應。 汽車的等速圓周行駛等速圓周行駛，即汽車方向盤角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應。一般也稱它為汽車的穩(wěn)態(tài)轉向特性穩(wěn)態(tài)轉向特性，汽車的穩(wěn)態(tài)轉向特性分為三種類型：不足轉向不足轉

5、向、中性轉向中性轉向和過多轉向。操縱穩(wěn)定性良好的汽車應具有適度的不足轉向特性。一般汽車不應具有過多轉向特性，也不應具有中性轉向特性，因為中性轉向汽車在使用條件變動時，有可能轉變?yōu)檫^多轉向特性。 常用方向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應來表征汽車的操縱穩(wěn)定性。 圖5-3上畫出了一輛等速行駛汽車在t=0時,駕駛員急速轉動方向盤至角度sw0并維持此轉角不變時的汽車瞬態(tài)響應曲線 汽車的瞬態(tài)響應，它具有如下幾個特點：（1）時間上的滯后（2）執(zhí)行上的誤差（3）橫擺角速度的波動（4）進入穩(wěn)態(tài)所經(jīng)歷的時間 三、人-汽車閉路系統(tǒng) 盡管試驗得到的人-汽車閉路系統(tǒng)的性能真實地反映了汽車的操縱穩(wěn)定性能，但是由于進行試驗的駕駛

6、者的操作特性起了反饋作用，所以客觀性及再現(xiàn)性就不如開路系統(tǒng)汽車的時域響應好。還應指出，人-汽車系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性只能在已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測。所以，在產(chǎn)品開發(fā)階段，廣泛應用的理論分析對象仍然只能是開路系統(tǒng)汽車的時域響應。 四、汽車試驗的兩種評價方法及時域響應與頻率響應特四、汽車試驗的兩種評價方法及時域響應與頻率響應特性的評價指標性的評價指標 汽車性能最后應通過試驗來進行測定與評價。試驗中的性能評價有主觀評價和客觀評價兩種方法?？陀^評價法客觀評價法是通過測試儀器測出表征性能的物理量如橫擺角速度、側向加速度、側傾角及轉向力等來評價操縱穩(wěn)定

7、性的方法。主觀評價法主觀評價法就是感覺評價，其方法是讓試驗評價人員，根據(jù)試驗時自己的感覺來進行評價，并按規(guī)定的項目和評分辦法進行評分。 此外，還有一個方向盤角階躍輸入下時域響應的綜合性評價指標，這個評價指標稱為汽車因數(shù)汽車因數(shù)。 方向盤角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應：方向盤角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應： 穩(wěn)態(tài)橫擺增益曲線穩(wěn)態(tài)橫擺增益曲線 .橫擺角速度增益（又橫擺角速度增益（又稱為轉向靈敏度）稱為轉向靈敏度）.穩(wěn)定性因數(shù)穩(wěn)定性因數(shù)K。方向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應：方向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應： 瞬態(tài)橫擺響應曲線瞬態(tài)橫擺響應曲線 .反應時間反應時間衰減振動圓頻率衰減振動圓頻率 橫擺角速度頻率響應特性：橫

8、擺角速度頻率響應特性： 共振峰頻率共振峰頻率f ，1HZ時的相位滯后角時的相位滯后角穩(wěn)態(tài)轉向特性演示穩(wěn)態(tài)轉向特性演示 )rsau0100%rrtt或05-2 輪胎的側偏特性 側偏特性主要是側偏力、回正力矩與側偏角間的關系，它是研究汽車操縱穩(wěn)定性的基礎。 一、輪胎的坐標系一、輪胎的坐標系 垂直于車輪旋轉軸線的輪胎中分平面稱為車輪平面。車輪平面與地平面的交線取為X軸，規(guī)定向前為正。Z軸與地平面垂直，規(guī)定指向上方為正。Y軸在地平面上，規(guī)定面向車輪前進方向時指向左邊為正。圖5-5上還畫了地面作用于輪胎的力與力矩，即地面切向反作用力Fx、地面?zhèn)认蚍醋饔昧y、地面法向反作用力Fz，以及地面反作用力繞Z軸

9、的力矩回正力矩Tz等等。圖中還畫出了側偏角a與外傾角 二、輪胎的側偏現(xiàn)象和側偏力二、輪胎的側偏現(xiàn)象和側偏力-側偏角曲線側偏角曲線 車輪中心沿Y軸方向若作用有側向力Fy，相應地在地面上產(chǎn)生地面?zhèn)认蚍醋饔昧y，F(xiàn)y也稱為側偏力側偏力。當有地面?zhèn)认蚍醋饔昧r，若車輪是剛性的，則可能發(fā)生兩種情況： （1）當?shù)孛鎮(zhèn)认蚍醋饔昧Y未超過車輪與地面間的附著極限時，車輪與地面間沒有滑動,車輪仍沿其本身平面 的 方向行駛（圖5-6）； （2）當?shù)孛鎮(zhèn)认蚍醋饔昧Y達到車輪與地面間的附著極限時，車輪發(fā)生側向滑動，若滑動速度為u，車輪便沿合成速度u方向行駛，偏離了 方向。 當車輪有側向彈性時，即使FY沒有達到附著

10、極限，車輪行駛方向亦將偏離車輪平面 的方向，這就是輪胎的側側偏現(xiàn)象偏現(xiàn)象。 與 的夾角a，即為側偏角側偏角。 ccccccaacccFyuccFyucu 沒有側向滑移 有側向滑移圖5-6 有側向力作用時剛性車輪的滾動u 輪胎的側偏現(xiàn)象： 圖5-8給出了一條由試驗測出的側偏力-側偏角曲線。曲線表明，側偏角不超過5時，F(xiàn)y與成線性關系。汽車正常行駛時，側向加速度不超過0.4g，側偏角不超過45，可以認為側偏角與側偏力成線性關系。FY-曲線在=0處的斜率稱為側偏剛度側偏剛度k，單位為N/rad或N/（）。由輪胎坐標系有關符號規(guī)定可知，負的側偏力產(chǎn)生正的側偏角，因此側偏剛度為負值。FY=k。小型轎車輪

11、胎的k值約在-28000-80000 N/rad范圍內。側偏剛度是決定操縱穩(wěn)定性的重要輪參數(shù)。輪胎應有高的側偏剛度（指絕對值），以保證汽車良好的穩(wěn)定性。 在較大的側偏力時，側偏角以較大的速率增長，即FY-曲線的斜率逐漸減小，這時輪胎在接地面處已發(fā)生部分側滑。最后，側偏力達到附著極限時，整個輪胎側滑。顯然輪胎的最大側偏力決定于附著條件，即垂直載荷，輪胎胎面花紋、材料、結構、充氣壓力，路面的材料、結構、潮濕程度以及車輪的外傾角等。一般而言，最大側偏力越大，汽車的極限性能越好，譬如按圓周行駛的極限側向加速度就 越高。 三、輪胎的結構、工作條件對側偏特性的影響三、輪胎的結構、工作條件對側偏特性的影響

12、尺寸較大的輪胎有較高的側偏剛度。 輪胎斷面高H與輪胎斷面寬B之比H/B100%稱為扁扁平率平率。 垂直載荷增大后，側偏剛度隨垂直載荷的增加而加大，但垂直載荷過大時，輪胎產(chǎn)生很大的徑向變形，側偏剛度反而有所減小。 輪胎的充氣壓力對側偏剛度也有顯著影響。隨著氣壓的增加，側偏剛度增大，但氣壓過高后剛度不再變化。 行駛車速對側偏剛度的影響很小。 當縱向力相當大時，側偏力顯著下降。因為此時接近附著極限，切向力已耗去大部分附著力，而側向能利用的附著力很少。由圖還可看出，這組曲線的包絡線接近于一橢圓，一般稱為附著橢圓附著橢圓。 路面有薄水層時，由于滑水現(xiàn)象（hydroplaning）,會出現(xiàn)完全喪失側偏力的

13、情況四、回正力矩四、回正力矩繞繞OZ軸的力矩軸的力矩 Tz是使轉向車輪回復到直線行駛位置的主要恢復力矩之一，稱為回正力矩回正力矩?；卣厥怯山拥孛鎯确植嫉奈⒃獋认蚍戳Ξa(chǎn)生的。 回正力矩起始時逐步增大，側偏角為4。6。時達到最大值；側偏角再增大，回正力矩下降，在10。16。時回正力矩為零。側偏角再大，回正力矩成為負值?；卣仉S垂直載荷的增大而增加。 在同樣側偏角下,尺寸大的輪胎一般回正力矩較大。子午線輪胎的回正力矩比斜交胎大。 輪胎的氣壓低，接地印跡長，輪胎拖距大，回正力矩也就大。 地面切向反作用力對回正力矩也產(chǎn)生影響。隨著驅動力的增加,回正力矩大最大值后再下降。在制動力作用下，回正力矩不斷

14、減少，到一定制動力時下降為零，其后便變?yōu)樨撝怠?五、有外傾角時輪胎的滾動五、有外傾角時輪胎的滾動汽車兩前輪有外傾角，滾動時前軸以Fy的力將兩前輪拉住沿同一方向滾動，與此同時輪胎接地面中產(chǎn)生一與Fy方向相反的側向反作用力，這就是外傾側向力外傾側向力FY 。根據(jù)輪胎坐標系的規(guī)定，kr為負值稱作外傾剛度，單位為N/rad或N/（）（1）A、B、C為三條相互平行的直線，故可認為在各種外傾角下，輪胎側偏剛度均為k。（2）側偏角為零時的地面?zhèn)认蛄Ρ闶峭鈨A側向力FY,圖5-19a是試驗得到的外傾側向力與外傾角的關系曲線，二者成線性關系，即 FY=k 。當外傾角為正值時（見A線），F(xiàn)Y 為負值。有外傾角時實驗

15、所得輪胎側向力與側偏角的關系如下圖5-19。 （3）地面?zhèn)认蛄榱銜r的側偏角就是由外傾角產(chǎn)生的側由外傾角產(chǎn)生的側偏角偏角， 。當外傾角為正值時（見A線），為負值。（4）地面?zhèn)认蛄镕Y時的側偏角，等于外傾角為零時FY產(chǎn)生的側偏角0與由此外傾角產(chǎn)生的側偏角之和。如外傾角為正值（A線），側偏角=0-cf=0+。（5）有外傾角時的地面?zhèn)认蚍醋饔昧εc外傾角、側偏角的關系式為車輪有外傾角時還產(chǎn)生回正力矩。 kkaFFFYYaYkk5-3 線性二自由度汽車模型對前輪角輸線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應入的響應一、線性二自由度汽車模型的運動微分方程一、線性二自由度汽車模型的運動微分方程二自由度汽車運動

16、微分方程式為)1u()()(12121rrumkbkakkkb v . rzrIkkbkabkakb1221221二、前輪角階躍輸入下進入的汽車穩(wěn)態(tài)響應二、前輪角階躍輸入下進入的汽車穩(wěn)態(tài)響應等速圓周等速圓周行駛行駛常用輸出與輸入的比值，如穩(wěn)態(tài)時的橫擺角速度與前輪轉角之比來評價穩(wěn)態(tài)響應。這個比值稱為穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益，也稱為轉向靈敏度轉向靈敏度，以符號 表示。穩(wěn)定時橫擺角速度為定值，此時 =0 ， = 0 ，以此代入（5-9）并解得穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益為 式中 K稱為穩(wěn)定性因數(shù)穩(wěn)定性因數(shù)，它是表征汽車穩(wěn)態(tài)響應的一個重要參數(shù)，其單位為s2m-2。sr)122kbkaLmK.2122

17、1/1/)KuLukbkaLmLusru2. r. v L11、中性轉向K=0時， ，即橫擺角速度增益與車速成線性關系，斜率為 。這種穩(wěn)態(tài)稱轉向特性稱為中性轉向中性轉向。它相當于剛性車輪轉向。2、不足轉向當K0時，式（5-11）分母大于1，橫擺角速度增益 比中性轉向時要小。 不再與車速成線性關系。參看圖5-25。具有這樣特性的汽車稱為不足轉向汽車不足轉向汽車。Lusrsrsr根據(jù)K值的正負，汽車穩(wěn)定轉向可分為三種類型。當車速為 時，汽車穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益達到最大值，且其橫擺角速度增益為與軸距L相等的中性轉向汽車橫擺角速度增益的一半。uch稱作特征車速，當不足轉向量增加時，K增大，特征車速uch

18、降低。Kuch13、過多轉向 當K0時，K0，為不足轉向，當（a1-a2）=0，K=0，為中性轉向，當（a1-a2）0時，K0時，R/R01，即不足轉向汽車的轉向半徑總大于R0，且由式（5-16）可知，轉向半徑將隨車速增加而增大；K0時，R/R0， S.M.為正值。在質心位置上作用的側向力引起的前輪側偏角1大于后輪側偏角2，汽車具有不足轉向特性。 當質心在中性轉向點之后時， ， S.M.為負值。在質心位置上作用的側向力引起的后輪側偏角2大于前輪側偏角1，汽車具有過多轉向特性。三、三、 瞬態(tài)響應瞬態(tài)響應 通過運動的起始條件，可求出積分常數(shù)C、A1、A2。最后得出給汽車前輪一個角階躍輸入時，汽車的橫擺角速度瞬態(tài)響應表達式。見教材P126頁式（5-33）。 通常也用瞬態(tài)響應中的幾個參數(shù)來表征響應品質的好壞，這些參數(shù)是1、橫擺角速度r波動時的固有（圓）頻率r。0值是評價汽車瞬態(tài)響應的一個重要參數(shù)。0值應高些為好。圖5-31為一些歐洲及日本轎車的固有頻率f0（單位為 Hz ）與穩(wěn)定性因數(shù)K （單位為 s2/m2）值 ， 固有頻率 。2、阻尼比 隨著車速的提高，值減?。辉诜€(wěn)定性因數(shù)不變條件下