PAGE山東理工大學(xué)教案第17次課教學(xué)課型：理論課□實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課□實(shí)踐課□技能課□其它□主要教學(xué)內(nèi)容（注明：重點(diǎn)#難點(diǎn)）：教學(xué)目的要求：教學(xué)方法和教學(xué)手段：教師采用多媒體進(jìn)行課堂講授討論、思考題、作業(yè)：參考資料：1、3、相關(guān)汽車專業(yè)雜志；4、網(wǎng)上相關(guān)資料；講稿內(nèi)容備注§5汽車的操縱穩(wěn)定性§5.1基本概念一、操縱系統(tǒng)欠佳的種種表現(xiàn)：1、飄：無(wú)指令時(shí)，汽車行駛飄??；2、賊：不聽指令，左右亂闖，賊頭賊腦；3、晃：轉(zhuǎn)向時(shí)，行駛不穩(wěn)；4、反映遲鈍：接到指令時(shí)，半天才反應(yīng)；5、喪失路感：人員操縱車，無(wú)法感覺路面狀況；6、失去控制：指令失控。二、基本概念：1、操縱性：汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)，按駕駛員的主觀愿望，改變?cè)旭偡较颍?、穩(wěn)定性：外力干擾下能自動(dòng)維持或恢復(fù)原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和方向，不發(fā)生側(cè)滑側(cè)翻的能力。實(shí)質(zhì)上，操縱性和穩(wěn)定性不是同一概念，書本上操縱穩(wěn)定性是合在一起定義的：操縱穩(wěn)定性：是指在駕駛者不感到過(guò)分緊張疲勞的條件下，汽車能遵循駕駛者通過(guò)轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向行駛，且當(dāng)遭遇外界干擾時(shí)，汽車能抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力。三、研究方法：1、開路控制系統(tǒng)：所謂開路控制系統(tǒng)是指我們研究汽車的操縱穩(wěn)定性時(shí)，對(duì)于駕駛者而言，只能機(jī)械地急速轉(zhuǎn)動(dòng)方向，并維持此角度不變，而不允許其根據(jù)汽車的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)作出任何主觀地操縱修正動(dòng)作。即：輸入信號(hào)汽車輸出信號(hào)（完全汽車本身結(jié)構(gòu)與參數(shù)決定）此種方法完全反映的是汽車本身的固有特性，它可以通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，也可以使用測(cè)試設(shè)備在試驗(yàn)中客觀進(jìn)行測(cè)量。2、閉路系統(tǒng)：在實(shí)際的操作中，操縱穩(wěn)定性的好壞，還是最終由駕駛員來(lái)評(píng)定，也就是說(shuō)，操縱穩(wěn)定性的好壞與駕駛者的操縱有密切關(guān)系，因此應(yīng)將架車者與汽車共同作為統(tǒng)一整體來(lái)研究操縱穩(wěn)定性，這就是人－汽車系統(tǒng)，下圖便簡(jiǎn)要表明了人－汽車系統(tǒng)駕駛者與汽車的關(guān)系：在實(shí)際行駛中，我們駕駛者根據(jù)需要進(jìn)行轉(zhuǎn)向，同時(shí)路面風(fēng)向等也會(huì)影響汽車的行駛。當(dāng)此動(dòng)作進(jìn)行完畢后，駕駛者交不是完全機(jī)械地駕駛，他會(huì)根據(jù)隨之出現(xiàn)的道路，交通等情況通過(guò)眼、手、身體來(lái)感知，經(jīng)過(guò)判斷、分析來(lái)修正手中的方向盤，如此反復(fù)操縱汽車行駛，因此在人－汽車系統(tǒng)是一個(gè)閉路系統(tǒng)。由于駕駛者的反饋?zhàn)饔檬謴?fù)雜，目前對(duì)于人－汽車閉路系統(tǒng)的研究還很不成熟，只處于試驗(yàn)方法來(lái)測(cè)定實(shí)際的階段。盡管，人－汽車閉路系統(tǒng)能真實(shí)反映操縱狀況，但由于不同駕駛員的反饋?zhàn)饔?，所以客觀性及再現(xiàn)性不如開路系統(tǒng)好，而且目前閉路系統(tǒng)的應(yīng)用還處于只能對(duì)已有的車進(jìn)行駕駛室，實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試分析，而不能進(jìn)行理論分析與計(jì)算來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，所以產(chǎn)品開發(fā)階段還不能采用人－汽車閉路系統(tǒng)。所以在本書中，我們對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的研究采用的是開路系統(tǒng)控制的方法。四、車輛坐標(biāo)系的確定：車輛坐標(biāo)系是用來(lái)描述汽車運(yùn)動(dòng)的，它是固結(jié)于運(yùn)動(dòng)著的汽車上的一個(gè)動(dòng)坐標(biāo)系。XOZ處于汽車左右對(duì)稱平面內(nèi)；車輛在水平路面靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，X軸平等于地面前方；Z軸通過(guò)質(zhì)心指向上方；Y軸指向駕駛員左側(cè)，坐標(biāo)系原點(diǎn)O與質(zhì)心重合。在上圖我們標(biāo)出了各種運(yùn)動(dòng)的速度及方向，與我們研究操縱穩(wěn)定有關(guān)的為：車廂角速度在Z軸上的分量－橫擺角速度Wr；汽車質(zhì)心速度在Y軸上的分量－側(cè)向速度V；汽車質(zhì)心加速度在Y軸上的分量－側(cè)向加速度Wy等。五、汽車的時(shí)域響應(yīng)：1、概念：汽車的時(shí)域響應(yīng)可分為不隨時(shí)間變化的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和隨時(shí)間的變化的瞬時(shí)響應(yīng)。汽車的等速直線行駛時(shí)，急速轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，然后維持轉(zhuǎn)角不變，即給汽車以方向盤轉(zhuǎn)角階咶輸入，一般經(jīng)短暫時(shí)間便進(jìn)入等速圓周行駛，這也是一種穩(wěn)態(tài)，稱為方向盤階躍輸入下進(jìn)入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。在等速直線行駛與等速圓周行駛兩穩(wěn)態(tài)，運(yùn)動(dòng)之間的渡過(guò)過(guò)程是一種瞬態(tài)，相應(yīng)的瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)稱為方向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)。2、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：汽車的等速圓周行臺(tái)，即汽車方向盤角附中輸入下進(jìn)入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)雖不常出現(xiàn)，但卻是表征汽車操縱穩(wěn)定性的一個(gè)重要時(shí)域響應(yīng)故而稱為穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性，它可分為三種類型：不足轉(zhuǎn)向，中性轉(zhuǎn)向和過(guò)多轉(zhuǎn)向。在方向盤保持一固定轉(zhuǎn)角下δδW，緩慢加速或改變車速時(shí)，汽車轉(zhuǎn)向半徑R增大的不足轉(zhuǎn)向（轉(zhuǎn)向程度不足），汽車轉(zhuǎn)向半徑R不變的為中性轉(zhuǎn)向；汽車轉(zhuǎn)向半徑R減少的為過(guò)多轉(zhuǎn)向；一般希望汽車具有一定的不足轉(zhuǎn)向（下面詳細(xì)講述）3、瞬態(tài)響應(yīng)：瞬態(tài)響應(yīng)與汽車的操縱穩(wěn)定性好壞有密切關(guān)系，汽車方向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)，常用來(lái)表征汽車的操縱穩(wěn)定性。下圖即為急速給定方向盤一轉(zhuǎn)角δswo，并維持此轉(zhuǎn)角不變時(shí)的瞬間響應(yīng)，它有如下特點(diǎn)（幾個(gè)特征量）：（1）時(shí)間上的滯后：汽車橫擺角速度在接到信號(hào)后，不能立即到達(dá)Wro，而是要有一個(gè)時(shí)間ι后，才能第一次達(dá)到Wro，這段滯后時(shí)間稱為反應(yīng)時(shí)間，ι越短，駕駛者感到反映迅速，否則遲鈍，也有用達(dá)到第一峰值的時(shí)間ξ來(lái)表示反應(yīng)時(shí)時(shí)間的；（2）執(zhí)行上的誤差：最大橫擺角速度Wr1常大于穩(wěn)態(tài)值Wro，Wr1/Wro×100%稱為超調(diào)量，它表示執(zhí)行指令誤差的大??；（3）橫擺角速度的波動(dòng)：在瞬態(tài)響應(yīng)中，橫擺角速度Wr以頻率W在Wro值上下波動(dòng)，波動(dòng)周期T或頻率W決定于汽車動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)，Wr值波動(dòng)也會(huì)使轉(zhuǎn)向半徑R時(shí)大時(shí)小，給駕駛帶來(lái)困難；(4)穩(wěn)態(tài)時(shí)間6：當(dāng)Wr值達(dá)到穩(wěn)態(tài)值Wro的95-105%之間的時(shí)間6稱為穩(wěn)定時(shí)間，這段時(shí)間應(yīng)盡是短些。個(gè)別汽車也可能出現(xiàn)Wr不收劍的情況，即Wr越來(lái)越大轉(zhuǎn)向半徑R愈來(lái)愈小，而導(dǎo)致汽車產(chǎn)生側(cè)滑或翻車，由此可見，瞬態(tài)響應(yīng)包括兩方面的問(wèn)題：一是行駛方向的穩(wěn)定性，即給汽車以方向盤角階躍輸入后，汽車能否到達(dá)新的穩(wěn)態(tài)狀況的問(wèn)題；二是響應(yīng)品質(zhì)的問(wèn)題，即達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)之前，其瞬態(tài)響應(yīng)的特性如何?！?.2輪胎的側(cè)偏特性輪胎的側(cè)偏特性是輪胎的機(jī)械我的線成部分，本節(jié)主要討論輪胎在滾動(dòng)時(shí)發(fā)生的側(cè)偏及輪胎的側(cè)偏特性，側(cè)偏特性主要是指?jìng)?cè)偏力，回正力矩與側(cè)偏角之間的關(guān)系，它是研究操縱穩(wěn)定性理論的基礎(chǔ)。一、輪胎的坐標(biāo)系：為了討論輪胎的機(jī)械特性，需要建立一個(gè)坐標(biāo)系垂直于車輪旋轉(zhuǎn)軸線的輪胎中分平面稱為車輪平面，坐標(biāo)系的原點(diǎn)O為車輪平面和地平面的交線與車輪旋轉(zhuǎn)軸線在地平面上的投影線的交點(diǎn)。車輪平面與地平面的交線取為X軸，規(guī)定向前為正，Z軸與地面垂直規(guī)定為正，Y軸在地平面上規(guī)定面向車輪前進(jìn)方向時(shí)指向左方為正。如下圖所示坐標(biāo)系中還標(biāo)出了按輪胎坐標(biāo)規(guī)定的正方向：ΔFX、FY、FZ：地面切向反作用力，地面?zhèn)认蚍醋饔昧?，地面法向反作用力；ΔTX、Tz:正翻轉(zhuǎn)力矩，正回正力矩；Δ側(cè)偏角α：輪胎接地印跡中心（坐標(biāo)原點(diǎn)）位移方向與X軸的夾角（圖為正）；Δ側(cè)傾角γ：垂直平面與車輪平面的夾角（圖為正）。二、輪胎的側(cè)偏和側(cè)偏力－側(cè)偏角曲線1、側(cè)偏力的產(chǎn)生：汽車行駛時(shí)，由于路面的側(cè)面傾斜，側(cè)向風(fēng)或曲線行駛時(shí)的離必作用，車輪中心沿Y軸方向有側(cè)向力Fy，相應(yīng)地面上將產(chǎn)生地面?zhèn)认蚍醋饔昧y，F(xiàn)r稱為側(cè)偏力。2、Fy作用于剛性輪時(shí)：假設(shè)汽車輪胎為剛性輪胎時(shí)，則可能發(fā)生兩種情況：1）當(dāng)Fy未超過(guò)車輪與地面的附著極限時(shí)，車輪與地面間無(wú)滑動(dòng)，將保持其行駛方向；2）當(dāng)Fy達(dá)到附著極限時(shí)，將沿著Fr方向產(chǎn)生側(cè)滑，有一側(cè)向滑動(dòng)速度Δu，車輪將沿u與Δu的合成速度方向u′行駛。3、Fy作用于彈性輪時(shí)：當(dāng)車輪有側(cè)向彈性時(shí)，即使Fy沒有達(dá)到附著極限，車輪行駛方向亦將偏離車輪平面的方向，此為輪胎的側(cè)偏。下面我們討論在垂直載荷為W的條件下，側(cè)向有彈性的車輪中心受到側(cè)向力Fy，地面有相應(yīng)側(cè)偏力Fr后的兩種情況：1）車輪靜止時(shí)，由于車輪側(cè)向彈性，輪胎發(fā)生側(cè)向變形，輪胎胎面與地面接地印跡的中心線與車輪平面不重合錯(cuò)開Δh，但仍平行于；2）車輪滾動(dòng)時(shí)，接地印跡中心線不只是和車輪平面錯(cuò)開一定距離，而且是不再與平行，與夾角α即為側(cè)偏角，車輪沿滾動(dòng)。為清楚說(shuō)明角α的成因，我們具體分析一下車輪滾動(dòng)過(guò)程，在輪胎面中心線上標(biāo)出A1，A2，A3，A4……各點(diǎn)，隨車輪滾動(dòng)，各點(diǎn)依次落于地面上相應(yīng)的A1′，A2′，A3′，A4′……在主視圖上可見，胎面上A1，A2，A3，A4……各點(diǎn)連線為一斜線，因此它們落在地面相應(yīng)各點(diǎn)A1′，A2′，A3′，A4′……的連線，并不垂直于車輪旋轉(zhuǎn)軸線，即與車輪平面的延長(zhǎng)線有夾角α，當(dāng)輪胎與地面無(wú)側(cè)向滑動(dòng)時(shí)A1′，A2′，A3′，A4′……的連線就是接地印跡的中心線，即車輪滾動(dòng)時(shí)的痕跡，車輪沿∝滾動(dòng)，顯然，側(cè)偏角α的大小與Fy有關(guān)，即與側(cè)偏力Fy有關(guān)。4、側(cè)偏力－側(cè)偏角曲線側(cè)偏角不超過(guò)30－50時(shí)，F(xiàn)y與α在線性關(guān)系，在汽車正常行駛時(shí)，側(cè)向加速度不不超過(guò)0.4g，側(cè)偏角不超過(guò)40－60可以認(rèn)為Fy與α成線性關(guān)系；Fy－α曲線在α=0的低斜率稱為側(cè)偏剛度k，k單位為N/rad或N/(0)；側(cè)偏剛度k是決定操縱穩(wěn)定性的重要輪胎參數(shù)，k值（絕對(duì)值）增加,則操縱穩(wěn)定性增加，k值受道路條件限制FyFф。小型轎車輪胎的K值約在-28000——-80000N／rad范圍內(nèi)。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(指絕