1、,第五章,汽車操縱穩(wěn)定性,Manoeuverability,handling and stability performance,5 汽車操縱穩(wěn)定性,5.1 概 述 5.2 輪胎側偏特性 5.3 線性二自由度汽車模型對前輪角輸入響應 5.4 汽車操縱穩(wěn)定性與懸架、轉向系的關系,5.1 概述,5.1 概述,5.1 概述,駕駛員輸入：角輸入、力輸入 汽車響應：時域響應、頻域響應,干擾,driver,vehicle,disturb,response,5.1 概述,5.1 概述,2 車輛坐標系及時域響應,Vehicle-fixed coordinate system,5.1 概述,汽車時域響應分為穩(wěn)態(tài)

2、響應和瞬態(tài)響應。 Steady and transient state response 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。 Steering wheel angle step input 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。,5.1 概述,穩(wěn)態(tài)轉向特性： 不足轉向(US)、中性轉向(NS)、過度轉向(OS) 汽車運動的軌跡特征或表現(xiàn)現(xiàn)象:轉向盤保持一個固定轉角不變，緩慢加速或以各種車速等速行駛時，US汽車

3、轉向半徑逐漸增大，NS汽車轉向半徑不變，而OS汽車轉向半徑逐漸減小。,5.1 概述,Steady state steering characteristics,Understeering,Neutral steering,Oversteering,輸入 汽車 響應,sw=steering wheel,Neutral steering,Over steering,Understeering,5.1 概述,汽車瞬時速度矢量,5.1 概述,轉向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應,汽車時域響應是一種把汽車作為開環(huán)控制系統(tǒng)的控制特性。 實際駕駛員汽車系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)：在汽車行駛過程中，駕駛員根據(jù)實際需要(輸

4、入?yún)?shù))，通過眼、手及身體感知的汽車運動狀況(輸出參數(shù))，經(jīng)過頭腦的分析、判斷（反饋），修正其對轉向盤的操縱。如此不斷地反復循環(huán)，操縱汽車行駛前進。,Driver-vehicle closed loop system,5.1 概述,偏載,路面不平,側風,汽車運動 橫擺、側傾,主觀評價法: 憑借主觀感覺的評價,最終決定權,3. 評價方法客觀評價法：用測試儀器測取汽車的物理參數(shù),Steady state response,5.1 概述,轉向盤角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應,包括:,Transient state response,5.1 概述,轉向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應：,橫擺角速度頻率響應特性：

5、共振頻率f、1Hz時的相位滯后角、汽車因數(shù),側偏特性：側偏力、回正力矩與側偏角的關系,1 輪胎坐標系,5.2 輪胎側偏特性,Tire -fixed coordinate system,Camber angle,Side slip angle,Tilting torque,Self aligning angle,Rolling resistance torque,輪胎坐標系,概念,rigid wheel,Lateral stiffness,2 側偏現(xiàn)象、側偏力和側偏角,elastic tire,最大側偏力的影響因素,附著條件 及垂直載荷FZ 輪胎胎面花紋、材料、結構、充氣壓力 路面材料、結構、干

6、濕 車輪外傾角,3.側偏特性與輪胎結構、工作條件,尺寸r的輪胎 k 子午線輪胎接地面寬 k 鋼絲比尼龍輪胎k大 扁平率：輪胎斷面高度與寬度比(H/B),k； 在一定范圍內(nèi)，載荷(FZ) ，k。但載荷W ，k 輪胎充氣壓力pa， k 行駛車速ua對k影響較小 潮濕特別在積水時，k,k=slip stiffness,寬,窄,輪胎,Tire pressure,Load,adhesive ellipsis,一定側偏角下，驅動力或制動力增加時，側偏力逐漸減小，這是由于輪胎側向彈性有所改變的關系。當縱向力相當大時，側偏力顯著下降，接近附著極限時，由于切向力已耗去大部分附著力，而側向力能利用的附著力很小。,

7、附著橢圓,小側偏角,小滑轉率,passenger car tire truck tire,Longitudinal force versus wheel slip rate,passenger car tire truck tire,passenger car tire truck tire,e=Tire offset,回正力距Tz,Self aligning moment,高速急轉,高速急收油門,Tire camber angle,5 輪胎外傾角對側偏力的作用,內(nèi)側,外側,結論 側偏力是由側偏角產(chǎn)生的側偏力和由側傾角產(chǎn)生的側傾力共同作用的結果,忽略轉向系的影響，以前輪轉角作為輸入； 只在地面

8、上做平面運動，忽略懸架作用； 前進(縱軸)速度ua不變，只有沿y軸的側向速度v和繞z軸的橫擺運動r(ay0.4g) ； 驅動力不大，對側偏特性無影響； 忽略空氣阻力； 忽略因載荷變化引起左、右輪胎特性的變化； 忽略回正力矩的變化。,5.3 線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應,1 線性2DOF汽車模型的運動微分方程,Bicycle model or single track model,Single track model,2DOF with , v,Y向力平衡,對質心取矩,One track model Bicycle model Single track model,2DOF model

9、,2 前輪角階躍輸入下進入的汽車穩(wěn)態(tài)響應:等速圓周運動,2.1 穩(wěn)態(tài)響應的評價指標： 穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益或轉向靈敏度,steady response,velocity gain,steady yaw velocity,angle step,Stability factor,2 穩(wěn)態(tài)響應的三種類型,過度轉向 Over-Steering,不足轉向 Under- Steering,中性轉向 Neutral-Steering,當汽車以很低的速度和/或很大轉向半徑行駛時，側偏角很小，有,Acrermanns Geometry,阿克曼角,阿克曼幾何關系,i.e.,L,特征車速,Characteristic

10、 velocity,臨界車速,Critical velocity,過度轉向汽車車速達到臨界車速時將失去穩(wěn)定性。因為只要一個很小的轉角，橫擺角速度增益r/就趨于無窮大。 因為假設縱向速度為優(yōu)先值，根據(jù)縱向速度與角速度的關系可知，汽車轉向半徑極小。這樣，汽車必定發(fā)生激轉，導致側滑或側翻的發(fā)生。,過度轉向特性的問題,Passenger Car,3.幾個描述穩(wěn)態(tài)響應的參數(shù),m: vehicle mass,轉向半徑比值,Steering sensitivity,L: wheel base,R: curve radius,:cornering angle,r yaw angular velocity,ov

11、ersteering,understeering,Neutral steering,Relation:,靜態(tài)儲備系數(shù),靜態(tài)裕度,static margin,二自由度模型忽略了前、后軸及左、右輪載荷變化、車輪外傾角、懸架導向桿系及懸架變形對輪胎側偏角的影響。因此，輪胎彈性側偏角絕對值的大小取決于整車質心位置和輪胎既無外傾角也無載荷變化下的側偏剛度。,5.4 汽車操縱穩(wěn)定性與懸架、轉向系,roll steer angle compliance steer angle,1 彈性側偏角:垂直載荷和外傾角變動產(chǎn)生彈性側偏角. 2 側傾轉向角:側向力使車廂外傾導致轉向桿系運動而產(chǎn)生前輪平面圍繞主銷的轉動.

12、 3 變形轉向角:側向力使車廂外傾導致懸架桿系變形而產(chǎn)生的后輪圍繞地面軸線的轉動.,1.,車身側傾軸線：車廂相對地面轉動時瞬時軸線。 側傾中心：側傾軸線通過車廂在前后軸處橫斷面的瞬時轉動中心。roll center 側傾中心位置由懸架導向機構所決定。 解析和圖解兩種方法求側傾中心。 圖解法利用可逆原理。假設車廂不動而地面相對車廂發(fā)生轉動，求出地面相對車廂的瞬時轉動中心。它也是車廂的側傾中心。,汽車外傾,無側向力,w. L. Force,inside,outside,Single wishbone independent suspension and body,Om : roll center,

13、Single wishbone,Double wishbone,Independent suspension,vehicle body,C: Center of gravity,商用車,轎車,solid axle,dependent suspension,semi-ellipsoid plate spring,懸架側傾角剛度,t - tire s - spring,車身質量,非懸掛質量,S; Sprung U: Unsprung, 車廂側傾角：車廂在側向力的作用下繞側傾軸線的轉角。 車廂側傾角是操縱穩(wěn)定性和汽車平順性的重要參數(shù)，是操縱穩(wěn)定性的重要評價指標。 側傾角r 影響汽車r的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)響應

14、。 r 過大，會使駕駛員感覺不穩(wěn)定、不安全、不舒服。 r 過小，在不平路面車廂沖擊大。 汽車穩(wěn)態(tài)圓周運動時，車廂的側傾角為,2.車廂側傾角,(1)懸掛質量離心力引起的側傾力矩,(2)側傾后懸掛質量重力引起的側傾力矩,(4)獨立懸架中非懸掛質量離心力引起的側傾力矩,(5)汽車作穩(wěn)態(tài)圓周運動時其側傾力矩,側傾時前后左右車輪垂直載荷的變化,懸架作用于車身的恢復力矩,注意：力是標量還是矢量,(6)左右車輪載荷重新分配后的輪胎側傾剛度, 在側傾力矩的作用下，汽車左右車輪的垂直載荷發(fā)生變化，這將導致輪胎的側偏特性變化而使汽車穩(wěn)態(tài)轉向特性發(fā)生變化。 左右車輪垂直載荷差別越大，側偏剛度越小。 若前軸左右車輪的

15、垂直載荷變化大，則趨于不足轉向。后軸左右車輪的垂直載荷變化大，則為趨于過多轉向。 車輪左右載荷的變動取決于：側傾角剛度、懸掛質量、非懸掛質量、質心位置、前后懸掛側傾中心位置等。,注意！, 車廂側傾時，車輪外傾角的三種變化形式：保持不變；沿著地面?zhèn)认蛄Ψ较騼A斜；沿著地面?zhèn)认蛄ψ饔梅较蛳喾吹姆较騼A斜。,3.車廂側傾時車輪外傾角的變化, 當車輪的外傾傾斜方向與地面的側向反作用力相一致時，側偏角絕對值減?。环粗?，則增大。 車輪外傾角的增加使車輪的側向附著性能降低，汽車極限側向加速度減小。 車廂側傾時，車輪相對地面的側傾角由車輪相對車廂的外傾角和車廂相對地面的側傾角組成。 車輪相對地面的外傾角求法：假想

16、讓車廂不動，令地面相對車廂轉動一個角度r ，這樣就可根據(jù)懸架導向桿系的運動學關系，找出車輪相對車廂的相對轉動角度，然后讓車廂與地面一起回轉r ，此時地面回復到原來狀態(tài)，即可確定外傾角的數(shù)值。,車廂側傾時車輪外傾角的變化,非獨立懸架,雙橫臂,單縱臂,燭式,單橫臂，ay較小,單橫臂，ay較大,側傾轉向是在側向力作用下，車廂發(fā)生側傾，而引起車輪偏轉，即車輪圍繞垂直軸線或轉向節(jié)主銷轉動。 后軸轉向是因懸架桿系的運動學關系所產(chǎn)生的車輪轉向角。 側傾干涉轉向是轉向軸因轉向桿系和懸架桿系運動學關系干涉所產(chǎn)生的車輪轉向角變動。 軸轉向是發(fā)生側傾轉向時，車軸發(fā)生的繞垂直軸線的轉動。 運動學側偏是車軸和車輪圍繞垂直軸線的轉動與輪胎側偏之效果一樣。,4 側傾轉向,后軸的軸轉向對穩(wěn)態(tài)轉向特性的影響,在側傾作用下板簧懸架的軸轉向,側傾力作用結果,無側傾力作用,變形轉向：懸架導向桿系元件在各種力和力矩作用下的彈性變形可能引起車輪圍繞轉向節(jié)主銷或垂直地面的軸線的轉