汽車理論課件：汽車操縱穩(wěn)定性 -

2023/11/29汽車理論汽車操縱穩(wěn)定性汽車理論

第1頁5.1汽車操縱穩(wěn)定性的評價5.2輪胎動力學模型5.3汽車操縱穩(wěn)定性數(shù)學模型5.4汽車穩(wěn)態(tài)響應5.5汽車角階躍輸入下的瞬態(tài)響應5.6汽車脈沖輸入下的瞬態(tài)響應5.7汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)5.8汽車操縱穩(wěn)定性試驗2023/11/29汽車理論

第2

頁目錄汽車操縱穩(wěn)定性

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頁定義：指在駕駛人不感覺過分緊張、疲勞的條件下，汽車能按照駕駛人通過轉向系及轉向車輪給定的方向（直線或轉彎）行駛；且當受到外界干擾（路不平、側風、貨物或乘客偏載）時，汽車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的性能。

操縱性:即汽車能夠確切地響應駕駛人通過轉向盤給定的轉向指令行駛的能力，反映了汽車與駕駛人配合的程度。

穩(wěn)定性:即汽車受到外界干擾（路面干擾或突然陣風擾動）后，汽車能抵抗干擾恢復和保持穩(wěn)定行駛的能力，反映了汽車運行狀況的穩(wěn)定程度。5.1汽車操縱穩(wěn)定性的評價5.1.1汽車操縱穩(wěn)定性評價的基本概念1．指令反應評價和擾動反應評價

指令反應評價：對駕駛人通過轉向盤進行指令輸入的評價。

擾動反應評價：對車輪或車身處外界擾動輸入的評價。2．力輸入反應評價和角輸入反應評價

力輸入反應評價：對駕駛人通過力輸入控制汽車轉向運動的評價。

角輸入反應評價：對駕駛人通過角輸入控制汽車轉向運動的評價。3．不同“工作點”下的評價

“工作點”：指由這些工況變量所確定的三維空間的點。2023/11/29汽車理論

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頁5.1汽車操縱穩(wěn)定性的評價4．線性區(qū)評價和非線性區(qū)評價

汽車在附著系數(shù)較大的路面上作小轉向運動，認為是線性區(qū)評價；汽車在附著系數(shù)較小的路面作大轉向運動，認為是非線性區(qū)評價。5．穩(wěn)態(tài)評價和動態(tài)評價

穩(wěn)態(tài)：指沒有外界擾動、車速恒定、轉向盤上的指令固定不變，汽車的輸出運動達到穩(wěn)定平衡的狀態(tài)。

穩(wěn)態(tài)評價：汽車達到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)的評價。

動態(tài)評價：汽車從接收轉向指令或擾動指令開始到達到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)之前的運動評價。

穩(wěn)態(tài)不存在操縱穩(wěn)定性問題，所有的操縱穩(wěn)定性問題都是動態(tài)反應問題。2023/11/29汽車理論

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頁5.1汽車操縱穩(wěn)定性的評價6．開環(huán)評價和閉環(huán)評價

開環(huán)評價：指不考慮駕駛人特性、只考慮汽車本身特性的評價，是試驗評價的主要手段。

閉環(huán)評價：是既考慮駕駛人特性、又考慮汽車本身特性的評價，更能全面評價汽車操縱穩(wěn)定性。

圖1是一典型的駕駛人—汽車閉環(huán)系統(tǒng)。2023/11/29汽車理論

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頁圖1駕駛人—汽車閉環(huán)系統(tǒng)5.1汽車操縱穩(wěn)定性的評價7．主觀評價和客觀評價

主觀評價：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，按規(guī)定的項目和評分辦法進行評分，屬于閉環(huán)評價。

客觀評價：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，來評價汽車操縱穩(wěn)定性。。2023/11/29汽車理論

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頁5.1.2汽車操縱穩(wěn)定性的基本內(nèi)容和評價指標汽車操縱穩(wěn)定性需要采用較多的物理量從多個方面進行評價，見表書本中的5-1。

轉向盤角階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)響應和瞬態(tài)響應：是表征汽車操縱穩(wěn)定性的轉向盤角位移輸入下的時域響應，是汽車操縱穩(wěn)定性的基礎特性。

轉向盤角脈沖輸入下的瞬態(tài)響應：是表征汽車操縱穩(wěn)定性的轉向盤角位移輸入下的頻域響應，是描述頻率由0→∞時汽車橫擺角速度與轉向盤轉角的振幅比及相位差，是表征汽車操縱穩(wěn)定性的基礎特性。

轉向回正性：是一種轉向盤力輸入下的時域響應，它表征了汽車受到外界干擾后自動回正的能力。

轉向輕便性：是評價駕駛人轉動轉向盤輕便程度的特性。2023/11/29汽車理論

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頁5.1.2汽車操縱穩(wěn)定性的基本內(nèi)容和評價指標

典型行駛工況性能：指模擬典型駕駛操作汽車通過某種通道的性能，它們能更如實地反映汽車的操縱穩(wěn)定性，屬于閉環(huán)評價。

轉向盤中心區(qū)操縱穩(wěn)定性：指轉向盤小轉角、低頻正弦輸入下汽車高速行駛時的操縱穩(wěn)定性，它代表了汽車經(jīng)常行駛工況下的操縱穩(wěn)定性。

機動性：代表汽車機動靈活性的性能，最小轉彎半徑是評價汽車機動性的重要指標。

直線行駛性：側風穩(wěn)定性與路面不平度穩(wěn)定性是汽車直線行駛時在外界干擾輸入下的時域響應。

極限行駛性能：指汽車在處于正常行駛與異常危險運動之間的運動狀態(tài)下的特性，它表明了汽車安全行駛的極限性能。2023/11/29汽車理論

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頁5.2輪胎動力學模型

輪胎是汽車的重要部件，它的結構參數(shù)和力學特性決定著汽車的主要行駛性能。5.2.1輪胎六分力

輪胎六分力：汽車行駛時，輪胎受到沿三個方向的力以及繞三個軸的力矩，如圖2所示。2023/11/29汽車理論

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頁圖2SAE標準輪胎運動坐標系5.2.1輪胎六分力

（1）縱向力

：指地面對輪胎作用力在地平面內(nèi)沿

軸方向的分量，其作用是對汽車進行驅動或制動，

為正時是驅動力，為負時是制動力。

（2）側向力：指地面對輪胎作用力在地平面內(nèi)沿

軸方向的分量，根據(jù)輪胎轉向或外傾的方向，側向力使輪胎向相應的方向運動，實現(xiàn)汽車的轉向。

（3）法向力

：指地面對輪胎作用力垂直于地平面沿

軸方向的分量，根據(jù)定義，該法向反作用力為負值，因此垂直載荷的符號與法向反作用力相反，為正值。2023/11/29汽車理論

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頁5.2.1輪胎六分力

（4）翻轉力矩

：指地面對輪胎作用力繞

軸旋轉的輪胎分力矩，其說明了垂直力作用點相對于接觸中心左右移動的現(xiàn)象，影響輪胎的外傾性能。

（5）滾動阻力矩：指地面對輪胎作用力繞

軸旋轉的輪胎分力矩，其說明了垂直力作用點相對于接觸中心前后移動的現(xiàn)象。

（6）回正力矩：指地面對輪胎作用力繞

軸旋轉的輪胎分力矩，其說明了縱向力和側向力在道路平面內(nèi)的作用點偏離接觸中心，影響汽車的回正性能。2023/11/29汽車理論

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頁5.2.1輪胎六分力

在輪胎六分力中，對汽車操縱穩(wěn)定性影響較大的是輪胎縱向力、側向力和回正力矩。

輪胎側偏角

：為車輪中心平面與車輪中心運動方向的夾角，順時針方向為正。

外傾角：由車前方看車輪中心線與垂直線所成的夾角，向外為正，向內(nèi)為負。SAE輪胎運動坐標系中，符號協(xié)議是：縱向力與縱向滑動率符號一致；側向力與側偏角符號相反。

輪胎滑移率：指汽車在制動時，車輪抱死程度。

輪胎滑轉率：指汽車驅動時，車輪滑轉程度。

輪胎滑動率：輪胎滑移率和輪胎滑轉率。2023/11/29汽車理論

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頁5.2.2輪胎動力學模型類型

輪胎動力學模型是研究輪胎六分力與輪胎結構參數(shù)和使用參數(shù)的關系，即輪胎在不同工作條件下的輸入與輸出之間的關系，如圖3所示。2023/11/29汽車理論

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頁圖3輪胎輸入與輸出之間的關系5.2.2輪胎動力學模型類型輪胎動力學模型根據(jù)建模方法的不同，可以分為理論模型、經(jīng)驗模型、半經(jīng)驗模型和自適應模型4大類。1.輪胎理論模型：在簡化的輪胎物理模型基礎上建立的對輪胎力學特性的一種數(shù)學描述。2.輪胎經(jīng)驗模型：是利用一定的經(jīng)驗公式擬合試驗測試數(shù)據(jù)建立的模型。3.輪胎半經(jīng)驗模型：是在輪胎理論模型基礎上通過滿足一定邊界條件建立的模型，是目前應用最廣泛的模型。4.輪胎自適應模型：是在理論和試驗數(shù)據(jù)的基礎上，通過模擬生物體的某些結構和功能，針對各種不同輸入?yún)?shù)建立起來的對外界環(huán)境具有一定自適應能力的智能模型。2023/11/29汽車理論

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頁5.2.3輪胎側偏特性理論模型輪胎側偏特性模型主要用于研究汽車操縱穩(wěn)定性，在建立簡化的自由滾動輪胎側偏特性理論模型時，作如下假設：

（1）輪胎胎體為剛性，輪胎的彈性集中在胎面。

（2）輪胎作自由滾動，其縱向滑動和縱向力可以忽略。

（3）輪胎的外傾角為零。

（4）輪胎與路面之間各點的摩擦系數(shù)為固定常數(shù)。

（5）垂直載荷在印跡上的分布為拋物線分布，在寬度上的分布是相同的。2023/11/29汽車理論

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頁5.2.3輪胎側偏特性理論模型

2023/11/29汽車理論

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頁圖4輪胎印跡內(nèi)胎面變形5.2.3輪胎側偏特性理論模型2023/11/29汽車理論

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頁

附著區(qū)內(nèi)胎面上任一點

的側向變形為：

式中，

。

輪胎印跡內(nèi)由胎面變形引起的側向應力為：

輪胎印跡內(nèi)的側向摩擦應力為：

當輪胎印跡內(nèi)由胎面變形產(chǎn)生的側向應力和側向摩擦應力相等時，輪胎開始滑移，起滑點坐標由下式求得：

5.2.3輪胎側偏特性理論模型2023/11/29汽車理論

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頁自由滾動輪胎側向力為：自由滾動輪胎回正力矩為：

5.2.3輪胎側偏特性理論模型2023/11/29汽車理論

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頁當

，即輪胎印跡內(nèi)無側向滑移時，輪胎側向力和回正力矩分別為：輪胎拖距為：當

，即輪胎印跡內(nèi)完全側向滑移時，輪胎側向力和回正力矩分別為：

5.2.3輪胎側偏特性理論模型2023/11/29汽車理論

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頁假設輪胎側偏特性是線性的，而且側偏角較小，側向力滿足下列關系：

圖5給出了一轎車用輪胎在3種不同載荷下的側向力與側偏角之間的關系。

圖5輪胎側向力與側偏角的關系5.2.3輪胎側偏特性理論模型2023/11/29汽車理論

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頁

輪胎垂直載荷對側偏剛度的影響如圖6所示。

圖6輪胎垂直載荷對側偏剛度的影響

當輪胎垂直載荷較小時，側偏剛度隨著垂直載荷一起增加，但當垂直載荷超出某一極限時，輪胎產(chǎn)生很大的徑向變形，側偏剛度反而有所減小。5.2.3輪胎側偏特性理論模型2023/11/29汽車理論

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頁

輪胎氣壓對側偏剛度的影響如圖7所示。

圖7輪胎氣壓對側偏剛度的影響

當垂直載荷相對較小時，輪胎側偏剛度隨著氣壓的增大而減??；當垂直載荷相對較大時，輪胎側偏剛度隨著氣壓的增大而增大。然而，對于更大的垂直載荷，輪胎側偏剛度會隨著氣壓的增大而減小。5.2.3輪胎側偏特性理論模型2023/11/29汽車理論

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頁

輪胎回正力矩與側偏角的關系如圖8所示。

圖8輪胎回正力矩與側偏角的關系

當側偏角較小時，回正力矩隨著側偏角線性增加；而隨著側偏角增大，回正力矩趨于飽和并達到某一特定峰值，隨后便開始隨著側偏角的增大而減小。輪胎垂直載荷對回正力矩的影響都很大。5.2.4輪胎魔術公式2023/11/29汽車理論

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頁

魔術公式：用三角函數(shù)的組合公式擬合輪胎試驗數(shù)據(jù)，用一套形式相同的公式就可以完整地表達輪胎的縱向力、側向力、回正力矩以及縱向力、側向力的聯(lián)合作用工況。魔術公式可統(tǒng)一描述為：

5.2.4輪胎魔術公式2023/11/29汽車理論

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頁和是由輪胎的簾布層轉向效應、輪胎的圓錐度效應、滾動阻力矩和外傾角引起的，用來描述特性曲線相對原點的偏移；

決定

處的斜率；、、、、等因子的意義，如圖9所示。

圖9輪胎魔術公式中的系數(shù)5.2.4輪胎魔術公式2023/11/29汽車理論

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頁

目前，輪胎魔術公式有多種模型，如Pacejka89、Pacejka94模型；MF-Tyre輪胎模型；PAC2002輪胎模型。

Pacejka89輪胎側向力表達式為：

5.2.4輪胎魔術公式2023/11/29汽車理論

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頁輪胎側向力表達式各項系數(shù)為：

式中，

為輪胎外傾角；

為純側偏工況下Pacejka89輪胎側向力特性參數(shù)。

5.2.4輪胎魔術公式2023/11/29汽車理論

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頁Pacejka89輪胎回正力矩表達式為：

5.2.4輪胎魔術公式2023/11/29汽車理論

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頁輪胎回正力矩表達式各項系數(shù)為：側向力和回正力矩的特性參數(shù)可以通過試驗獲得，也可以通過參數(shù)辨識獲得。

5.3汽車操縱穩(wěn)定性數(shù)學模型5.3.1三軸汽車操縱穩(wěn)定性數(shù)學模型三軸全輪轉向汽車簡化為一個二自由度三輪單軌模型，引入了以下假設：

（1）忽略轉向系統(tǒng)的作用，直接以前輪轉角作為輸入。

（2）忽略懸架的作用，認為汽車只做平行于地面的平面運動。

（3）汽車沿

軸的前進速度

視為不變，這樣汽車只有沿

軸的側向運動和繞

軸的橫擺運動兩個自由度。

（4）輪胎側偏特性處于線性范圍。

（5）驅動力不大，不考慮地面切向力對輪胎側偏特性的影響。

（6）忽略空氣動力的作用。

（7）忽略左、右輪胎由于載荷變化引起輪胎特性的變化以及輪胎回正力矩的作用。2023/11/29汽車理論

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頁5.3.1三軸汽車操縱穩(wěn)定性數(shù)學模型

簡化后的汽車模型如圖10所示。2023/11/29汽車理論

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頁圖10二自由度三軸汽車模型5.3.1三軸汽車操縱穩(wěn)定性數(shù)學模型

汽車質心處側向加速度為：

汽車前輪、中輪、后輪的側偏角分別為：

假設輪胎側向力處于線性范圍內(nèi)，汽車前輪、中輪和后輪側向力分別為：2023/11/29汽車理論

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頁（1）（2）（3）5.3.1三軸汽車操縱穩(wěn)定性數(shù)學模型

根據(jù)牛頓定律，可以列出二自由度汽車的微分方程為：

將式（1）~（3）代入式（4）得：

將式（5）寫成矩陣方程：2023/11/29汽車理論

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頁（4）（5）（6）5.3.1三軸汽車操縱穩(wěn)定性數(shù)學模型

令

，，就可以得到常見的前輪轉向三軸汽車操縱穩(wěn)定性數(shù)學模型；令

，，就可以得到四輪轉向汽車操縱穩(wěn)定性數(shù)學模型。2023/11/29汽車理論

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頁5.3.2二軸汽車操縱穩(wěn)定性數(shù)學模型

假設

=0，

，

，即可得到二軸前輪轉向汽車操縱穩(wěn)定性數(shù)學模型為：1.矩陣方程

將式（7）寫成矩陣方程：2023/11/29汽車理論

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頁（7）（8）5.3.2二軸汽車操縱穩(wěn)定性數(shù)學模型2.傳遞函數(shù)

對式（8）進行拉普拉斯變換得：

由式（9）可得汽車質心側偏角的傳遞函數(shù)為：

由式（10）可得汽車橫擺角速度的傳遞函數(shù)為：2023/11/29汽車理論

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頁（9）（10）（11）5.3.2二軸汽車操縱穩(wěn)定性數(shù)學模型3.頻率響應函數(shù)

對式（8）進行傅氏變換得：

由式（12）可得汽車質心側偏角的頻率響應函數(shù)為：

由式（13）可得汽車橫擺角速度的頻率響應函數(shù)為：2023/11/29汽車理論

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頁（12）（13）（14）5.3.2二軸汽車操縱穩(wěn)定性數(shù)學模型4.狀態(tài)方程式

取狀態(tài)向量為

，輸入向量為

，輸出向量為

，將微分方程式（7）寫為狀態(tài)方程式為：

式中，

；；；

。

2023/11/29汽車理論

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頁（15）5.4汽車穩(wěn)態(tài)響應5.4.1汽車穩(wěn)態(tài)響應評價

1.汽車穩(wěn)態(tài)響應的評價指標：1）汽車穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益：指穩(wěn)態(tài)橫擺角速度與前輪轉角之比，也稱轉向靈敏度。

汽車穩(wěn)態(tài)行駛時，橫擺角速度為定值，微分項為零。根據(jù)式（8），可以得到：

解式（16），可求得汽車穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益為：2023/11/29汽車理論

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頁（16）（17）5.4.1汽車穩(wěn)態(tài)響應評價

圖11是汽車穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益與行駛速度的關系曲線，稱為特征車速；

稱為臨界車速。2023/11/29汽車理論

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頁圖11汽車穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益與行駛速度的關系1.汽車穩(wěn)態(tài)響應的評價指標：2）汽車穩(wěn)定性因數(shù)

根據(jù)式（17），可得汽車穩(wěn)定性因數(shù)為：

根據(jù)汽車穩(wěn)定性因數(shù)的數(shù)值，汽車的穩(wěn)態(tài)響應可分為三類，=0時為中性轉向；>0時為不足轉向；<0時為過度轉向，如圖12所示。2023/11/29汽車理論

第42

頁圖12汽車的三種穩(wěn)態(tài)轉向特性（18）2）汽車穩(wěn)定性因數(shù)

當=0時，

，這種穩(wěn)態(tài)相當于汽車以極低的速度進行轉向或以很大的轉向半徑行駛，側偏角小到忽略不計，則轉向半徑為

。

當>0時，橫擺角速度增益變小，而且

越大，橫擺角速度增益越小，不足轉向量越大。當車速為

時，汽車橫擺角速度增益達到最大值，當不足轉向量增加時，

增大，特征車速

降低。不足轉向汽車做圓周行駛時，轉向半徑越來越大。2023/11/29汽車理論

第43

頁2）汽車穩(wěn)定性因數(shù)

當<0時，橫擺角速度增益變大，而且

越小（絕對值越大），過度轉向量越大。當車速為

時，汽車橫擺角速度增益趨于無窮大，該車速稱為臨界車速，它是表征過度轉向量的一個參數(shù)。臨界車速越低，過多轉向量越大。過多轉向汽車做圓周行駛時，轉向半徑越來越小。

操縱良好的汽車應具有足夠的不足轉向特性，即>0。一般汽車不應具有過度轉向特性，也不應具有中性轉向特性。2023/11/29汽車理論

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頁1.汽車穩(wěn)態(tài)響應的評價指標：3）前后輪側偏角之差

由二自由度汽車線性模型可得：

將式（17）右邊上下均乘以側向加速度

，并考慮式（18），可得：

式（19）可寫成：

式中，

為汽車側向加速度（絕對值）。2023/11/29汽車理論

第45

頁（18）（19）（20）3）前后輪側偏

由式（20）可知，當

時，汽車具有中性轉向；當

時，汽車具有不足轉向；當

時，汽車具有過度轉向，如圖13所示。

由二自由度汽車線性模型可得：2023/11/29汽車理論

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頁圖13前后輪側偏角之差與側向加速度之間的關系中性轉向過度轉向不足轉向01.汽車穩(wěn)態(tài)響應的評價指標：4）轉向半徑比值

由式（17）可得：

汽車轉向半徑比值為：

由式（22）可知，當轉向半徑比值等于1時，汽車具有中性轉向；當轉向半徑比值大于1時，汽車具有不足轉向；當轉向半徑比值小于1時，汽車具有過度轉向，如圖14所示。

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頁（21）（22）01中性轉向不足轉向過度轉向圖14轉向半徑比值與速度平方的關系1.汽車穩(wěn)態(tài)響應的評價指標：5）靜態(tài)儲備系數(shù)

靜態(tài)儲備系數(shù)指中性轉向點到前軸的距離與汽車質心到前軸的距離之差與軸距之比。汽車靜態(tài)儲備系數(shù)為：式中，

為中性轉向點到前軸的距離。

中性轉向點是使汽車前、后輪產(chǎn)生同一側偏角的側向力作用點，中性轉向點至前軸的距離為：由式（23）可知，當靜態(tài)儲備系數(shù)等于零時，汽車具有中性轉向；當靜態(tài)儲備系數(shù)大于零時，汽車具有不足轉向；當靜態(tài)儲備系數(shù)小于零時，汽車具有過度轉向。

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頁（23）（24）5.4.1汽車穩(wěn)態(tài)響應評價2．基于試驗的汽車穩(wěn)態(tài)響應評價指標

1）中性轉向點的側向加速度

中性轉向點側向加速度定義為汽車前、后輪側偏角之差與側向加速度關系曲線上，斜率為零處的側向加速度。圖15是某汽車前后輪側偏角之差與側向加速度關系曲線：2023/11/29汽車理論

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頁圖15汽車前后輪側偏角之差與側向加速度關系曲線2．基于試驗的汽車穩(wěn)態(tài)響應評價指標2．基于試驗的汽車穩(wěn)態(tài)響應評價指標2）不足轉向度

根據(jù)汽車穩(wěn)態(tài)轉向特性試驗結果繪制的前后輪側偏角之差與側向加速度之間的關系曲線，找出不足轉向度。不足轉向度是指汽車前后輪側偏角之差與側向加速度關系曲線上側向加速度為2m／s2處的平均斜率（縱坐標值除以橫坐標值）。根據(jù)圖15，可以求出該車的不足轉向度為0.12°/（m/s2）。2023/11/29汽車理論

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頁2．基于試驗的汽車穩(wěn)態(tài)響應評價指標3）車身側傾度

根據(jù)汽車穩(wěn)態(tài)轉向特性試驗結果繪制的車身側傾角與側向加速度之間的關系曲線，找出車身側傾度。車身側傾度是指汽車車身側傾角與側向加速度關系曲線上側向加速度為2m／s2處的平均斜率（縱坐標值除以橫坐標值）。圖16是某汽車車身側傾角與側向加速度關系曲線。根據(jù)圖16，可以求出該車的車身側傾度為0.5°/（m/s2）。2023/11/29汽車理論

第51

頁圖16汽車車身側傾角與側向加速度關系曲線5.4.1汽車穩(wěn)態(tài)響應評價3．汽車穩(wěn)態(tài)響應的影響因素

式（18）可以改寫成：1）輪胎側偏剛度

汽車不足轉向增加；若降低后輪的側偏剛度或增加前輪的側偏剛度，汽車穩(wěn)定性因數(shù)減小，即汽車不足轉向減小。2）輪胎氣壓

在一定范圍內(nèi)，輪胎氣壓降低，則側偏剛度減小。降低前輪氣壓或增加后輪氣壓，可減小前輪側偏剛度和增大后輪側偏剛度，從而增加汽車的不足轉向程度。2023/11/29汽車理論

第52

頁（25）3．汽車穩(wěn)態(tài)響應的影響因素3）汽車質心位置

汽車在運輸過程中，由于搭載乘客及貨物，汽車的質心較空載時會產(chǎn)生縱向的偏移，進而影響到汽車的穩(wěn)態(tài)轉向特性。在其他參數(shù)不變的前提下，只改變汽車質心位置，如汽車質心位置后移，汽車穩(wěn)定性因數(shù)增加，即汽車不足轉向增加；汽車質心位置前移，汽車穩(wěn)定性因數(shù)減小，即汽車不足轉向減小。4）驅動形式

轉向時施加于驅動輪上的縱向力增加，車輪的側偏剛度將下降。因此，后輪驅動汽車，轉向時有減小不足轉向的趨勢；前輪驅動汽車，轉向時有增加不足轉向的趨勢。2023/11/29汽車理論

第53

頁3．汽車穩(wěn)態(tài)響應的影響因素5）左右車輪垂直載荷再分配

假設汽車無側向力作用時，車軸左右車輪的垂直載荷為

，如圖17所示，每個車輪的側偏剛度均為

。在有側向力

作用于汽車和地面有相應的側向反作用力

作用于兩輪胎時，如果左右車輪垂直載荷沒有發(fā)生變化，則相應的側偏角為：2023/11/29汽車理論

第54

頁圖17左右車輪垂直載荷再分配時的輪胎側偏剛度從圖5.18可以看出，左右車輪垂直載荷差別越大，平均側偏剛度越小。5.4.2三軸汽車穩(wěn)態(tài)響應

汽車穩(wěn)態(tài)行駛時，橫擺角速度為定值，微分項為零。根據(jù)式（6），可以得到：

假設中軸及后軸轉角與前軸轉角的關系為：

，

，

、

為比例系數(shù)，則式（26）可寫成：2023/11/29汽車理論

第55

頁（26）（27）5.4.2三軸汽車穩(wěn)態(tài)響應

根據(jù)式（27）可以得到三軸全輪轉向汽車穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益為：式中，

；

。

三軸全輪轉向汽車穩(wěn)定性因數(shù)定義為：2023/11/29汽車理論

第56

頁（28）（29）5.4.2三軸汽車穩(wěn)態(tài)響應

式（29）分母永遠是正值，所以，三軸汽車穩(wěn)定性因數(shù)的正負主要取決于分子。

當

，三軸全輪轉向汽車具有中性轉向特性；

當,三軸全輪轉向汽車具有不足轉向特性；

當

，三軸全輪轉向汽車具有過度轉向特性.

臨界車速為：

當=0時，汽車為前輪轉向，由式（28）可以得到三軸前輪轉向汽車的穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益為：2023/11/29汽車理論

第57

頁（30）（31）5.4.2三軸汽車穩(wěn)態(tài)響應

圖18是在前輪角階躍輸入下，某三軸全輪轉向汽車和前輪轉向汽車穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益隨速度的變化曲線。2023/11/29汽車理論

第58

頁圖18三軸汽車穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益曲線

三軸汽車采用全輪轉向，低速時穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益增加很快，穩(wěn)態(tài)轉向特性為過度轉向，轉向半徑小，靈活性高；高速時穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益逐漸降低，穩(wěn)態(tài)轉向特性為不足轉向，可提高汽車的穩(wěn)定性，降低駕駛人的負擔。5.4.3四輪轉向汽車穩(wěn)態(tài)響應

對于四輪轉向汽車，令=0，=0，則由式（28）可以得到四輪轉向汽車的穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益為：

四輪轉向汽車穩(wěn)定性因數(shù)為：

對于式（32），當=0時，可得二軸前輪轉向汽車橫擺角速度增益和穩(wěn)定性因數(shù)。四輪轉向汽車和前輪轉向汽車穩(wěn)定性因數(shù)表達式是相同的。2023/11/29汽車理論

第59

頁（32）（33）5.5汽車角階躍輸入下的瞬態(tài)響應5.5.1汽車角階躍輸入下的瞬態(tài)響應評價指標1．汽車瞬態(tài)響應時域上的評價指標：主要有橫擺角速度波動時的固有頻率、阻尼比、響應時間、峰值響應時間、穩(wěn)定時間等。

圖19為轉向角階躍輸入下的汽車橫擺角速度瞬態(tài)響應。2023/11/29汽車理論

第60

頁圖18轉向角階躍輸入下的汽車橫擺角速度瞬態(tài)響應1．汽車瞬態(tài)響應時域上的評價指標1）橫擺角速度波動時的固有頻率：評價汽車瞬態(tài)響應的一個重要參數(shù)，其值應高些為好。2）阻尼比：一般為0.5~0.8，阻尼比越大，系統(tǒng)衰減越快。3）響應時間

：指角階躍轉向輸入后，橫擺角速度第一次達到穩(wěn)態(tài)值

所需的時間。4）峰值響應時間

：指角階躍轉向輸入后，橫擺角速度到達第一峰值

的時間，作為評定汽車瞬態(tài)橫擺響應反應快慢的參數(shù)。5）穩(wěn)定時間

：指橫擺角速度響應值首次到達穩(wěn)態(tài)響應值

的±5%范圍內(nèi)擺動所需要的時間。2023/11/29汽車理論

第61

頁5.5.1汽車角階躍輸入下的瞬態(tài)響應評價指標2．基于試驗的汽車瞬態(tài)響應評價指標：主要有橫擺角速度響應時間、橫擺角速度峰值響應時間、橫擺角速度超調(diào)量、側向加速度響應時間、橫擺角速度總方差、側向加速度總方差、汽車因素。

汽車橫擺角速度和側向加速度的響應曲線形式如圖19所示。2023/11/29汽車理論

第62

頁圖19汽車橫擺角速度和側向加速度響應曲線2．基于試驗的汽車瞬態(tài)響應評價指標橫擺角速度超調(diào)量為：橫擺角速度總方差為：2023/11/29汽車理論

第63

頁（34）（35）2．基于試驗的汽車瞬態(tài)響應評價指標

側向加速度總方差為：汽車因素

是指橫擺角速度峰值響應時間

與穩(wěn)態(tài)響應

時汽車質心處側偏角

的乘積，即橫擺角速度響應時間是基本評價指標，，計分評價采用的是橫擺角速度響應時間。2023/11/29汽車理論

第64

頁（36）5.5.2汽車角階躍輸入下的瞬態(tài)響應1.時域評價指標分析

設系統(tǒng)的輸入

為階躍輸入，根據(jù)二自由度汽車運動微分方程式（7），可以寫成以橫擺角速度為變量的形式，即

式（5-57）是單自由度一般強迫振動微分方程式，一般寫成如下形式。2023/11/29汽車理論

第65

頁（37）（38）1.時域評價指標分析

汽車前輪角階躍輸入時，前輪轉角的數(shù)學表達式為：

當

時，式（39）可進一步簡化為：

其特解為穩(wěn)態(tài)橫擺角速度：

對應的齊次微分方程式為：

2023/11/29汽車理論

第66

頁（39）（40）（41）（42）1.時域評價指標分析

其通解可由如下的特征方程求得：

根據(jù)

的數(shù)值，特征方程式的根為：

齊次方程的通解為：

2023/11/29汽車理論

第67

頁（43）（44）（45）1.時域評價指標分析

當

時，稱為大阻尼，橫擺角速度

是單調(diào)上升的。隨著時間的增長，

趨近于穩(wěn)態(tài)橫擺角速度

。但當車速超過臨界車速后，

是發(fā)散的，趨于無窮大，此時汽車失去穩(wěn)定性。

當

時，稱為臨界阻尼，

也是單調(diào)上升且趨近于

。

當

時，稱為小阻尼，

是一條收斂于

的減幅正弦曲線。

當

時，橫擺角速度為：

式（46）又可以寫成：

2023/11/29汽車理論

第68

頁（46）（47）1.時域評價指標分析

根據(jù)運動的初始條件確定積分常數(shù)

、、。

運動的初始條件為：

時，

，

，

。根據(jù)微分方程式（7）的第二式，還可以求得

時，

。

由

時，

，求得：

由

時，

，求得：

求得：

2023/11/29汽車理論

第69

頁1.時域評價指標分析

汽車橫擺角速度瞬態(tài)響應為：

當

時，

，

，

是衰

減的正弦函數(shù)，而且阻尼

比越大，衰減越快，如圖20所示。

2023/11/29汽車理論

第70

頁（48）圖20不同阻尼比下的汽車橫擺角速度1.時域評價指標分析

由式（38）可得橫擺角速度波動時的固有頻率為：

阻尼比為：

響應時間為：

2023/11/29汽車理論

第71

頁1.時域評價指標分析

由對式

求導，并令

可得峰值響應時間為：

2023/11/29汽車理論

第72

頁5.5.2汽車角階躍輸入下的瞬態(tài)響應2．汽車瞬態(tài)響應的穩(wěn)定條件

汽車是否穩(wěn)定，取決于汽車橫擺角速度的齊次微分方程，即取決于汽車本身固有的特性。

根據(jù)式（37）和式（38）可得：

式（49）中，

、

為負值，故

成立。因此，當

時，齊次微分方程的解均收斂而趨于零。

當

時，特征根

為負值，齊次微分方程的解才收斂趨于零,即

為正值，汽車橫擺角速度才收斂。2023/11/29汽車理論

第73

頁（49）5.5.2汽車角階躍輸入下的瞬態(tài)響應

根據(jù)式（37）和式（38）可得：

從式（50）可以看出，當

時，

，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。當

時，可得臨界車速

，當行駛車速大于臨界車速時，系統(tǒng)不穩(wěn)定。

2023/11/29汽車理論

第74

頁（50）5.5.2汽車角階躍輸入下的瞬態(tài)響應3．汽車瞬態(tài)響應的影響因素

圖21是汽車結構參數(shù)和行駛車速對橫擺角速度固有頻率的影響。2023/11/29汽車理論

第75

頁圖21汽車結構參數(shù)和行駛車速對橫擺角速度固有頻率的影響

車速增加，橫擺角速度固有頻率減小，當

時，

值趨于

；汽車質量、轉動慣量增加，

值減??；軸距增加，

值增加。在穩(wěn)定性因數(shù)不變的條件下，增加后輪側偏剛度及相應的前輪側偏剛度，

值增加。3．汽車瞬態(tài)響應的影響因素

圖22是汽車結構參數(shù)和行駛車速對阻尼比

的影響。2023/11/29汽車理論

第76

頁圖22汽車結構參數(shù)和行駛車速對阻尼比的影響隨著車速的提高，

減小；在穩(wěn)定性因數(shù)不變條件下，后輪側偏剛度增加，有助于

的增大；質量、轉動慣量、軸距減小，

值也有所增加。3．汽車瞬態(tài)響應的影響因素

圖23汽車結構參數(shù)和行駛車速對響應時間

的影響。2023/11/29汽車理論

第77

頁圖23汽車結構參數(shù)和行駛車速對響應時間的影響

隨著車速的增加，響應時間縮短；汽車質量、軸距增加，響應時間也有所縮短；而轉動慣量增加，響應時間增長。在穩(wěn)定性因數(shù)不變條件下，增加后輪側偏剛度，響應時間減小。3．汽車瞬態(tài)響應的影響因素

在不足轉向特性下汽車參數(shù)和行駛車速對瞬態(tài)響應的影響見表1。2023/11/29汽車理論

第78

頁表1汽車參數(shù)和行駛車速對瞬態(tài)響應的影響5.5.3三軸汽車瞬態(tài)響應

利用克萊姆法則，汽車質心側偏角的傳遞函數(shù)行列式為：2023/11/29汽車理論

第79

頁拉普拉斯變換（51）（52）5.5.3三軸汽車瞬態(tài)響應

汽車橫擺角速度的傳遞函數(shù)行列式為：

對于三軸全輪轉向汽車，設中輪和后輪轉向控制函數(shù)分別為

和

，則有：2023/11/29汽車理論

第80

頁（53）（54）5.5.3三軸汽車瞬態(tài)響應

由式（52）可得三軸汽車質心側偏角與車輪轉角之間的關系為：

由此可得三軸汽車質心側偏角為：2023/11/29汽車理論

第81

頁（55）（56）5.5.3三軸汽車瞬態(tài)響應

由式（53）可得三軸汽車橫擺角速度與車輪轉角之間的關系為：

由此可得汽車橫擺角速度為：2023/11/29汽車理論

第82

頁（57）（58）5.5.3三軸汽車瞬態(tài)響應

當

=0時，可以得到三軸前輪轉向汽車的質心側偏角和橫擺角速度分別為：

利用MATLAB的工具箱，可以對三軸汽車橫擺角速度和質心側偏角的瞬態(tài)特性進行仿真分析。圖24和圖25分別是在前輪角階躍輸入下，某三軸汽車瞬態(tài)橫擺角速度和質心側偏角隨時間的變化曲線。2023/11/29汽車理論

第83

頁（59）5.5.3三軸汽車瞬態(tài)響應2023/11/29汽車理論

第84

頁圖24

三軸汽車瞬態(tài)橫擺角速度隨時間的變化曲線圖25三軸汽車質心側偏角隨時間的變化曲線5.5.3三軸汽車瞬態(tài)響應可以看出，低速時，全輪轉向汽車橫擺角速度大于前輪轉向汽車橫擺角速度，表明全輪轉向汽車更容易轉向，即低速機動性好。全輪轉向汽車質心側偏角小于前輪轉向汽車質心側偏角，而且到達穩(wěn)定時間也短，說明穩(wěn)定性好。高速時，前輪轉向汽車橫擺角速度大于全輪轉向汽車橫擺角速度，表明前輪轉向汽車高速穩(wěn)定性差，全輪轉向汽車具有較好的穩(wěn)定性。前輪轉向汽車高速時質心側偏角較大，導致汽車的運動姿態(tài)變化較大，容易造成甩尾、側滑等危險；全輪轉向汽車質心側偏角基本保持為零，且到達穩(wěn)態(tài)值的時間短，汽車的運動姿態(tài)得到了很好的控制。2023/11/29汽車理論

第85

頁5.5.4四輪轉向汽車瞬態(tài)響應

對于四輪轉向汽車，令=0，=0，則得四輪轉向汽車質心側偏角和橫擺角速度分別為：

為使汽車質心側偏角為零，后輪轉向控制函數(shù)可由下式?jīng)Q定：2023/11/29汽車理論

第86

頁（60）（61）5.5.4四輪轉向汽車瞬態(tài)響應

將式（61）代入到式（60）可得：

消去出現(xiàn)的極零點，得：

未被消去的極點放在

中檢查，則發(fā)現(xiàn)2023/11/29汽車理論

第87

頁（62）（63）（64）5.5.4四輪轉向汽車瞬態(tài)響應

消掉的極零點系統(tǒng)是二階系統(tǒng)，即

二階系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是各系數(shù)大于零,二階以上系統(tǒng)的穩(wěn)定性用勞斯判據(jù)判斷。

因為

，所以系統(tǒng)是否穩(wěn)定主要取決.

當

時，可得

，當

時，系統(tǒng)是穩(wěn)定的；當

時，行駛速度小于臨界車速時，系統(tǒng)是穩(wěn)定的；否則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。2023/11/29汽車理論

第88

頁（65）5.6汽車脈沖輸入下的瞬態(tài)響應

一個線性系統(tǒng)，如輸入為一正弦函數(shù)，達到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)時的輸出亦為具有相同頻率的正弦函數(shù)，但兩者的幅值不同，相位也要發(fā)生變化，輸出的幅值比是頻率

的函數(shù)，記為

，稱為幅頻特性，相位差也是

的函數(shù)，記為

，稱為相頻特性。2023/11/29汽車理論

第89

頁5.6.1汽車脈沖輸入下的瞬態(tài)響應評價指標1．汽車瞬態(tài)響應頻域上的評價指標車頻率響應:指汽車在轉向盤轉角為正弦輸入下的響應。頻率特性分為幅頻特性和相頻特性。橫擺角速度的幅頻特性曲線在低頻區(qū)接近于一水平線，隨著頻率的增高，幅值比增大，至某一頻率時幅值比達到最大值，此時系統(tǒng)處于共振狀態(tài)。頻率再增高，幅值比逐漸減小。相頻特性反映了輸出滯后于輸入的失真程度。利用汽車理論模型研究汽車瞬態(tài)響應時，其頻域評價指標主要有幅值比、共振峰值頻率、增幅比和相位滯后角等。2023/11/29汽車理論

第90

頁1．汽車瞬態(tài)響應頻域上的評價指標

汽車橫擺角速度頻率特性如圖26所示。2023/11/29汽車理論

第91

頁圖26汽車橫擺角速度頻率特性1）幅值比：指頻率為零時的增益

，即穩(wěn)態(tài)增益，穩(wěn)態(tài)增益不應太小，因為它的大小代表了轉向靈敏度的高低。2）共振峰值頻率：指最大增益所對應的頻率

，

越高，操縱穩(wěn)定性越好。1．汽車瞬態(tài)響應頻域上的評價指標3）增幅比：指最大增益與穩(wěn)態(tài)增益之比

，

越大，說明系統(tǒng)的阻尼越小，超調(diào)量越大，過渡時間也越長，因此，希望幅頻特性曲線能平坦一些，不宜有明顯的峰值，以免反應有過大的幅值失真或超調(diào)。4）相位滯后角：包括

Hz時的相位滯后角

，它代表緩慢轉動轉向盤時響應的快慢，其數(shù)值應接近于零；

Hz時的相位滯后角

，它代表較快速度轉動轉向盤時響應的快慢，其數(shù)值應小些。2023/11/29汽車理論

第92

頁5.6.1汽車脈沖輸入下的瞬態(tài)響應評價指標2．基于試驗的汽車瞬態(tài)響應評價指標基于脈沖輸入試驗的汽車瞬態(tài)響應評價指標有諧振頻率、諧振峰水平和相位滯后角。諧振頻率

為幅頻特性曲線諧振峰所對應的頻率，當不存在明顯的諧振峰時，按70%橫擺角速度增益的通頻帶除以

來計算。諧振頻率在數(shù)值上一般等于共振峰值頻率。諧振峰水平為：相位滯后角為相應頻率下相位滯后角的試驗值。對于最大設計總質量小于等于6t的汽車，相位滯后角是指頻率為1Hz下的試驗值；大于6t的汽車，時指頻率為0.5Hz下的試驗值。2023/11/29汽車理論

第93

頁5.6.2汽車脈沖輸入下的瞬態(tài)響應橫擺角速度的頻率響應函數(shù)為：2023/11/29汽車理論

第94

頁富氏變換（66）（67）5.6.2汽車脈沖輸入下的瞬態(tài)響應橫擺角速度的幅頻特性為：橫擺角速度的相頻特性為：

圖27是二自由度汽車模型的橫擺角速度頻率特性圖。2023/11/29汽車理論

第95

頁（68）（69）圖27二自由度汽車模型的橫擺角速度頻率特性汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)采用車載在線傳感系統(tǒng)對汽車行駛的縱向/側向/橫擺運動狀態(tài)、車輪運動狀態(tài)、發(fā)動機工作狀態(tài)、自動變速器工作狀態(tài)、制動工作狀態(tài)以及駕駛人轉向意圖等進行自動識別，判斷汽車是否發(fā)生車輪抱死、驅動輪滑轉及喪失操縱穩(wěn)定性，進而對發(fā)動機力矩、變速器擋位和驅動輪制動進行綜合協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)對制動工況下車輪防抱死和穩(wěn)定性控制、驅動工況下驅動輪防滑和穩(wěn)定性控制以及轉向工況下穩(wěn)定性控制，即實現(xiàn)對汽車與地面的縱向和側向動力學的綜合控制，使汽車的操縱穩(wěn)定性、加速性和制動性實現(xiàn)綜合最佳。目前，已經(jīng)成為中高級轎車的標準配置。5.7汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)

2023/11/29汽車理論

第96

頁5.7.1概述

現(xiàn)代中高級轎車的最高車速已超過200km/h每年全世界死于交通事故的人數(shù)為50萬~60萬人如何提高汽車高速行駛時的安全性成為現(xiàn)代汽車研究的重要課題之一如果汽車能夠提前預知，并能迅速有效地控制側滑現(xiàn)象的發(fā)生，就可以大大提高汽車行駛安全性。由此研究人員將汽車穩(wěn)定性主動控制應用到汽車操縱穩(wěn)定性控制中，應運而生的便是汽車動力學穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（ESP）。有些汽車公司采用自己的縮寫，比如沃爾沃汽車叫動態(tài)穩(wěn)定循跡控制DSTC，寶馬汽車上被稱作動態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)（DSC），本田汽車叫車輛穩(wěn)定輔助系統(tǒng)（VSA），豐田汽車叫車輛穩(wěn)定控制（VSC），日產(chǎn)汽車叫車輛動態(tài)控制（VDC）等。2023/11/29汽車理論

第97

頁5.7.1概述

汽車防抱死制動系統(tǒng)（ABS）和驅動防滑系統(tǒng)（ASR）在一定范圍內(nèi)提高了汽車在極限運動情況下的主動安全性，但是ABS和ASR都只能通過對縱向滑移率的控制來間接保證汽車在制動和驅動時的穩(wěn)定性，所以對汽車在極限轉向、制動轉向、驅動轉向以及汽車受到外界干擾等引起失穩(wěn)時的糾正效果并不是十分明顯。汽車穩(wěn)定性主動控制系統(tǒng)突破了ABS/ASR的限制，通過直接監(jiān)測汽車的實時運行姿態(tài)進行控制，直接保證汽車的穩(wěn)定性，因此顯著提高了控制效果，特別是能顯著提高汽車處于附著極限時的穩(wěn)定性，因而大大減少了交通事故。據(jù)統(tǒng)計：汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)能夠降低50%的交通事故。歐洲事故調(diào)查中心對歐洲五國五年的交通事故進行了調(diào)查統(tǒng)計，結果表明：汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)能夠對18%的交通傷害事故，34%的致命的交通事故產(chǎn)生一定的預防和降低作用。2023/11/29汽車理論

第98

頁5.7.1概述

ESP是英文ElectronicStabilityProgram的縮寫，這串英文字母的中文含意為“電子穩(wěn)定程序”。ESP提高了所有行駛條件下的主動安全，特別是在轉彎時，即側向力起作用時，ESP使汽車穩(wěn)定并保持安全行駛。雖然ABS能有效防止車輪抱死，避免汽車在緊急制動時因車輪抱死而導致失控，有效地提高了汽車制動安全性能，但ABS并不能解決汽車在濕滑路面起步或加速時出現(xiàn)的車輪打滑問題，更不能避免汽車發(fā)生側滑，因此在ABS的基礎上，近一步發(fā)展出了汽車驅動防滑（ASR）系統(tǒng)。ASR能防止車輪打滑，在汽車起動與加速時，保證良好的牽引性能，同時照顧汽車的穩(wěn)定性和操控性。輪速傳感器不斷監(jiān)視著每個車輪。如果某個車輪表現(xiàn)出滑轉的趨勢，ASR會調(diào)整驅動轉矩并且迅速干預制動系統(tǒng)和發(fā)動機的運行，汽車因此能夠安全地起動或加速。但是ABS和ASR都是被動的做出反應，而ESP最重要的特點就是它的主動性。如果說ABS、ABS+EBD(電子制動力分配系統(tǒng))是被動地做出反應，那么ESP卻可以做到防患于未然。2023/11/29汽車理論

第99

頁5.7.2汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的結構

汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)以ABS基礎，系統(tǒng)由傳感器、ECU(中央控制處理單元)和執(zhí)行器三大部分組成，如圖5.30所示。2023/11/29汽車理論

第100

頁圖28汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的組成5.7.2汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的結構

傳感器包括輪速傳感器、(縱向/側向)加速度傳感器、橫擺角速度傳感器、制動壓力傳感器等，此外，還需通過CANBUS總線獲得必要的發(fā)動機工作狀態(tài)信號(如噴油量、點火提前角、節(jié)氣門位置等)、變速器工作狀態(tài)信號(如擋位、輸出軸轉速等)。執(zhí)行器包括基于多ECU車載網(wǎng)絡的發(fā)動機控制執(zhí)行器、變速器擋位控制執(zhí)行器以及制動力控制的液壓控制單元。ECU由軟件和硬件兩部分組成，是基于多ECU車載網(wǎng)絡的ABS/ASR/ESP底盤動力學綜合一體化電控單元。汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)在計算機實時監(jiān)控汽車運行狀態(tài)的前提下，對發(fā)動機及制動系統(tǒng)進行干預和調(diào)控。目前汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)主要有3種類型：能自動向全體4個車輪獨立施加制動力的四通道或四輪系統(tǒng)；只能對兩個前輪獨立施加制動力的雙通道系統(tǒng)；能對兩個前輪獨立施加制動力而對后輪只能一同施加制動力的三通道系統(tǒng)。汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)與ABS及ASR共同工作，但與它們不同的是它不需要駕駛人對其進行操作，而是根據(jù)實際情況自己做出反應。2023/11/29汽車理論

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頁5.7.3汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的原理

在汽車行駛過程中，轉向角傳感器感知駕駛人轉彎方向和角度，車速傳感器感知車速、節(jié)氣門開度和轉速的大小，制動壓力傳感器感知制動壓力，而橫擺角速度傳感器則感知汽車的傾斜度和側傾速度。ECU了解這些信息之后，通過計算后判斷汽車要正常安全行駛和駕駛人操縱汽車意圖的差距，然后，由ECU向ABS、ASR發(fā)出糾偏指令，修正汽車的過度轉向或轉向不足，以避免汽車滑轉、轉向過度、轉向不足和制動抱死，幫助汽車維持動態(tài)平衡，從而保證汽車的行駛安全，在緊急避讓障礙物或轉彎時出現(xiàn)轉向不足、轉向過度時，汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)都能幫助汽車克服偏離理想軌跡的傾向。2023/11/29汽車理論

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頁5.7.3汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的原理

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頁圖29汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的原理5.7.3汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的原理

汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)通過對從各傳感器傳來的汽車行駛狀態(tài)信息進行分析，然后ESP的ECU會計算出保持車身穩(wěn)定的理論數(shù)值，再比較由側偏角傳感器和橫向加速度傳感器所測得的數(shù)據(jù)，發(fā)出平衡、糾偏指令。當轉向不足時，汽車會產(chǎn)生向理想軌跡曲線外側的偏離傾向，而轉向過度則正好相反向內(nèi)側偏離。ESP能夠通過自動地向一個或多個車輪施加制動力，甚至在某些情況下汽車每秒進行150次制動，以把汽車保持在駕駛人所選定的車道內(nèi)。2023/11/29汽車理論

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頁5.7.3汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的原理

工作遵循以下優(yōu)先控制原則：(1)制動工況下——ABS和ESP控制模塊分別運行并生成各自的制動力控制信號，然后根據(jù)地面?zhèn)认蛄κ欠癯鑫锢順O限這一原則，分別實施ABS、ESP以及ABS/ESP等控制模式。(2)驅動工況下——ASR和ESP控制模塊分別運行并生成各自的制動力控制信號，然后根據(jù)地面?zhèn)认蛄κ欠癯鑫锢順O限這一原則，分別實施ASR、ESP以及ASR/ESP等控制模式。(3)轉向工況下——實施ESP操縱穩(wěn)定性控制模式。工作時，由在線傳感系統(tǒng)實時檢測汽車、駕駛人以及地面三者相互作用下引起的汽車運動狀態(tài)及其變化，運行其控制軟件，分別進入不同的控制模式，產(chǎn)生發(fā)動機力矩、變速器擋位以及驅動輪制動的控制指令，然后由數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡和執(zhí)行器驅動裝置對汽車運動狀態(tài)進行控制，實現(xiàn)汽車與地面動力學最佳和諧。2023/11/29汽車理論

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頁5.7.3汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的原理

汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)有以下三大特點。實時監(jiān)控：ESP是一個實時監(jiān)控系統(tǒng)，它每時每刻都在處理監(jiān)控駕駛人的操控、路面反應、汽車運動狀態(tài)，并不斷向發(fā)動機和制動系統(tǒng)發(fā)出指令。主動干預：ABS等產(chǎn)品在起作用時，系統(tǒng)對駕駛人的動作起干預作用，但它不能調(diào)控發(fā)動機，而ESP則是主動調(diào)控發(fā)動機的轉速并可調(diào)整每個車輪的驅動力和制動力，以修正汽車的過度轉向和轉向不足。事先提醒：ESP還有一個實時警示功能，當駕駛人操作不當和路面異常時，它會用警告燈警示駕駛人。在三個系統(tǒng)的共同作用下，最大限度地保證汽車不跑偏、不甩尾、不側翻和轉向盤在任何狀態(tài)下都能操縱自如，如圖5.32所示。2023/11/29汽車理論

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頁5.7.3汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的原理

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頁圖30在轉向不足和過度轉向時汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的作用5.7.4汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的工作過程

ESP分析：駕駛人通過對轉向盤的操作，希望向哪個方向行駛？ESP檢測：汽車的行駛方向是什么？ESP干預：有針對性地對各個車輪實施制動。2023/11/29汽車理論

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頁圖31汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的工作過程示意圖5.7.4汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的工作過程

圖32~圖34是轉向盤階躍輸入下，ESP對汽車橫擺角速度、側向加速度和車身側傾角的影響。車速為70km/h。2023/11/29汽車理論

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頁圖32ESP對汽車橫擺角速度的影響圖34ESP對汽車側向加速度的影響圖33ESP對汽車車身側傾角的影響5.7.4汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的工作過程

可以看出，采用ESP控制的汽車橫擺角速度、側向加速度和車身側傾角的穩(wěn)定時間都比無ESP控制的汽車橫擺角速度和側向加速度的穩(wěn)定時間有了一定的縮短，而且峰值在一定程度上得到了改善，特別是車身側傾角明顯減小，說明ESP對汽車操縱穩(wěn)定性有明顯改善。2023/11/29汽車理論

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頁汽車操縱穩(wěn)定性試驗主要包括穩(wěn)態(tài)回轉試驗、轉向盤轉角階躍輸入的轉向瞬態(tài)響應試驗、轉向盤轉角脈沖輸入的轉向瞬態(tài)響應試驗、轉向回正試驗、轉向輕便性試驗、蛇行試驗和轉向盤中心區(qū)操縱穩(wěn)定性試驗等。目前，對轉向盤中心區(qū)操縱穩(wěn)定性試驗還沒有進行計分評價。試驗與評價的依據(jù)是GB/T6323-2014《汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法》和QC/T480-1999《汽車操縱穩(wěn)定性指標限值與評價方法》。汽車操縱穩(wěn)定性測試系統(tǒng)如圖5.37所示。轉向盤力矩轉角測量儀用來測量轉向盤力矩和轉角；測速傳感器用來測量汽車行駛速度；加速度計用來測量汽車加速度；陀螺儀用來測量汽車橫擺角速度、側向加速度、車身側傾角等。試驗場地應為干燥、平坦而清潔的，用水泥混凝土或瀝青鋪裝的路面，任意方向的坡度不應大于2%；風速應不大于5m/s；大氣溫度在0~40℃范圍內(nèi)。5.8汽車操縱穩(wěn)定性試驗與評價

2023/11/29汽車理論

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頁5.8汽車操縱穩(wěn)定性試驗與評價

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頁圖35汽車操縱穩(wěn)定性測試系統(tǒng)5.8.1汽車穩(wěn)態(tài)回轉試驗與評價

1．試驗的目的穩(wěn)態(tài)轉向特性決定了汽車作為一個動力學系統(tǒng)在轉向輸入下是否穩(wěn)定的充分條件。過度轉向的汽車，在車速達到或大于臨界車速時，即使受到輕微的轉向干擾，汽車的運動也會發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象?，F(xiàn)代汽車設計時，事先都要進行仿真計算，預測其穩(wěn)態(tài)轉向特性，汽車制造出來后更要進行測試。汽車穩(wěn)態(tài)回轉試驗的目的是測定汽車對轉向盤轉角輸入達到穩(wěn)定行駛狀態(tài)時汽車的穩(wěn)態(tài)橫擺響應。穩(wěn)態(tài)轉向試驗不合格的汽車，其操縱穩(wěn)定性的總評價為不合格。2023/11/29汽車理論

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頁5.8.1汽車穩(wěn)態(tài)回轉試驗與評價

2．試驗的方法汽車穩(wěn)態(tài)回轉試驗是通過改變側向加速度，以一定車速在固定半徑的圓弧上行駛，從而對汽車的不足轉向及過度轉向特性、側傾特性、最大側向加速度、保舵力等進行評價的試驗。改變側向加速度可采用固定轉向盤轉角的連續(xù)加速方法和定轉彎半徑方法實現(xiàn)。（1）固定轉向盤轉角的連續(xù)加速方法在水平試驗場地上，以醒目的顏色畫出半徑不小于15m的圓周。操縱汽車以最低穩(wěn)定速度沿所畫圓周行駛，待安裝于汽車縱向對稱面上的車速傳感器在半圈內(nèi)都能對準地面所畫圓周時，固定轉向盤不動，停車并開始記錄，記錄各變量的零線。然后汽車起步，緩慢而均勻地加速（縱向加速度不超過0.25m/s2），直至汽車的側向加速度達到6.5m/s2（或受發(fā)動機功率限制而所能達到的最大側向加速度，或汽車出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)）為止。記錄整個過程。試驗按向左轉和向右轉兩個方向進行，每個方向試驗3次。每次試驗開始時，應保證車身縱向對稱面處于所畫圓周線正中位置。固定轉向盤的連續(xù)加速試驗中汽車行駛的軌跡如圖5.38所示。2023/11/29汽車理論

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頁5.8.1汽車穩(wěn)態(tài)回轉試驗與評價

2．試驗的方法根據(jù)記錄的汽車橫擺角速度和前進速度，可以計算側向加速度為：2023/11/29汽車理論

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頁圖36連續(xù)加速試驗中的汽車行駛軌跡5.8.1汽車穩(wěn)態(tài)回轉試驗與評價

2．試驗的方法根據(jù)記錄的汽車橫擺角速度和前進速度，可以計算轉彎半徑為：進而計算出各點的轉彎半徑比Rk/R0。其中R0為初始半徑，即側向加速度與轉彎半徑擬合曲線側向加速度為零處的值。2023/11/29汽車理論

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頁為初始半徑，即側向加速度與轉彎半徑擬合曲線側向加速度為零處的值。根據(jù)計算出的各點轉彎半徑，可以計算出汽車前后軸側偏角之差為：根據(jù)計算結果和測試結果，繪制轉彎半徑比、前后軸側偏角之差、車身側傾角與側向加速度的關系曲線。5.8.1汽車穩(wěn)態(tài)回轉試驗與評價

2．試驗的方法（2）定轉彎半徑法在水平試驗場地上，以醒目的顏色畫出半徑為30m的圓弧路徑，如圖5.39所示。路徑兩側沿圓弧中心線每隔5m放置標樁，兩側標樁至圓弧中心線的距離為1/2車寬加標樁距離。汽車軸距小于等于2500mm時，標樁距離為300mm；軸距大于2500mm小于等于4000mm時，標樁距離為500mm；軸距大于4000mm時，標樁距離為700mm。2023/11/29汽車理論

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頁圖37汽車定轉彎半徑法試驗路徑5.8.1汽車穩(wěn)態(tài)回轉試驗與評價

2．試驗的方法（2）定轉彎半徑法汽車以最低穩(wěn)定車速行駛，調(diào)整轉向盤轉角，使汽車沿圓弧行駛。在進入圓弧路徑并達到穩(wěn)定狀態(tài)后，開始記錄并保持加速踏板位置和轉向盤位置在3s內(nèi)不動。逐步提高車速，使汽車側向加速度以不大于0.5m/s2的幅度增加，直至側向加速度達到6.5m/s2（或受發(fā)動機功率限制而所能達到的最大側向加速度，或汽車出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)）為止。試驗按向左轉和向右轉兩個方向進行，每個方向試驗3次。2023/11/29汽車理論

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頁側向加速度：汽車前后軸側偏角之差為：根據(jù)計算結果和測試結果，繪制轉向盤轉角、前后軸側偏角之差、車身側傾角與側向加速度的關系曲線5.8.1汽車穩(wěn)態(tài)回轉試驗與評價

3．汽車穩(wěn)態(tài)回轉試驗評價汽車穩(wěn)態(tài)回轉試驗是按中性轉向點側向加速度、不足轉向度和車身側傾度3項指標進行評價計分。中性轉向點側向加速度值的評價計分值為：不足轉向度的評價計分值為：λ表達式為：2023/11/29汽車理論

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頁5.8.1汽車穩(wěn)態(tài)回轉試驗與評價

3．汽車穩(wěn)態(tài)回轉試驗評價車身側傾度的評價計分值為：當各項指標的評價計分值大于100時，按100分計。汽車穩(wěn)態(tài)轉向特性的綜合評價計分值為：2023/11/29汽車理論

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頁5.8.1汽車穩(wěn)態(tài)回轉試驗與評價

3．汽車穩(wěn)態(tài)回轉試驗評價注：[1]用于最高車速大于160km/h的汽車；

[2]用于最大總質量大于9t的客車。2023/11/29汽車理論

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頁表2汽車穩(wěn)態(tài)回轉試驗評價指標的下限值和上限值5.8.2汽車轉角階躍輸入的瞬態(tài)響應試驗與評價

汽車轉向瞬態(tài)響應是操縱輸入隨時間而變化，用橫擺角速度、側傾角等評價汽車過渡過程響應特性的試驗，它包括階躍響應試驗和脈沖響應試驗。階躍響應試驗是轉向盤轉角以階躍形式進行操縱輸入，用橫擺角速度、側傾角等評價汽車瞬態(tài)響應特性的試驗。脈沖響應試驗是轉向盤轉角以脈沖形式進行操縱輸入，用橫擺角速度、側傾角等評價汽車瞬態(tài)響應特性的試驗。2023/11/29汽車理論

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頁5.8.2汽車轉角階躍輸入的瞬態(tài)響應試驗與評價

1.試驗目的汽車等速直線行駛時，急速轉動轉向盤，然后維持其轉角不變，即給汽車以轉向盤角階躍輸入，一般汽車經(jīng)過短暫時間后便進入等速圓周行駛，這屬于一種穩(wěn)態(tài)，稱為轉向盤角階躍輸入下的穩(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)運動響應稱為轉向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應。汽車操縱穩(wěn)定性同汽車行