吉林大學(xué)汽車(chē)?yán)碚摰谖逭?操縱穩(wěn)定性.ppt

1、,第五章,汽車(chē)操縱穩(wěn)定性,Manoeuverability,handling and stability performance,5 汽車(chē)操縱穩(wěn)定性,5.1 概 述 5.2 輪胎側(cè)偏特性 5.3 線性二自由度汽車(chē)模型對(duì)前輪角輸入響應(yīng) 5.4 汽車(chē)操縱穩(wěn)定性與懸架、轉(zhuǎn)向系的關(guān)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(chē)響應(yīng)：時(shí)域響應(yīng)、頻域響應(yīng),干擾,driver,vehicle,disturb,response,5.1 概述,5.1 概述,2 車(chē)輛坐標(biāo)系及時(shí)域響應(yīng),Vehicle-fixed coordinate system,5.1 概述,汽車(chē)時(shí)域響應(yīng)分為穩(wěn)態(tài)

2、響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)。 Steady and transient state response 轉(zhuǎn)向盤(pán)角階躍輸入下進(jìn)入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：等速直線行駛，急劇轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)，然后維持轉(zhuǎn)角不變，即對(duì)汽車(chē)施以轉(zhuǎn)向盤(pán)角階躍輸入，汽車(chē)經(jīng)短暫的過(guò)渡過(guò)程后進(jìn)入等速圓周行駛工況。 Steering wheel angle step input 轉(zhuǎn)向盤(pán)角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)：等速直線行駛和等速圓周行駛兩個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)之間的過(guò)渡過(guò)程所對(duì)應(yīng)的瞬間運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。,5.1 概述,穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性： 不足轉(zhuǎn)向(US)、中性轉(zhuǎn)向(NS)、過(guò)度轉(zhuǎn)向(OS) 汽車(chē)運(yùn)動(dòng)的軌跡特征或表現(xiàn)現(xiàn)象:轉(zhuǎn)向盤(pán)保持一個(gè)固定轉(zhuǎn)角不變，緩慢加速或以各種車(chē)速等速行駛時(shí)，US汽車(chē)

3、轉(zhuǎn)向半徑逐漸增大，NS汽車(chē)轉(zhuǎn)向半徑不變，而OS汽車(chē)轉(zhuǎn)向半徑逐漸減小。,5.1 概述,Steady state steering characteristics,Understeering,Neutral steering,Oversteering,輸入 汽車(chē) 響應(yīng),sw=steering wheel,Neutral steering,Over steering,Understeering,5.1 概述,汽車(chē)瞬時(shí)速度矢量,5.1 概述,轉(zhuǎn)向盤(pán)角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng),汽車(chē)時(shí)域響應(yīng)是一種把汽車(chē)作為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的控制特性。 實(shí)際駕駛員汽車(chē)系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)：在汽車(chē)行駛過(guò)程中，駕駛員根據(jù)實(shí)際需要(輸

4、入?yún)?shù))，通過(guò)眼、手及身體感知的汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀況(輸出參數(shù))，經(jīng)過(guò)頭腦的分析、判斷（反饋），修正其對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)的操縱。如此不斷地反復(fù)循環(huán)，操縱汽車(chē)行駛前進(jìn)。,Driver-vehicle closed loop system,5.1 概述,偏載,路面不平,側(cè)風(fēng),汽車(chē)運(yùn)動(dòng) 橫擺、側(cè)傾,主觀評(píng)價(jià)法: 憑借主觀感覺(jué)的評(píng)價(jià),最終決定權(quán),3. 評(píng)價(jià)方法客觀評(píng)價(jià)法：用測(cè)試儀器測(cè)取汽車(chē)的物理參數(shù),Steady state response,5.1 概述,轉(zhuǎn)向盤(pán)角階躍輸入下進(jìn)入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng),包括:,Transient state response,5.1 概述,轉(zhuǎn)向盤(pán)角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)：,橫擺角速度頻率響應(yīng)特性：

5、共振頻率f、1Hz時(shí)的相位滯后角、汽車(chē)因數(shù),側(cè)偏特性：側(cè)偏力、回正力矩與側(cè)偏角的關(guān)系,1 輪胎坐標(biāo)系,5.2 輪胎側(cè)偏特性,Tire -fixed coordinate system,Camber angle,Side slip angle,Tilting torque,Self aligning angle,Rolling resistance torque,輪胎坐標(biāo)系,概念,rigid wheel,Lateral stiffness,2 側(cè)偏現(xiàn)象、側(cè)偏力和側(cè)偏角,elastic tire,最大側(cè)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(jié)構(gòu)、充氣壓力 路面材料、結(jié)構(gòu)、干

6、濕 車(chē)輪外傾角,3.側(cè)偏特性與輪胎結(jié)構(gòu)、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(chē)速u(mài)a對(duì)k影響較小 潮濕特別在積水時(shí)，k,k=slip stiffness,寬,窄,輪胎,Tire pressure,Load,adhesive ellipsis,一定側(cè)偏角下，驅(qū)動(dòng)力或制動(dòng)力增加時(shí)，側(cè)偏力逐漸減小，這是由于輪胎側(cè)向彈性有所改變的關(guān)系。當(dāng)縱向力相當(dāng)大時(shí)，側(cè)偏力顯著下降，接近附著極限時(shí)，由于切向力已耗去大部分附著力，而側(cè)向力能利用的附著力很小。,

7、附著橢圓,小側(cè)偏角,小滑轉(zhuǎn)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(zhuǎn),高速急收油門(mén),Tire camber angle,5 輪胎外傾角對(duì)側(cè)偏力的作用,內(nèi)側(cè),外側(cè),結(jié)論 側(cè)偏力是由側(cè)偏角產(chǎn)生的側(cè)偏力和由側(cè)傾角產(chǎn)生的側(cè)傾力共同作用的結(jié)果,忽略轉(zhuǎn)向系的影響，以前輪轉(zhuǎn)角作為輸入； 只在地面

8、上做平面運(yùn)動(dòng)，忽略懸架作用； 前進(jìn)(縱軸)速度ua不變，只有沿y軸的側(cè)向速度v和繞z軸的橫擺運(yùn)動(dòng)r(ay0.4g) ； 驅(qū)動(dòng)力不大，對(duì)側(cè)偏特性無(wú)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(chē)模型對(duì)前輪角輸入的響應(yīng),1 線性2DOF汽車(chē)模型的運(yùn)動(dòng)微分方程,Bicycle model or single track model,Single track model,2DOF with , v,Y向力平衡,對(duì)質(zhì)心取矩,One track model Bicycle model Single track model,2DOF model

9、,2 前輪角階躍輸入下進(jìn)入的汽車(chē)穩(wěn)態(tài)響應(yīng):等速圓周運(yùn)動(dòng),2.1 穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)： 穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益或轉(zhuǎn)向靈敏度,steady response,velocity gain,steady yaw velocity,angle step,Stability factor,2 穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的三種類型,過(guò)度轉(zhuǎn)向 Over-Steering,不足轉(zhuǎn)向 Under- Steering,中性轉(zhuǎn)向 Neutral-Steering,當(dāng)汽車(chē)以很低的速度和/或很大轉(zhuǎn)向半徑行駛時(shí)，側(cè)偏角很小，有,Acrermanns Geometry,阿克曼角,阿克曼幾何關(guān)系,i.e.,L,特征車(chē)速,Characteristic

10、 velocity,臨界車(chē)速,Critical velocity,過(guò)度轉(zhuǎn)向汽車(chē)車(chē)速達(dá)到臨界車(chē)速時(shí)將失去穩(wěn)定性。因?yàn)橹灰粋€(gè)很小的轉(zhuǎn)角，橫擺角速度增益r/就趨于無(wú)窮大。 因?yàn)榧僭O(shè)縱向速度為優(yōu)先值，根據(jù)縱向速度與角速度的關(guān)系可知，汽車(chē)轉(zhuǎn)向半徑極小。這樣，汽車(chē)必定發(fā)生激轉(zhuǎn)，導(dǎo)致側(cè)滑或側(cè)翻的發(fā)生。,過(guò)度轉(zhuǎn)向特性的問(wèn)題,Passenger Car,3.幾個(gè)描述穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的參數(shù),m: vehicle mass,轉(zhuǎn)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(chǔ)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(chē)輪外傾角、懸架導(dǎo)向桿系及懸架變形對(duì)輪胎側(cè)偏角的影響。因此，輪胎彈性側(cè)偏角絕對(duì)值的大小取決于整車(chē)質(zhì)心位置和輪胎既無(wú)外傾角也無(wú)載荷變化下的側(cè)偏剛度。,5.4 汽車(chē)操縱穩(wěn)定性與懸架、轉(zhuǎn)向系,roll steer angle compliance steer angle,1 彈性側(cè)偏角:垂直載荷和外傾角變動(dòng)產(chǎn)生彈性側(cè)偏角. 2 側(cè)傾轉(zhuǎn)向角:側(cè)向力使車(chē)廂外傾導(dǎo)致轉(zhuǎn)向桿系運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生前輪平面圍繞主銷的轉(zhuǎn)動(dòng).

12、 3 變形轉(zhuǎn)向角:側(cè)向力使車(chē)廂外傾導(dǎo)致懸架桿系變形而產(chǎn)生的后輪圍繞地面軸線的轉(zhuǎn)動(dòng).,1.,車(chē)身側(cè)傾軸線：車(chē)廂相對(duì)地面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)瞬時(shí)軸線。 側(cè)傾中心：側(cè)傾軸線通過(guò)車(chē)廂在前后軸處橫斷面的瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心。roll center 側(cè)傾中心位置由懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)所決定。 解析和圖解兩種方法求側(cè)傾中心。 圖解法利用可逆原理。假設(shè)車(chē)廂不動(dòng)而地面相對(duì)車(chē)廂發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，求出地面相對(duì)車(chē)廂的瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心。它也是車(chē)廂的側(cè)傾中心。,汽車(chē)外傾,無(wú)側(cè)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(chē),轎車(chē),solid axle,dependent suspension,semi-ellipsoid plate spring,懸架側(cè)傾角剛度,t - tire s - spring,車(chē)身質(zhì)量,非懸掛質(zhì)量,S; Sprung U: Unsprung, 車(chē)廂側(cè)傾角：車(chē)廂在側(cè)向力的作用下繞側(cè)傾軸線的轉(zhuǎn)角。 車(chē)廂側(cè)傾角是操縱穩(wěn)定性和汽車(chē)平順性的重要參數(shù)，是操縱穩(wěn)定性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。 側(cè)傾角r 影響汽車(chē)r的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)

14、。 r 過(guò)大，會(huì)使駕駛員感覺(jué)不穩(wěn)定、不安全、不舒服。 r 過(guò)小，在不平路面車(chē)廂沖擊大。 汽車(chē)穩(wěn)態(tài)圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，車(chē)廂的側(cè)傾角為,2.車(chē)廂側(cè)傾角,(1)懸掛質(zhì)量離心力引起的側(cè)傾力矩,(2)側(cè)傾后懸掛質(zhì)量重力引起的側(cè)傾力矩,(4)獨(dú)立懸架中非懸掛質(zhì)量離心力引起的側(cè)傾力矩,(5)汽車(chē)作穩(wěn)態(tài)圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)其側(cè)傾力矩,側(cè)傾時(shí)前后左右車(chē)輪垂直載荷的變化,懸架作用于車(chē)身的恢復(fù)力矩,注意：力是標(biāo)量還是矢量,(6)左右車(chē)輪載荷重新分配后的輪胎側(cè)傾剛度, 在側(cè)傾力矩的作用下，汽車(chē)左右車(chē)輪的垂直載荷發(fā)生變化，這將導(dǎo)致輪胎的側(cè)偏特性變化而使汽車(chē)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性發(fā)生變化。 左右車(chē)輪垂直載荷差別越大，側(cè)偏剛度越小。 若前軸左右車(chē)輪的

15、垂直載荷變化大，則趨于不足轉(zhuǎn)向。后軸左右車(chē)輪的垂直載荷變化大，則為趨于過(guò)多轉(zhuǎn)向。 車(chē)輪左右載荷的變動(dòng)取決于：側(cè)傾角剛度、懸掛質(zhì)量、非懸掛質(zhì)量、質(zhì)心位置、前后懸掛側(cè)傾中心位置等。,注意！, 車(chē)廂側(cè)傾時(shí)，車(chē)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(chē)廂側(cè)傾時(shí)車(chē)輪外傾角的變化, 當(dāng)車(chē)輪的外傾傾斜方向與地面的側(cè)向反作用力相一致時(shí)，側(cè)偏角絕對(duì)值減小；反之，則增大。 車(chē)輪外傾角的增加使車(chē)輪的側(cè)向附著性能降低，汽車(chē)極限側(cè)向加速度減小。 車(chē)廂側(cè)傾時(shí)，車(chē)輪相對(duì)地面的側(cè)傾角由車(chē)輪相對(duì)車(chē)廂的外傾角和車(chē)廂相對(duì)地面的側(cè)傾角組成。 車(chē)輪相對(duì)地面的外傾角求法：假想

16、讓車(chē)廂不動(dòng)，令地面相對(duì)車(chē)廂轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度r ，這樣就可根據(jù)懸架導(dǎo)向桿系的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，找出車(chē)輪相對(duì)車(chē)廂的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后讓車(chē)廂與地面一起回轉(zhuǎn)r ，此時(shí)地面回復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，即可確定外傾角的數(shù)值。,車(chē)廂側(cè)傾時(shí)車(chē)輪外傾角的變化,非獨(dú)立懸架,雙橫臂,單縱臂,燭式,單橫臂，ay較小,單橫臂，ay較大,側(cè)傾轉(zhuǎn)向是在側(cè)向力作用下，車(chē)廂發(fā)生側(cè)傾，而引起車(chē)輪偏轉(zhuǎn)，即車(chē)輪圍繞垂直軸線或轉(zhuǎn)向節(jié)主銷轉(zhuǎn)動(dòng)。 后軸轉(zhuǎn)向是因懸架桿系的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系所產(chǎn)生的車(chē)輪轉(zhuǎn)向角。 側(cè)傾干涉轉(zhuǎn)向是轉(zhuǎn)向軸因轉(zhuǎn)向桿系和懸架桿系運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系干涉所產(chǎn)生的車(chē)輪轉(zhuǎn)向角變動(dòng)。 軸轉(zhuǎn)向是發(fā)生側(cè)傾轉(zhuǎn)向時(shí)，車(chē)軸發(fā)生的繞垂直軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)。 運(yùn)動(dòng)學(xué)側(cè)偏是車(chē)軸和車(chē)輪圍繞垂直軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)與輪胎側(cè)偏之效果一樣。,4 側(cè)傾轉(zhuǎn)向,后軸的軸轉(zhuǎn)向?qū)Ψ€(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性的影響,在側(cè)傾作用下板簧懸架的軸轉(zhuǎn)向,側(cè)傾力作用結(jié)果,無(wú)側(cè)傾力作用,變形轉(zhuǎn)向：懸架導(dǎo)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(chē)輪圍繞轉(zhuǎn)向節(jié)主銷或垂直地面的軸線的轉(zhuǎn)