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第5章汽车的操纵稳定性资料.ppt

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  • 上传时间:2019-10-03
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    • 汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的情况下,汽车能遵循驾驶者通过转向系统及转向车轮给定的方向行驶,且当遭遇外界干扰时,汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力 汽车的操纵稳定性是汽车主动安全性的重要评价指标第五章 汽车的操纵稳定性,汽车在转向盘输入或外界干扰输入下的侧向运动响应随时间而变化的特性称为时域响应特性 转向盘输入有角位移输入和力矩输入 外界干扰输入主要是指侧向风和路面不平产生的侧向力一、操纵稳定性包含的内容,1.转向盘角阶跃输入下的响应,稳态响应,瞬态响应,横摆角速度增益—转向灵敏度评价参量,反应时间 横摆角速度波动的无阻尼圆频率评价参量,操纵稳定性包含的内容,转向盘转角正弦输入下,频率由0→∞变化时,汽车横摆角速度与转向盘转角的振幅比及相位差的变化规律共振峰频率 共振时振幅比 相位滞后角 稳态增益评价参量,2.横摆角速度频率响应特性,操纵稳定性包含的内容,3.转向盘中间位置操纵稳定性,转向灵敏度 转向盘力特性 转向功灵敏度评价参量,转向盘力输入下的时域响应回正后剩余横摆角速度与剩余横摆角 达到剩余横摆角速度的时间评价参量,4.回正性,操纵稳定性包含的内容,转向盘小转角、低频正弦输入下,汽车高速行驶时的操纵稳定性。

      一些常见车型的最小转向半径,评价参量:最小转向半径5.转向半径,操纵稳定性包含的内容,评价转动转向盘轻便程度的特性 包括原地转向轻便性、低速行驶转向轻便性和高速行驶转向轻便性转向力 转向功目前部分轿车上使用的电动助力转向系统(EPS), 能很好地兼顾各种车速下行驶时的转向轻便性评价参量,6.转向轻便性,操纵稳定性包含的内容,直线行驶性,转向盘转角和(累计值),侧向风敏感性,路面不平敏感性,侧向偏移,,,,,,评价参量,评价参量,7.直线行驶性能,操纵稳定性包含的内容,,蛇行性能 移线性能 双移线性能—回避障碍性能,转向盘转角、转向力、侧向加速度、横摆角速度、侧偏角、车速等在汽车性能参数里,往往以应急性能给出 主要包括:蛇行绕桩速度(满载/空载)、 紧急变线速度(满载/空载)评价参量,8.典型行驶工况性能,操纵稳定性包含的内容,三辆轿车在做蛇形绕桩性能对比测试汽车在绕桩(转向)时车身总有一定的倾斜,有些轿车的车身侧倾比较严重,车身外倾,驾驶舱内倾,设计的理念是驾驶舱永不倾斜,一些常见轿车的紧急变线速度,操纵稳定性包含的内容,蛇形绕桩测试(视频),,极限侧向加速度,抗侧翻能力,极限车速,回至原来路径所需时间,,,评价参量,评价参量,评价参量,圆周行驶极限侧向加速度,9.极限行驶能力,发生侧滑时的控制能力,操纵稳定性包含的内容,1.车辆坐标系,二、车辆坐标系与转向盘角阶跃输入下的时域响应,,汽车直线行驶时,急速转动转向盘至某一转角时,停止转动转向盘并维持此转角不变,即给汽车以转向盘角阶跃输入。

      时间 t,转向盘转角,2.稳态响应特性,转向盘角阶跃输入经短暂时间后,汽车进入等速圆周行驶,称为转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应不足转向 ;中性转向 不变; 过多转向 稳态响应特性有三种类型,转向盘角阶跃输入前后,直线行驶与等速圆周行驶这两个稳态运动之间的过渡过程是一种瞬态,相应的瞬态运动响应称为转向盘角阶跃输入下的瞬态响应3.瞬态响应特性,1)时间上的滞后,瞬态响应的评价指标,,2)执行上的误差 (ωr1/ωr0)×100% 称为超调量,3)横摆角速度的波动 波动的ω =2π/T , 取决于汽车的结构参数,4)进入稳态所经历的时间σ,,,,将汽车作为开路控制系统,人—汽车系统作为闭路系统,,三、操纵稳定性的研究方法,通过仪器测出横摆角速度、侧向加速度、侧倾角及转向力让试验评价人员根据试验时自己的感觉进行评价人—汽车闭路系统,,,,,四、操纵稳定性的两种试验评价方法,开路系统,主观评价法,客观评价法,本节主要研究轮胎的侧偏现象和侧偏特性 侧偏特性是指侧偏力、回正力矩与侧偏角的关系第二节 轮胎的侧偏特性,α,,,,,,,,,O,X,Y,,,,,,,,车轮平面,车轮行驶方向,正地面切向 反作用力FX,正翻转力矩 TX,正地面法向 反作用力FZ,正地面侧向反作用力FY,车轮旋转轴线,正侧偏角,正回正力矩TZ,正TY,正外倾角,γ,Z,侧偏角α 轮胎接地印迹中心的位移方向与X轴的夹角,外倾角γ 过轮胎坐标系原点的垂线与车轮平面的夹角,一、轮胎的坐标系,,,地面作用于车轮的侧向反作用力。

      二、轮胎的侧偏现象和侧偏力—侧偏角曲线,1.侧偏力FY,,,,,,u,c,c,,,,,u,c,c,,,,,,只有当侧向力 大于(或等于)车轮与路面间的侧向附着力时,车轮的运动方向才会改变1)在刚性轮上作用侧向力,,,FY,俯视图,车轮静止,2)在弹性轮上作用侧向力,,,FY,2)在弹性轮上作用侧向力,车轮滚动,,α,,,0,X,Y,,,,FY,侧偏力为正时, 产生负侧偏角u,,-,+,2.侧偏现象,当车轮有侧向弹性时,即使FY没有达到侧向附着极限,车轮行驶方向也将偏离车轮平面的方向α,侧偏角α 轮胎接地印迹中心的位移方向与X轴的夹角u,,k—侧偏刚度FY一定时希望侧偏角越小越好,所以 |k| 越大越好3.FY-α曲线,,,,三、轮胎结构、工作条件对侧偏特性的影响,大尺寸轮胎,子午线轮胎,斜交轮胎,钢丝子午线轮胎,纤维子午线轮胎,轮胎的尺寸、型式和结构参数对侧偏刚度有显著影响侧偏刚度大,,,侧偏刚度小,大尺寸轮胎,,小尺寸轮胎,,(1)扁平率小,k大,H,B,扁平率=(H/B)×100%,宽度,一些车型轮胎的型号及扁平率,轮辋直径,,,,,,,(2)垂直载荷大,k大,α一定时, W大,FY大。

      FY = ,即k大垂直载荷过大时,轮胎与地面接触区的压力分布不均匀,使 k反而有所减小3)轮胎气压高,k大,,,,,FX1,FY1,FX2,FY2,(4)FX 越大,FY 越小,(5)路面干湿状态,路面有薄水层时,由于滑水现象,会出现完全丧失侧偏力的情况轮胎胎面、路面粗糙程度、水层厚度与滑水现象的关系,,,,轮胎发生侧偏时,会产生作用于轮胎绕OZ轴的力矩,该力矩称为回正力矩车轮静止时受到侧向力,车轮运动时受到侧向力 (侧向力较小),车轮运动时受到侧向力 (侧向力较大),FY,,,,,e,FY,e—轮胎拖距e,FY,轮胎拖距变大,,,四、回正力矩TZ,,,四、回正力矩TZ,轮胎发生侧偏时,会产生作用于轮胎绕OZ轴的力矩,该力矩称为回正力矩车轮运动时受到侧向力(侧向力很大),,,,,,FY,TZ,u,X,Y,+,-,+,-,-,0,,,,FY,e,轮胎拖距反而变小,,,,+,,,,O,X,Y,Z,-,,向外滚开的趋势,五、有外倾时轮胎的FY与外倾角γ、侧偏角α的关系,,kγ-外倾刚度1.外倾侧向力FYγ,α一定时,γ 越大,FY越大增加的FY是由γ作用的结果1)α=0,2)α≠0,3)有γ,FY=0,即a点,2.有外倾时FY与γ、α的关系,,,,,,5)外倾时产生的回正力矩,4)γ过大对汽车产生不良影响,影响轮胎与路面的良好接触,汽车轮胎,摩托车轮胎,本节将首先建立线性二自由度汽车模型,在此基础上,分析汽车的稳态响应特性、瞬态响应特性和频率响应特性。

      第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,,一、线性二自由度汽车模型运动微分方程,1.建模中假设,2)忽略悬架的作用;车身只作平行于地面的平面运动,绕 z 轴的位移、绕 y 轴的俯仰角和绕 x 轴的侧倾角均为零,且 ;,3)汽车前进速度不变思考:车辆坐标系中,汽车共有多少个自由度?,在上述假设下,汽车被简化为只有侧向和横摆两个自由度的两轮汽车模型1)忽略转向系统的影响,直接以前轮转角作为输入;,假定汽车 ay≤0.4g,轮胎侧偏特性处于线性范围内;不计地面切向力FX、外倾侧向力 、回正力矩 TZ、垂直载荷的变化对轮胎侧偏刚度的影响x,y,2.两轮汽车模型及车辆坐标系,确定汽车质心(绝对)加速度在车辆坐标系的分量ax和ay3.运动学分析,沿Ox轴速度分量的变化为,,,,上式除以Δt并取极限得,考虑到 很小并忽略二阶微量,同理可得,,,,考虑到δ角较小,4.二自由度汽车动力学分析,图放大,4.二自由度汽车动力学分析,,质心侧偏角,,,,,由于,整理后得二自由度汽车运动微分方程式,,,代入运动微分方程式得,1.稳态响应,稳态时ωr为定值,消去v,,二、前轮角阶跃输入下汽车的稳态响应 —等速圆周行驶,称为稳态横摆角速度增益,也称转向灵敏度。

      K—稳定性因数 R 与 u 无关,汽车具有中性转向的特性1)中性转向,当 K=0 时,由,2.稳态响应的三种类型,,,,,,,,,L,,,,,δ,,,δ,R0,u,O,,,当汽车低速转向时,离心力很小,FY1和FY2也很小中性转向汽车的转向半径R等于汽车以极低车速转向(忽略侧偏角)时的转向半径R0由于 K0,所以RR0 且 u↑→ R↑ 汽车具有不足转向特性,横摆角速度增益为与轴距L相等的中性转向汽车横摆角速度增益的一半 称为特征车速当不足转向量增加时,K 增大,特征车速降低2)不足转向,当 K>0 时,由,横摆角速度增益比中性转向时要小横摆角速度增益 比中性转向时要大由,RR0,u↑→ R↓→ 汽车具有过多转向特性当 K<0 时,由,3)过多转向,,,,,当车速为,这意味着很小的前轮转角将产生极大的横摆角速度,汽车将发生激转而侧滑或侧翻由于过多转向汽车有失去稳定性的危险,汽车应具有适度的不足转向特性称为临界车速临界车速越低,过多转向量越大4)汽车的稳态横摆角速度增益曲线,,如果K 0,由于 k10 , k20,|k1|↓,|k2|↑,b↑,a↓,不足转向量越大。

      奔驰CLK跑车:前轮205/55R16,后轮225/50R16 前205、后225的轮胎组合,使得前轮的侧偏刚度小于后轮, 有利于营造不足转向特性5)影响稳定性因数 K 的因素,,,,,1)前、后轮侧偏角绝对值之差α1-α2,由于ay与FY1/k1(即α1)、FY2/k2(即α2)符号相反,当α1、 α2取绝对值时,ay也取绝对值,K0,不足转向,K=0,中性转向,K0,过多转向,3.几个表征稳态响应的参数,,,由,当汽车以极低车速行驶时,当 u 提高后,如果,汽车具有不足转向特性,汽车具有过多转向特性,思考:如何得到 ?,,已知u、ωr、δ即可确定 K=0, R/R0=1,汽车具有中性转向特点;,K0, R/R01,汽车具有不足转向特点;,K0, R/R01,汽车具有过多转向特点2)转向半径的比R/R0,已知,,转向半径的比值R/R0曲线,转向半径的比值 R/R0 曲线与稳定性因数K值曲线,,静态储备系数 S.M.:中性转向点到前轮的距离 与汽车质心到前轴距离 a 之差与轴距L之比中性转向点:使汽车前、后轮产生相等侧偏角的侧向力作用点3)用静态储备系数S.M.来表征汽车稳态响应,,,,,中性转向,不足转向,过多转向,中性转向点,汽车质心,,,由式(2)得,二自由度汽车运动微分方程式,三、前轮角阶跃输入下的瞬态响应,1. 前轮角阶跃输入下横摆角速度的瞬态响应,(1),(2),,,代入式(1)得,求导后得,,式中,将上式写成以ωr为变量的形式,将上式写成以ωr为变量的形式,,式中,ζ—阻尼比。

      当t 0时,这是二阶常系数非齐次微分方程,前轮角阶跃输入的数学表达式为,,,即稳态横摆角速度,对应的齐次方程为,其。

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