《汽车操操纵稳定性》.ppt

5.1 汽车操纵稳定性研究的 主要内容5.2 汽车极限行驶稳定性5.3 轮胎的侧偏特性5.4 汽车的转向特性5.5 汽车转向轮的振动 5.6 转向轮的稳定效应目录5.1 汽车操纵稳定性研究的主要内容操纵性：汽车能够确切地响应驾 驶员转向指令的能力稳定性：汽车行驶中具有抵抗改 变行驶方向的各种干扰并 保持稳定行驶的能力 1、极限行驶稳定性 横向倾翻的最大坡度；横向倾翻的最大车速；纵向行驶稳定性2、直线行驶性能 抗侧风和路面不平度的稳定性3、转向轻便性 原地转向轻便性(静态) 行驶转向轻便性(动态)4、转向灵敏性 时域响应：稳态响应、瞬态响应； 频域响应：振幅比(增益)、相位比5.2 汽车极限行驶稳定性 1. 横向倾翻的最大坡度 2. 横向倾翻的最大车速 3. 纵向行驶稳定性 汽车在坡道尤其是横坡上丧失稳定性的表现为汽车的翻倾和滑移：静态受力分析如右图示： 当角增大到重力G通过A点时的角称为横向倾翻的极限坡度，此时得 实际上，大多数汽车在未达到max时就开始滑动，主要是由于驱动轮与地面的附着力F不够造成的1.横向倾翻的最大坡度hgFzlFzrBGsinGcosG下面进一步分析汽车侧滑在翻倾之前的条件： 设在坡道上转向，则产生一离心力Fc，在离心力的作 用下可能向左翻倾，则向左的力矩必须大于向右的力矩：a.发生翻倾条件：hgFzlFzrBGAFxlFxtFcAb.发生侧滑条件：c、侧滑在翻倾之前的条件 为了保证安全，应使侧滑在翻倾之前，则必须vmax B/2hg，说明产生不了侧滑，只得发生倾翻，小轿车的重心低，一般能满足B/2hg，在弯通高速行驶容易侧翻。

若弯道的外侧比内侧高，由于重力的横向分力与转弯中离心力的横向分力相反，可以避免侧翻，可以略提高行驶速度所以公路在弯道处，路面都是外侧高于内侧 3.纵向行驶稳定性 汽车的纵向行驶稳定性决定于重心高度和重心至前轴（或后轴）的距离 tgmax=a/ hg tgmax=b/ hg 分析从略，与横向分析方法相同汽车坐标系及汽车的主要运动形式： 前进速度v：质心速度沿X 轴的分量； 侧倾角速度p(roll velocity)：质心绕X 轴旋转角速度zyx侧倾角速度p前进速度u俯仰角速度q横摆角速度r垂直速度w侧向加速度ay侧向速度v图52 车辆坐标系与汽车的主要运动形式 侧向速度v：质心速度沿Y 轴的分量； 俯仰角速度q(pitch velocity)：质心绕Y轴旋转角速度； 垂直速度v：质心速度沿Z 轴的分量； 横摆角速度r(yaw velocity)：质心绕Z轴旋转角速度zyx侧倾角速度p前进速度u俯仰角速度q横摆角速度r垂直速度w侧向加速度ay侧向速度v图52 车辆坐标系与汽车的主要运动形式 5.3 轮胎的侧偏特性 侧偏特性主要是指侧偏力、回正力矩与侧偏角之间的关系 1） 轮胎坐标系(tyre axis system) 当车轮中心沿Y 轴方作用有侧向力FY，地面将产生地面侧向反作用力FY 。

由于轮胎具有弹性，即使FY没有达到附着极限，车轮行驶方向亦将偏离X 轴线方向这时轮胎出现侧偏特性 由于轮胎侧向变形，轮上的b点将不与支承面上的b1接触，而与b1接触，c点与c1 接触，如此类推轮胎在支承面上的运动轨迹af 相对于车轮平面偏离某一角度ab1bcdefd1c1e1f1bcdefab1c1d1e1f1b1c1d1e1f1FYFYW 轮胎侧偏角(side-slip-angle)： 轮胎接地中心的引进方向与车轮中心平面方向间的夹角 侧向力与产生的侧偏角的关系曲线，称为车轮的侧偏特性当不超过45时，Fy与成线性关系Fy，即：Fy=k Fy曲线在=0处的斜率称为侧偏刚度k(cornering stiffness)，其单位为 N/rad (或N/()）其值为负值，因负的侧偏力产生正的侧偏角 因此，侧偏刚度为负值，即Fy=-FY，Fk=-k2）轮胎的侧偏现象、侧偏特性曲线 图53 轮胎的坐标系与地面作用于轮胎的力和力矩xzy正外倾角正回正力矩Tz车轮行驶方向车轮平面车轮旋转轴线正地面侧向反作用力FY正地面法向反作用力FZ正地面切向反作用力FX正翻转力矩TX正TY正侧偏角O 垂直载荷对k的影响： G，F，侧滑倾向，k 轮胎结构对k的影响： 轮胎宽度， k ；轮胎气压，k ；子午胎： k 。

必须注意：轮胎的侧偏现象的产生是由于轮胎的侧向弹性变形，与轮胎在道路上的侧滑有本质的区别 轮胎的侧偏现象不仅影响车轮的运动轨迹，而且加剧轮胎的磨损；轮胎的侧向变形使滚动阻力增加 3）回正力矩(aligning torque) 由路面作用在轮胎上的力矩矢量，使轮胎绕Z 轴旋转的分量，称为回正力矩ccccccccaaaaaaaavvveFY345附着极限接地印记内地面侧向反作用力的分布与回正力矩的产生图545.4 汽车的转向特性(steering characteristics) 设汽车以中速或高速转向时，在汽车质心上产生一个离心力为了平衡离心力，路面对轮胎产生相应的侧向反作用力，即侧偏力(cornering force)轮胎在侧偏力的作用下将产生侧偏，形成相应的侧偏角 假设：忽略地面切向反力对侧偏特性影响，忽略空气阻力的影响，忽略左右轮受载荷变化的影响，于是汽车简化为由前、后两个轮胎支承，具有侧向和横摆两个自由度汽车模型OBACRLv2v12100-12r图55 汽车稳态转向运动简图EFycFy1Fy2vc 参数说明：设前轮转角，转弯半径r， FY1，FY2：前、后轮的侧偏力 v1，vc，v2：A，B，C三点的速度。

Fc：质心的离心力 FcY：Fc在Y方向上的分力 两式相加，且AE+BE=L，则 tg(-1) + tg2 = L/R因 2 、1较小，则 -1 +2 L/R，故 = L/R + 1 -2 1、计算转向角由几何关系： 设汽车在水平道路上作等速圆周运动，则作用在汽车上的侧向力为离心力的侧向分力 2、计算1 ，2 汽车看成一个系统，前轮转角视为输入，汽车稳态横摆角速度r视为输出，r = v/R 汽车稳态横摆角速度r与前轮转角之比称为汽车的稳态横摆角速度增益(teady state yaw velocity gain) 3、计算转向灵敏度 4、稳态转向特性(1) 稳定性因数K：轴距L3m中性转向K0过多转向K0.0019s2/m2不足转向K0.0006s2/m20501001501020vchvcrva/(kmh-1)中性转向K0过多转向K0.0019s2/m2不足转向K0.0006s2/m20501001501020vchvcrva/(kmh-1)轴距L3m中性转向K0过多转向K0.0019s2/m2不足转向K0.0006s2/m20501001501020vchvcrva/(kmh-1)轴距L3m K0 不足转向 K=0 中性转向 K 0，则 K 0 为不足转向；1-2 = 0，则 K = 0 为中性转向；1-2 0，则 K 0K=0K001-2ay图56 表示汽车稳态响应的（1-2）ay曲线I：O点：钢性轮，前、后轮的交点，保证前后轮纯滚动，则R0=L/。

b.（12）与R的关系： 由以上分析可知，1-2也可作为表征汽车稳定响应的评价指标III：若12，1-20，则R2，1-20，则RRo，转向半径变大，说明转向效果受到抑制，成为不足转向 K = 0 R/Ro = 1 K 0 R/Ro 1 说明不足转向汽车的转向半径总是大于RoK 0 R/Ro a, 中性转向点在质心的后面此时，SM0，说明在质心位置作用的侧向力使12，为不足转向 若aa, 中性转向点在质心的前面此时，SM0，说明在质心位置作用的侧向力使12，为过多转向RR中性转向K0过多转向K0角不变图5 8汽车的三种稳态响应(5) 瞬态响应(transient state response) 汽车转向特性的好坏，在很大程度上取决于过渡状态的运动状况 瞬态响应性能好的汽车，从过渡状态到稳运动状态的过程中应该是波动最小而响应最快 瞬态响应为一强迫振动微分方程:误差带r0r1t横摆角速度r1讨论边界条件：前轮角阶跃输入： 当t 0，则微分方程为：t 0 = 0误差带r0r1t横摆角速度r1图5 9前轮角阶跃输入下的瞬态响应d.峰值时间：达到第一个峰值r1的时间(6) 横摆角速度频响特性对二自由度汽车运动微分方程A()()fr幅频特性： 反映汽车执行驾驶员指令失真的程度。

在低频区接近一水平线，在某一频率fr时，幅值比达最大值，处于共振状态希望：幅频特性平一些，以保证不同工况下失真度较小相频特性： 反映汽车横摆角速度r 滞后方向盘转角的失真程度 希望：相频特性小一些，以保证汽车有快速灵活的反应5.5 汽车转向轮的振动 汽车在行驶过程 ，有时会出现转向轮的左右摆振和上下跳动现象 下面分别分析转向轮振动的原因： 1、转向轮的振动与共振 2、车轮不平衡的影响 3、悬架与转向传动机构的运动关系不协调的影响 1、转向轮的振动与共振B1BmkpT2T1kt 由转向桥的振动频率可知，若弹性系统的刚度减小，转动惯量越大，则振动频率越低 一方面：由于平顺性的要求，采用弹性较大的悬挂和轮胎，即kp, kt值减小；为了安全转向轮装有制动器，使转动惯量J 1，J 2增大 另一方面，随着汽车行驶速度的提高，道路条件的改善，路面谱容易在低频区，从而增加了共振的可能性2、车轮不平衡的影响 设车轮的不平衡质量为m，其位置在半径为r的圆周上，车速为va， 则离心力为：Fc =m2r 水平分力：Fx =m2rcost 垂直分力：Fy=m2rsint 水平分力Fx 在使车轮绕主销摆振、垂直分力Fy 强使车轮沿垂直轴线振动。

随着车速的提高，Fx 和Fy 会随着增加 为了避免因车辆不平衡而引起振动，对车轮应进行静平衡和动平衡检查FxFyFcr FxFx3、悬架与转向传动机构的运动关系不协调的影响 当车轮受到冲击时，弹簧变形，c点绕o1点作aa运动 当车轮上下跳动时c又绕o2点作bb 运动，运动发生干涉 因此，转向节在水平面内转动，使转向轮绕主销向左、向右摆动 若将前铰接点靠近转向机，使c点的运动方向一致，不致使转向节转动，而不发生摆动vaO2O1cabba图510转向系与悬架的运动干涉 5.6 转向轮的稳定效应 转向轮的稳定效应是指转向轮具有保持中间位置（直线行驶位置）及当转向轮偏移后能自动返回至中间位置（自动回正）的能力转向轮的稳定效应主要取决于主销内倾，主销后倾及轮胎外倾1、主销内倾的稳定作用2、主销后倾的稳定作用3、转向车轮外倾的稳定作用4、前束的作用1、主销内倾的稳定作用 当轮胎旋转180，如图示轮胎的最低点在路面以下，实际上不可能、轮胎仍应在路面，于是汽车前轮上升，由于汽车的重力作用有迫传车轮自动回正回复直线行驶倾向这就是由于主销内倾而使转向轮具有稳定效应 主销内倾角一般为58,是由设计决定的, 不调整。

主销内倾减小车轮转动时的转臂a，一方面转向时轻便，另一方面减小地面的冲击给驾驶员的反冲力hAA图511 前轮主销内倾角的作用2、主销后倾的稳定作用 Fc ：汽车转向时的离心力 Fyl1，Fyr1，Fyl2，Fyr2前、后轮的向心力，与离心力的方向相反 前轮的向力心作用在轮胎与地面的接触点b与主销延长线与地面的交点a有一定距离L Fyl1和Fyr1产生绕主销的力矩（Fyl1+ Fyr1）L有使车轮回转直线行驶的倾向 力矩（Fyl1+ Fyr1）L起着转向轮稳定的作用,也叫作稳定力矩稳定力矩能很快将车轮回到直线行驶位置主销后倾角r 一般在07之间bFy1图512 前轮主销后倾角的作用3、转向车轮外倾的稳定作用 由于侧偏力Fy1使轮胎接地印迹相对于车轮平面发生扭曲，印迹前面离车轮平面近侧向变形小，印迹后部离车轮平面远，侧向变形大其合力的作用点在接地印迹几何中心的后方，偏离某一距离ba（称为汽车胎拖距），侧向反作用力Fy1形成的稳定力矩Mya= Fy。