第六章-汽车操纵稳定性课件.ppt

汽车理论,汽车的操纵稳定性,预备知识 汽车转向系的功能、组成、构造及工作原理中心思想 首先介绍操纵稳定性的基本概念（评价指标、轮胎侧偏特性），然后分析线性二自由度的汽车模型，最后介绍汽车行驶时的侧翻和侧滑汽车理论,第一节,概 述,汽车理论,汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系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 汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度，也是影响汽车安全性的重要因素之一 汽车的操纵稳定性包括两个相互关联的部分，即操作性和稳定性 操纵性是汽车能够确切地响应驾驶员指令的能力 稳定性是汽车抵抗改变其行驶方向的各种外界干扰(路面扰动或风扰动)，并保持稳定行驶而不失去控制，甚至翻车或侧滑的能力汽车理论,车辆坐标系和汽车主要运动形式,汽车理论,沿X方向：纵向运动；绕x方向：侧倾运动； 沿Y方向：侧向运动；绕y方向：俯仰运动； 沿z方向：上下运动；绕z方向：横摆运动汽车操纵稳定性评价方法,,,汽车理论,汽车理论,人--车闭环系统,汽车理论,汽车试验的两种评价方法,客观评价法 客观评价通过仪器测试能定量评价汽车性能，且能通过分析求出其与汽车结构参数间的关系。

主观评价法 主观评价考虑到了人的感觉，能发现仪器不能测试出的现象，是操纵稳定性的最终评价方法，但很难给出定量评价数据汽车理论,汽车理论,第二节,轮胎的侧偏特性,,轮胎坐标系,汽车理论,地面作用在轮胎上的主要力和力矩： 沿x方向：地面切向反作用力(纵向力)Fx; 沿y方向：地面侧向反作用力(侧向力)Fy; 沿z方向：地面法向反作用力Fz; 绕x轴：翻转力矩Mx； 绕y轴：滚动阻力矩My； 绕z轴：回正力矩Mz；,汽车在行驶中由于受转向、路面倾斜、风力等引起的侧向力的作用，使轮心速度方向偏离车轮平面的现象 转向引起的侧向力总是指向汽车内侧侧偏角总是位于和侧偏力指向相反的一侧轮胎的侧偏现象,,,,,汽车理论,没有侧向滑移 有侧向滑移 图 有侧向力作用时刚性车轮的滚动,u,车轮中心沿Y轴方向若作用有侧向力Fy，相应地在地面上产生地面侧向反作用力FY， FY也称为侧偏力当有地面侧向反作用力时，若车轮是刚性的，则可能发生两种情况：,汽车理论,实际上：车轮都不是刚性的，车轮存在侧向弹性，因此，即使侧向力Fy没有达到车轮与地面之间的附着极限，车轮的行驶方向也将偏离车轮平面的方向，即发生侧偏现象。

轮 胎 的 侧 偏 现 象,汽车理论,具有侧向弹性的车轮在垂直载荷的作用下，车轮中心受到侧向力Fy，地面有相应的侧偏力Fy时具有下面的两种情况： 车轮静止不滚动：轮胎胎面接地印迹的中心线与轮胎平面分开一个距离h，且平行 车轮滚动：接地印迹的中心线与轮胎平面错开，且有一夹角(侧偏角)，此时，车轮沿接地印迹的中心线方向滚动轮胎不对称受力产生的回正力矩,汽车理论,回正力矩绕OZ轴的力矩 Tz是使转向车轮回复到直线行驶位置的主要恢复力矩之一，称为回正力矩回正力矩是由接地面内分布的微元侧向反力产生的在侧偏角<5时，侧偏力和侧偏角成线性关系这时， 式中，k称为侧偏刚度（N/rad）为曲线在=0处的斜率按轮胎坐标系，侧偏力和侧偏角总是反号，故侧偏刚度总是负值轮胎的侧偏特性,汽车理论,侧偏特性主要是阐述侧偏力、回正力矩、侧偏角之间的关系侧偏力与侧偏角的关系,汽车理论,影响轮胎侧偏特性的主要因素,汽车理论,影响轮胎侧偏弹性的主要因素是： 轮胎结构参数 轮胎的使用参数 具体包括侧偏角、外倾角、垂直载荷、在接地印迹上的分布、路面附着系数、轮胎的纵向滑移率等,垂直载荷增大，k增大；但垂直载荷过大，轮胎与地面接触区的压力变得极不均匀，k反而减小。

汽车理论,轮胎形式和结构参数的影响 a. 子午线胎比斜交胎侧偏刚度高 b. 扁平率（=轮胎高度H/宽度B）小的轮胎侧偏 刚度大汽车理论,c. 胎压大，则侧偏刚度大，但胎压太大侧偏刚度基本不变试验时，可能通过改变减少胎压改变稳态试验结果汽车理论,附着椭圆,一定侧偏角下，驱动力或制动力增加时，侧偏力逐渐有所减小，这是由于轮胎侧线弹性有所改变的关系当纵向力相当大时，侧偏力显著下降，接近附着极限时，切向力已耗去大部分附着力，而侧向力能利用的附着力很小路面对侧偏特性的影响,路面干湿程度的影响 路面越湿，最大侧偏力越小 薄水层的影响 路面有薄水层时，轮胎可能会完全失去侧偏力，这称为“滑水”现象第二节,线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,汽车理论,汽车模型的简化,*忽略转向系统的影响，直接以前轮转角为输入 *不考虑振动、侧倾、俯仰运动，认为汽车只作平行 于地面的运动； *不考虑轮胎切向力、外倾角、空气阻力的影响； *忽略左右轮胎载荷变化引起的侧偏特性变化； *忽略轮胎回正力矩； *认为轮胎侧偏特性处于线性范围； *认为汽车沿x轴速度不变汽车理论,,2.1 二 自 由 度 汽 车 模 型,汽车理论, ---前轮转角(车轮旋转平面与汽车纵向的夹角) a b ---汽车前后轴到质心的水平距 ---横摆角速度 ---质心处的侧偏角 1 2---分别为汽车前、后车轮上的侧偏角(车轮的旋转平面与车轮行驶速度方向之间的夹角),汽车理论,二自由度汽车的运动微分方程：,,式中：u，v -汽车质心速度在x,y轴上的分量; -前轮转角； k1，k2-前、后轮胎侧偏刚度； a，b -汽车前后轴到质心的水平距离 ； -横摆角速度 -质心处的侧偏角,汽车理论,2.2 瞬态响应、稳态响应,汽车的时域响应可分为:不随时间变化的稳态响应和随时间变化的瞬态响应。

汽车等速直线行驶是一种稳态，给汽车以转向盘角阶跃输入，一般汽车经短暂时间后便进入等速圆周行驶，这也是一种稳态，称为转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应在等速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便是一种瞬态，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汽车理论,汽车稳态响应,稳态下汽车平面运动方程为,,消去v后，得：,,汽车理论,式中： 稳态横摆角速度增益，也叫转向灵敏度； K稳定性因数（s2/m2）(K值与汽车的质量、质心位置以及前后车轮的侧偏刚度有关，它是汽车本身具有的一个特性)； 横摆角速度； u车速； 前轮转角； m汽车质量；L 轴距； a，b 汽车质心到前后轴的距离； k1，k2 前后轮侧偏刚度汽车理论,上式表明：汽车转向半径与汽车的行驶速度、稳定性因数、汽车转向轮转角之间的关系，也说明了转向半径随上述参数变化情况汽车理论,汽车理论,汽车稳态响应的类型,稳定性因数K是表征汽车稳态响应的一个重要的参数 随着汽车行驶车速的变化，汽车的稳态响应可以按照稳定性因数K的数值分为： 中性转向 不足转向 过度转向,,三种稳态响应,汽车理论,,,,,K=0时 ，汽车稳态响应为中性转向。

这时， 转向半径 ，汽车的转向半径与其行驶速度无关，无论行驶速度怎么改变，只要保持前轮的转向角 保持不变，汽车的转向半径不变 这是在汽车以极低车速而无侧偏时的转向几何关系但实际上汽车在转向过程中，即使车速低，内外前轮的转向角并不相等，且不等于 外侧的比 稍小，内侧的比 稍大汽车中性转向（Neutral Steer,NS）,汽车理论,汽车理论,,汽车稳态横摆角速度增益曲线,汽车理论,在不同的车速下汽车的稳态横摆增益曲线，给出了在稳定性因数分别为0、大于0、小于0三种状态下对应的汽车的三种转向特性K0称为不足转向不足转向汽车加速时，和中性转向时比，根据 稳态横摆角速度增益比中性转向时较小在中性转向的汽车稳态增益曲线下方，且随着汽车行驶速度的增加，曲线呈现向下的趋势 随着稳定性因数的增大，横摆角速度增益曲线越低，不足转向量越大汽车不足转向 Under Steer US,汽车理论,特征车速,,,,,,汽车理论,特征车速是表征不足转向的一个参数随着K值的增大，特征车速减小汽车理论,以一定的前轮转角和一定的行驶速度作圆周运动，若速度增加，汽车将从原来的回转圆驶出而形成一个比原来半径更大的回转圆。

若保持前轮的转角不变，随着汽车的行驶速度的增大，而仍要保持原来的半径作圆周运动时就显得前轮转角不足，呈现不足转向的特性汽车理论,,中性转向下：,P136页图,汽车理论,K<0称为过多转向过多转向汽车加速时，和中性转向相比，稳态横摆角速度增益较大，但R= ，故转向半径随车速增大而减小显然，当 时， = 这时较小的前轮转角都会导致激转而翻车 为了保持良好的操纵稳定性，汽车都应当具有适度的不足转向汽车过多转向 Over Steer OS,汽车理论,汽车理论,临界车速,,,,,,汽车理论,过多转向的汽车当行驶速度达到临界车速时将失去稳定性(因为在临界车速附近时，横摆角速度增益趋于无穷大，只要极其微小的前轮转角便会产生极大的横摆角速度) 由于过多转向的汽车易失去稳定性，故汽车都应具有适度的不足转向特性汽车理论,例P159 6-8,汽车理论,式中： 稳态横摆角速度增益，也叫转向灵敏度； K稳定性因数（s2/m2）； 横摆角速度； u车速； 前轮转角； m汽车质量；L 轴距； a，b 汽车质心到前后轴的距离； k1，k2 前后轮侧偏刚度知识点回顾：,,三种稳态响应,,汽车稳态横摆角速度增益曲线,表征稳态响应的参数,1、前、后轮侧偏角绝对值之差,如果不知道轮胎侧偏刚度和汽车其他参数，只能通过实验判断汽车稳态特性。

测出前、后轮侧偏角绝对值之差，即可求出稳定性因数K来并注意到,因ay为正时，Fy1，Fy2为正，1，2为负 ay为负时，Fy1，Fy2为负，1，2为正故,故,0时，K0 不足转向,<0时，K<0 过多转向,=0时，K=0 中性转向,当侧向加速度大于0.3-0.4g后，前后侧偏角之差和侧向加速度一般进入非线性区域在大侧向加速度下，许多汽车稳态特性发生显著变化前后侧偏角之差与转向半径的关系,注意到,有,代入，有,得到前后侧偏角绝对值之差与转向半径的关系,2、转向半径比,此即车速为u时的转向半径R与初始半径（车速极低时的转向半径）R0之比根据前式有,显然有：,若 RR0 时，K0 不足转向 若 R=R0 时，K=0 中性转向 若 R< R0 时，K<0 过多转向,3、静态储备系数,1） 中性转向点及其位置的确定 从前式可知，如前后轮侧偏角相等，则K=0 设想汽车质心逐渐移动，转向时前后轮产生的侧向力分配将逐渐变化，侧偏角也相应变化如果前后轮产生同一侧偏角，则其对应侧向力的合力作用点称为中性转向点图中c点是质心位置，cn是中性转向点汽车向右转向中性转向点到前轮中心的距离为：,当轮胎和轴距一定时，中性转向点到前轮中心的距离便确定。

注意到汽车作稳态圆周运动时，横摆角加速度为0，前后轮实际侧偏力合力作用点即在质心位置 如质心在Cn前，前轮侧偏力增大，侧偏角增大；后轮侧偏力减少，侧偏角减少，即 如质心在Cn后， 定义静态贮备系数SM为：,当a=a时，汽车质心和cn重合，SM=0, , K=0 当aa时，汽车质心在cn前，SM0, ,K0 当a