汽车理论第五章.

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1、1 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 返回目录 2 第一节 概述 本节将介绍汽车操纵稳定性包含的内容、车辆坐 标系、转向盘角阶跃输入下的时域响应特性等。 本节还将介绍操纵稳定性的研究方法及试验评价 方法。 第五章 汽车的操纵稳定性 返回目录 3 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

2、要是指侧向风和路面不平产生的侧向 力。 第一节 操纵稳定性概述 一、操纵稳定性包含的内容 4 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 第一节 操纵稳定性概述 操纵稳定性包含的内容 5 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 第一节 操纵稳定性概述 2.横摆角速度频率响应特性 操纵稳定性包含的内容 6 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

3、功灵敏度。 评价参量 第一节 操纵稳定性概述 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。 7 车型最小转向半径/m（左/右） Audi A45.6/5.6（轴距2650 mm ） 宝马520i5.65/5.65（轴距2830 mm ） 雷克萨斯LS4305.4/5.3（轴距2925 mm ） 一些常见车型的最小转向半径 评价参量：最小转向半径。 第一节 操纵稳定性概述 5.转向半径 操纵稳定性包含的内容 8 评价转动转向盘轻便 程度的

4、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 第一节 操纵稳定性概述 6.转向轻便性 操纵稳定性包含的内容 9 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 第一节 操纵稳定性概述 7.直线行驶性能 操纵稳定性包含的内容 10 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

5、速度（满载/空载）、 紧急变线速度（满载/空载）。 评价参量 第一节 操纵稳定性概述 8.典型行驶工况性能 操纵稳定性包含的内容 11 有些轿车的车身侧倾比较严重 第一节 操纵稳定性概述 12 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 第一节 操纵稳定性概述 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 13 第一节 操纵稳定性概述 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 14 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

6、入。 时间 t 转向盘转角 第一节 操纵稳定性概述 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。 15 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 第一节 操纵稳定性概述 16 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。 第一节 操纵稳定性概述 3.瞬态响应特性 17 1）时间上的滞后 瞬态响应的评价指标 第一节 操纵稳定性概述 2）执行上的误差 （r1/r0）100 称为超调量 3）横摆角速度的波

7、动 波动的 2/T , 取 决于汽车的结构参数 4）进入稳态所经历 的时间 18 将汽车作为开路控制系统人汽车系统作为闭路系统 第一节 操纵稳定性概述 三、操纵稳定性的研究方法 19 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 第一节 操纵稳定性概述 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 20 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。 第五章 汽车的操纵稳定性 第二节 轮胎的侧偏特性 返回目录 21 O X Y 车轮平面 车轮行驶方向 正地面切

8、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 Z 侧偏角 轮胎接地印迹中心的 位移方向与X轴的夹角 外倾角 过轮胎坐标系原点的 垂线与车轮平面的夹角 第二节 轮胎的侧偏特性 一、轮胎的坐标系 22 地面作用于车轮的侧向反作用力。 第二节 轮胎的侧偏特性 二、轮胎的侧偏现象和侧偏力侧偏角曲线 1.侧偏力FY 23 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。 第二节 轮胎的侧偏特性 1）在刚性轮上作用侧向力 24 FY 俯视图 第二节 轮

9、胎的侧偏特性 车轮静止 2）在弹性轮上作用侧向力 25 FY 第二节 轮胎的侧偏特性 2）在弹性轮上作用侧向力 车轮滚动 26 0 X Y FY 侧偏力为正时， 产生负侧偏角。 u - + 第二节 轮胎的侧偏特性 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 。 侧偏角 轮胎接地印 迹中心的位移 方向与X轴的 夹角。 u 27 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。 第二节 轮胎的侧偏特性 3.FY曲线 28 第二节 轮胎的侧偏特性 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

10、 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 29 第二节 轮胎的侧偏特性 （1）扁平率小，k大 H B 扁平率=(H/B)100% 30 车型轮胎型号扁平率(%) 新雅阁 普利斯通 205/65R15 65 奔驰 S320米其林 225/60R16 W 60 奔驰 LORINSER 米其林 275/30 ZR19 30 宽度 一些车型轮胎的型号及扁平率 轮辋 直径 第二节 轮胎的侧偏特性 31 第二节 轮胎的侧偏特性 32 第二节 轮胎的侧偏特性 （2）垂直载荷大，k大 33 一定时， W大，FY大。 FY

11、 = ，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。 第二节 轮胎的侧偏特性 34 第二节 轮胎的侧偏特性 （3）轮胎气压高，k大 35 FX1 FY1 FX2 FY2 第二节 轮胎的侧偏特性 （4）FX 越大，FY 越小 36 第二节 轮胎的侧偏特性 （5）路面干湿状态 37 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。 第二节 轮胎的侧偏特性 轮胎胎面、路面粗糙程度、水层厚度与滑水现象的关系 38 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 。 车轮静止时受到 侧向力 车轮运动时受到侧向

12、力 （侧向力较小） 车轮运动时受到侧向力 （侧向力较大） 第二节 轮胎的侧偏特性 FYe FY e轮 胎拖距 。 e FY 轮胎拖距 变大 39 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 第二节 轮胎的侧偏特性 FY e 轮胎拖距 反而变小 40 第二节 轮胎的侧偏特性 41 + O X Y Z - 第二节 轮胎的侧偏特性 向外滚开的趋势 五、有外倾时轮胎的FY与外倾角、侧偏角的关系 42 k外倾刚度。 +- 第二节 轮胎的侧偏特性 1.外倾侧向力FY 43 一定时，

13、 越 大，FY越大。增加 的FY是由作用的 结果。 第二节 轮胎的侧偏特性 44 1）=0 2）0 3）有，FY=0，即a点 2.有外倾时FY与、的关系 第二节 轮胎的侧偏特性 45 5）外倾时产生的回正力矩 4）过大对汽车产生不良影 响 影响轮胎与路面的良 好接触 第二节 轮胎的侧偏特性 汽车轮胎 摩托车轮胎 46 第二节 轮胎的侧偏特性 47 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。 第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应

14、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 ay0.4g，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。 48 x y 第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 2.两轮汽车模型及车辆坐标系 49 确定汽车质心（绝对）加 速度在车辆坐标系的分量ax和 ay。 第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 3.运动学分析 沿Ox轴速度分量的变 化为 50 上式除以t并取极限得 考虑到 很小

15、并忽略二阶微量 同理可得 第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 51 考虑到角较小 4.二自由度汽车动力学分析 第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 52 质心侧偏角 第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 53 由于 整理后得二自由度汽 车运动微分方程式 第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 54 代入运动微分方程式得 1.稳态响应 稳态时r为定值 消去v 第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 二、前轮角阶跃输入下汽车的稳态响应 等速圆周行驶 55 称为稳态横摆角速度增益，也称转向灵敏度。 K稳定性因数。 第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输

16、入的响应 56 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 第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 2.稳态响应的三种类型 57 L 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。 第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 58 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 K0 时，由 横摆角速度增益比中性转向时要小。 第三节 线性二自由度汽车模型