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1、,第五章,汽车操纵稳定性,Manoeuverability,handling and stability performance,5 汽车操纵稳定性,5.1 概 述5.2 轮胎侧偏特性5.3 线性二自由度汽车模型对前轮角输入响应5.4 汽车操纵稳定性与悬架、转向系的关系,5.1 概述,5.1 概述,5.1 概述,驾驶员 输入：角输入、力输入 汽车 响应：时域响应、频域响应,干扰,driver,vehicle,disturb,response,5.1 概述,5.1 概述,2 车辆坐标系及时域响应,Vehicle-fixed coordinate system,5.1 概述,汽车时域响应分为稳态响
2、应和瞬态响应。Steady and transient state response转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应：等速直线行驶，急剧转动转向盘，然后维持转角不变，即对汽车施以转向盘角阶跃输入，汽车经短暂的过渡过程后进入等速圆周行驶工况。Steering wheel angle step input转向盘角阶跃输入下的瞬态响应：等速直线行驶和等速圆周行驶两个稳态运动之间的过渡过程所对应的瞬间运动响应。,5.1 概述,稳态转向特性： 不足转向(US)、中性转向(NS)、过度转向(OS)汽车运动的轨迹特征或表现现象:转向盘保持一个固定转角不变，缓慢加速或以各种车速等速行驶时，US汽车转向半径逐渐
3、增大，NS汽车转向半径不变，而OS汽车转向半径逐渐减小。,5.1 概述,Steady state steering characteristics,Understeering,Neutral steering,Oversteering,输入 汽车 响应,sw=steering wheel,Neutral steering,Over steering,Understeering,5.1 概述,汽车瞬时速度矢量,5.1 概述,转向盘角阶跃输入下的瞬态响应,汽车时域响应是一种把汽车作为开环控制系统的控制特性。实际驾驶员汽车系统是一个闭环控制系统：在汽车行驶过程中，驾驶员根据实际需要(输入参数)，通过
4、眼、手及身体感知的汽车运动状况(输出参数)，经过头脑的分析、判断（反馈），修正其对转向盘的操纵。如此不断地反复循环，操纵汽车行驶前进。,Driver-vehicle closed loop system,5.1 概述,偏载,路面不平,侧风,汽车运动 横摆、侧倾,主观评价法: 凭借主观感觉的评价,最终决定权,3. 评价方法 客观评价法：用测试仪器测取汽车的物理参数,Steady state response,5.1 概述,转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应,包括:,Transient state response,5.1 概述,转向盘角阶跃输入下的瞬态响应：,横摆角速度频率响应特性： 共振频率f、
5、1Hz时的相位滞后角、汽车因数,侧偏特性：侧偏力、回正力矩与侧偏角的关系,1 轮胎坐标系,5.2 轮胎侧偏特性,Tire -fixed coordinate system,Camber angle,Side slip angle,Tilting torque,Self aligning angle,Rolling resistance torque,轮胎坐标系,概念,rigid wheel,Lateral stiffness,2 侧偏现象、侧偏力和侧偏角,elastic tire,最大侧偏力的影响因素,附着条件 及垂直载荷FZ 轮胎胎面花纹、材料、结构、充气压力 路面材料、结构、干湿 车轮外倾
6、角,3.侧偏特性与轮胎结构、工作条件,尺寸r的轮胎 k 子午线轮胎接地面宽 k 钢丝比尼龙轮胎k大 扁平率：轮胎断面高度与宽度比(H/B),k； 在一定范围内，载荷(FZ) ，k。但载荷W ，k 轮胎充气压力pa， k 行驶车速ua对k影响较小 潮湿特别在积水时，k,k=slip stiffness,宽,窄,轮胎,Tire pressure,Load,adhesive ellipsis,一定侧偏角下，驱动力或制动力增加时，侧偏力逐渐减小，这是由于轮胎侧向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，由于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。,附着椭圆,小
7、侧偏角,小滑转率,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,高速急转,高速急收油门,Tire camber angle,5 轮胎外倾角对侧偏力的作用,内侧,外侧,结论 侧偏力是由侧偏角产生的侧偏力和由侧倾角产生的侧倾力共同作用的结果,忽略转向系的影响，以前轮转角作为输入； 只在地面上做平面运动
8、，忽略悬架作用； 前进(纵轴)速度ua不变，只有沿y轴的侧向速度v和绕z轴的横摆运动r(ay0.4g) ； 驱动力不大，对侧偏特性无影响； 忽略空气阻力； 忽略因载荷变化引起左、右轮胎特性的变化； 忽略回正力矩的变化。,5.3 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,1 线性2DOF汽车模型的运动微分方程,Bicycle model or single track model,Single track model,2DOF with , v,Y向力平衡,对质心取矩,One track model Bicycle model Single track model,2DOF model,2 前轮角
9、阶跃输入下进入的汽车稳态响应:等速圆周运动,2.1 稳态响应的评价指标： 稳态横摆角速度增益或转向灵敏度,steady response,velocity gain,steady yaw velocity,angle step,Stability factor,2 稳态响应的三种类型,过度转向 Over-Steering,不足转向 Under- Steering,中性转向 Neutral-Steering,当汽车以很低的速度和/或很大转向半径行驶时，侧偏角很小，有,Acrermanns Geometry,阿克曼角,阿克曼几何关系,i.e.,L,特征车速,Characteristic veloc
10、ity,临界车速,Critical velocity,过度转向汽车车速达到临界车速时将失去稳定性。因为只要一个很小的转角，横摆角速度增益r/就趋于无穷大。 因为假设纵向速度为优先值，根据纵向速度与角速度的关系可知，汽车转向半径极小。这样，汽车必定发生激转，导致侧滑或侧翻的发生。,过度转向特性的问题,Passenger Car,3.几个描述稳态响应的参数,m: vehicle mass,转向半径比值,Steering sensitivity,L: wheel base,R: curve radius,:cornering angle,r yaw angular velocity,overstee
11、ring,understeering,Neutral steering,Relation:,静态储备系数,静态裕度,static margin,二自由度模型忽略了前、后轴及左、右轮载荷变化、车轮外倾角、悬架导向杆系及悬架变形对轮胎侧偏角的影响。因此，轮胎弹性侧偏角绝对值的大小取决于整车质心位置和轮胎既无外倾角也无载荷变化下的侧偏刚度。,5.4 汽车操纵稳定性与悬架、转向系,roll steer angle compliance steer angle,1 弹性侧偏角:垂直载荷和外倾角变动产生弹性侧偏角. 2 侧倾转向角:侧向力使车厢外倾导致转向杆系运动而产生前轮平面围绕主销的转动. 3 变形转
12、向角:侧向力使车厢外倾导致悬架杆系变形而产生的后轮围绕地面轴线的转动.,1.,车身侧倾轴线：车厢相对地面转动时瞬时轴线。 侧倾中心：侧倾轴线通过车厢在前后轴处横断面的瞬时转动中心。roll center 侧倾中心位置由悬架导向机构所决定。 解析和图解两种方法求侧倾中心。 图解法利用可逆原理。假设车厢不动而地面相对车厢发生转动，求出地面相对车厢的瞬时转动中心。它也是车厢的侧倾中心。,汽车外倾,无侧向力,w. L. Force,inside,outside,Single wishbone independent suspension and body,Om : roll center,Single
13、 wishbone,Double wishbone,Independent suspension,vehicle body,C: Center of gravity,商用车,轿车,solid axle,dependent suspension,semi-ellipsoid plate spring,悬架侧倾角刚度,t - tire s - spring,车身质量,非悬挂质量,S; Sprung U: Unsprung, 车厢侧倾角：车厢在侧向力的作用下绕侧倾轴线的转角。车厢侧倾角是操纵稳定性和汽车平顺性的重要参数，是操纵稳定性的重要评价指标。 侧倾角r 影响汽车r的动态和稳态响应。 r 过大，会使驾驶员感觉不稳定、不安全、不舒服。 r 过小，在不平路面车厢冲击大。 汽车稳态圆周运动时，车厢的侧倾角为,2.车厢侧倾角,(1)悬挂质量离心力引起的侧倾力矩,
