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1、第一章绪论汽车系统动力学的研究内容1.轮胎动力学建立汽车纵向动力学、横向动力学、垂向动力学的运动方程和数学模型，分析汽车的加速性能、制动性能、操纵稳定性和平顺性及性能的评价、主要影响因素和改善，并研究各种控制方法。2. 汽车纵向动力学3. 横向动力学4. 垂向动力学5. 多刚体动力学2009-10-191第四章汽车横向动力学问题的提出：随着科学技术的进步和人民生活水平的提高，消费者对汽车安全性的关注越来越多，如何提高安全性是现代汽车研究的重要课题之一。汽车的安全性主要包括两个方面：主动安全性和被动安全性。事故后安全和生态安全。主动安全性如何通过车辆的设计尽量减少或避免交通事故的发生；被动安全性
2、通过车辆的设计使车辆在发生事故时尽量减小对乘员的伤害。发展趋势电子控制装置应用于汽车，提高了汽车的主动安全性。请看动画吧！22009-10-19第四章汽车横向动力学4.1 汽车转向系统数学模型一、 自由度分析主要内容二、 二自由度汽车模型三、 三自由度模型四、 四自由度汽车模型五、 多自由度汽车模型2009-10-193第四章汽车横向动力学汽车转向系统动力学是研究驾驶员给系统以转向指令后汽车在曲线行驶中的运动学和动力学特性。这一特性影响到汽车操纵的方便性和稳定性，所以也是汽车安全性的重要因素之一。作为系统的输入可以是转向盘上力输入，也可以是角输入，系统的输出是系统的稳态响应和瞬态响应，如图4-
3、1-1所示。2009-10-194第四章汽车横向动力学z一、横向运动自由度分析V直线制动： 转向时： w wp pq qrw&ms ( w p +V ) = Fy&ms (w V q + p) = Fz&I x p ( I y I z )q = M xI z& ( I x I y ) pq = M z2009-10-19&ms (V + w q)= FxVxpqy&ms (V )= Fx&Ix p = Mx&Iz = Mz&ms ( +V ) = Fy&I y q ( I z I x ) p = M y5第四章汽车横向动力学二、两自由度汽车模型(即角位移输入下的响应 )汽车只作平行于路面的平面
4、运动，并考虑了轮胎侧偏特性。假定：1）汽车无垂直方向运动，也无绕y轴和x轴的俯仰和侧倾运动；2）汽车作等速运动，不考虑切向力和空气动力的作用；3）忽略转向系统影响，直接以前轮转角作为输入；4）不考虑左右车轮由于载荷变化引起轮胎特性变化和回正力矩的作用。两轮摩托车模型具有侧向和横摆运动两自由度，则横向运动方程可简化为：2009-10-196第四章汽车横向动力学&ms (V )= Fx&I x p = M xIz& = Mz其中：&ms ( +V ) = Fy&ms ( +V ) = Fy&Iz = MzF = F + F = K + K M = L F L Fyy1y21 1za y1b y22
5、 2前后轮胎侧偏角：1 =La+ 2 = Lb 2009-10-199第四章汽车横向动力学则可得： 2(La K1 Lb K 2 ) + (La K1 L2 K 2 )La K1 = Iz&b&(K1 + K 2 ) + (La K1 Lb K 2 ) K1 = ms ( +&)消除,解方程，则有r u / Lu / L= = S 1+ m ( L1 L2 )u2 1+ Ku22L k2k1m L1 L2其中: K =( )2L k 2 k12009-10-19考虑整车，其侧偏角应如何得到？稳定性因数10第四章汽车横向动力学Y Y11 1B2VB1uLbLa12 2X Xu1 = u2 = u
6、1 = + a2 = b2009-10-19Bu11 = u1 1 2B1u12 = u1 +2 11 = 12 = 1u 21 = u 2u 22 21B22B2= u 2 +2= 22 = 211第四章汽车横向动力学三、三自由度模型当汽车不是匀速前进时，则x方向会有运动， 如加速或减速情况下的转向运动，其运动方程为：&ms (V )= Fx&I x p = M xI z& = M z&ms ( + V ) = Fy&ms (V )= FxIz& = Mz&ms ( +V ) = Fy2009-10-1912第四章汽车横向动力学四、四自由度模型为了研究转向系及悬架性能对汽车操纵运动的影响，可
7、以在线性二自由度模型基础上增加两个自由度：前轮绕主销转向角和车身侧倾角。侧向速度和目的是：横摆角速度 计入前轮绕主销运动的惯性及阻尼，以及转向系的综合刚度； 计入悬架弹性、阻尼以及前、后轴侧倾转向效应的影响。前轮摆振假设 在二自由度模型假设前三条基础上，还有如下两点： 忽略转向轮绕主销转动与整车运动及自身滚动间的藕合效应，忽略转向盘至转向轮之间传动部件的惯性及阻尼； 认为侧倾轴近似处于水平位置，悬架弹性处于线性范围。2009-10-19怎样确定的？实际上呢？为什么？13第四章汽车横向动力学&m s ( + V ) =&I x p =I z这样可以得到一个四自由度线性系统，以转向盘转角 为输入，
8、以横摆角速度 r r 、重心处侧偏角 、车身侧倾角 及前轮转向角 SW为输出。&mV(r + ) MS hp = Y1 +Y2&IZ r + IXZ p = (a 1)Y1 (b 2 )Y2&Iw +CW = CS ( M& = M FyxzI w & + C W & = C S ( SW ) Y1 1i izr&IX p + IXZr MS hV(r + ) = (Df + Dr ) p (C1 + C2 MS gh)wSWi) Y11paY1 = k1( + r Er)VbY2 = k2 ( r Er)V& = pVxqy14第四章MMS汽车横向动力学整车质量悬架上质量前轮侧偏刚度后轮侧偏
9、刚度前悬架弹簧侧倾刚度后悬架弹簧侧倾刚度IXI ZIXZ悬架上质量对车辆坐标系X轴的转动惯量整车绕车辆坐标系Z轴的转动惯量悬架上质量对车辆坐标系X轴、Z轴的惯性积k1k k2 2C1IWh112E f两转向轮绕各自主销转动惯量之和悬架上质量质心至侧倾轴距离前轮侧向力对主销轴的力臂前轮轮胎拖距后轮轮胎拖距前悬架侧倾转向系数后悬架侧倾转向系数转向轮绕主销的阻尼系数转向系传动比15C 2CS转向系综合刚度前轮侧向力后轮侧向力车身侧倾角速度后悬架侧倾阻尼系数前悬架侧倾阻尼系数Y1Y2pDfErCWDri2009-10-19第四章汽车横向动力学五、 多自由度汽车模型空间的任意一刚体，都有六个自由度。因此
10、，整个汽车共有30个自由度 (注：只按车身和四个车轮) 。汽车本身的特性，除前面列举的以外，还有如轮胎侧偏特性对轮荷的依赖性，及对驱动力、制动力的依赖性，车轮的非稳态特性，悬架机构的几何关系的非线性，车身的空气动力学特性，欲分析这些特性对汽车运动的影响，必须建立多自由度的非线性的汽车模型。对这种多自由度汽车模型的利用，只有依靠计算机进行数值分析，因此这种分析就不能像简单模型的理论分析那样，能得到普遍适用的结论，而必须针对具体车型而给出有针对性的个别适用的结论。2009-10-1916第四章汽车横向动力学下面我们了解一下汽车操纵稳定性几种试验及其评价指标，该试验借助ADAMS软件仿真完成。汽车时
11、域响应分为稳态响应和瞬态响应。？r1T1.05 r0r (t )r1 100 % 超调量r0r00.95 r0反应时间2009-10-19 滞后时间 稳定时间t17第四章汽车横向动力学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。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。稳态转向特性：不足转向、中性转向、过度转向。转向盘保持一个固定转角不变，缓慢加速或以不同车速等速行驶时，不足转向的汽车转向半径逐渐增大，中性转向的汽车转向半
12、径不变，而过度转向的汽车转向半径逐渐减小。2009-10-1918第四章汽车横向动力学半径为1520m1. 稳态回转评价指标：中性转向点的侧向加速度、不足转向度和车厢侧倾度。 中性转向点的侧向加速度前、后桥侧偏角差与侧向加速度关系曲线上，斜率为零处的侧向加速度。 不足转向度前、后桥侧偏角差与侧向加速度关系曲线上侧向加速度值为2m/s2处的平均斜率。 车厢侧倾度车厢侧倾角与侧向加速度关系曲线上侧向加速度值为2m/s2处的平均斜度。2009-10-1919第四章汽车横向动力学2009-10-1920第四章汽车横向动力学2. 转向回正有低速回正试验和高速回正性（最高车速超过100km/h的汽车）试验
13、。按左、右转向两个方向进行。评价指标：松开方向盘3s时残余横摆角速度绝对值及横摆角速度总方差。2009-10-1921第四章汽车横向动力学3. 转向轻便性评价指标：松转向盘平均操舵力与转向盘最大操舵力。2009-10-1922第四章汽车横向动力学4. 单移线2009-10-1923第四章汽车横向动力学5.双移线2009-10-1924第四章汽车横向动力学6. 角阶跃输入侧向加速度2009-10-19横摆角速度25第四章汽车横向动力学7. 角阶跃输入（翻车）8. 蛇行2009-10-1926第四章汽车横向动力学4.2 存在驱动或制动时的汽车的转向运动主要内容一、驱动或制动时的汽车的力学模型及运动
14、方程式二、驱动或制动时的转向特性2009-10-1927第四章汽车横向动力学一、 驱动或制动时的汽车的力学模型及运动方程式建立汽车在驱动或制动时的转向运动模型，通常在如下两个前提条件下进行：整车质心高于轮胎接地面；轮胎与地面间的切向力可在零与附着极限之间整个范围内变化，轮荷和纵向力的变化将引起轮胎侧偏特性的变化。2009-10-1928第四章汽车横向动力学2009-10-1929第四章汽车横向动力学考虑车身六个运动自由度的模型简图，整车的六个运动方程为：du v v r r ) ) =dtdtdvdv+ u u r r ) ) =m m ( (dtdtdwdwm m s s+ mg mg =d
15、tdtm m ( (F FF FF Fxi xiyi yizi zidpdpdrdrdvdv Ixz ms ( + ru) hs = (Fy1 + Fy2 ) hf + (Fy3 + Fy4 ) hrdtdtdtdtdtdtb bf fb b+ (Fz1 Fz2 ) + (Fz3 Fz4 ) r2 22 2dqdqduduI y + ms ( v r ) hs = (Fz1 + Fz2 ) l f + (Fz3 + Fz4 ) lr Fxi hRCdtdtdtdtdrdrdpdpIz I xz = (Fy1 + Fy2 ) l f (Fy3 + Fy4 ) lrdtdtdtdtb bf fb
16、b+ (Fx2 Fx1 ) + (Fx4 Fx3 ) r + Mzi2 22 2I Ix x 2009-10-1930第四章汽车横向动力学二、驱动或制动时的转向特性汽车的不足过度转向特性取决于很多因素，但轮胎的侧偏特性是最主要的。而轮胎的侧偏特性又受车轮上纵向力和垂直负荷的影响。由轮胎侧偏特性理论可知，同一侧向力，当轮荷较大时对应的侧偏角较小，当纵向力较大时对应的侧偏角较大。注意：当汽车进行驱动或制动时，不但使各轮上纵向力发生变化，也通过轮荷移动使各轮上的垂直负荷发生变化。因此，在分析驱动或制动时汽车的不足过度转向特性时，必须考虑纵向力和垂直负荷这两部分影响的综合效果。在湿路面上，由于轮荷转移
17、较小，轮胎接地状态离附着极限很近，因此纵向力的影响有决定性意义。2009-10-1931第四章汽车横向动力学（1） 只考虑纵向力的影响当前轮的驱动力或制动力分配较大时，同一侧加速度即前后轮侧向力不变的情况下，前轮侧偏角增大而后轮侧偏角减小，从而增加不足转向的倾向；当后轮的驱动力或制动力分配较大时，后轮侧偏角增大而前轮侧偏角减小，因而减小不足转向的倾向。（2）悬架的侧倾转向效应正常圆周行驶情况下，后轮具有不足转向倾向的设计，在转弯制动工况下反而有过度转向倾向。这是因为后悬架的变形在制动时与正常圆周行驶时不同，制动时由于车身前倾使后悬架大幅度伸张的缘故。2009-10-1932第四章汽车横向动力学
18、4.3 驾驶员-汽车闭环操纵系统2009-10-1933第四章汽车横向动力学问题的提出车辆的行驶实际上驾驶员一直是参与的（无人驾驶车除外），而前两节介绍的汽车的横向动力学特性，都没有考虑人这一重要因素的影响。称之为开环系统。本节将讨论包括驾驶员在内的闭环系统。路面条件驾驶员侧风路面不平汽车运动交通状况驾驶员的手脚气候汽车（横摆、侧倾.2009-10-1934第四章汽车横向动力学主要内容一、汽车操纵系统（开环系统）的传递特性二、驾驶员 汽车闭环操纵系统传递特性2009-10-1935第四章汽车横向动力学当考虑驾驶员的影响后，则需建立一种驾驶员 - 汽车闭环操纵系统的模型以便对曲线运动时汽车动力学
19、进行更深入和全面的研究，这种系统的框图如图。2009-10-1936第四章汽车横向动力学一、汽车操纵系统（开环系统）的传递特性在此系统中转向盘上转角是系统输入，汽车轨迹（用曲率半y径的倒数或汽车横向加速度 & )是系统输出。L根据转向系统的几何关系，有下列关系：L / R = tg 而 = sw / iR1/ R= / L=sw / il若考虑车速的影响，则可用汽车横向加速度作为输出o& = / R = / L = swy22 2iL图4-3-2如用方块图表示，则如图4-3-2所示.2009-10-1937第四章汽车横向动力学二、驾驶员 汽车闭环操纵系统传递特性建立此模型时，假定：1）驾驶员反
20、应迅速，不考虑反应滞后时间；2）驾驶员目光集中于前方一点A，而不是一段路，故称为单点预瞄；3）汽车轨迹曲率与转向盘转角关系，不考虑侧偏角的影响系统的输入、输出是什么？Af (t + T )T T2009-10-19-驾驶员前视点的理想横向坐标-前视时间,为 T T=d d/ /v v图4-3-338第四章汽车横向动力学曲率为1/R的轨迹y横向加速度 &(t )驾驶员选择一个转向盘角度 sw这样经过时间T后，汽车横向位移可用等加速度运动方程式表示：1 1&y(t +T ) y(t) = y(t)T + &(t)T 2y y2 2我们希望驾驶员选择的轨迹曲率1/R*最佳，使得汽车走过距离d后，其横
21、向位置与 f (t +T)一致，即: y(t +T)= f (t +T)222&= /R=/L=swy1 12 2&f (t + T ) y(t ) = yT + &Ty yiL则有2 2最佳横向加速度为: :2 2& (t ) =y yT T 2 2& f (t + T ) y (t ) y (t )T sw =iL2&y* *由此可得最佳转向角表达式为： sw sw =2 2iL iL& f (t + T ) y(t ) T y(t )d d 2 22009-10-1939第四章汽车横向动力学2T T 2 2& f (t + T ) y (t ) y (t )T & (t ) =y y1/
22、 R = / L = sw / il22 2 iL = 2d 2iL T2009-10-1940第四章汽车横向动力学1(T2S2 / 2)+TS+1这是一个具有超前时间T 的二阶系统，上式可改写为:Y Y (S SF F (S S) =)e eS S2 2TSTST T 2 2/ /2 2+2 22 2S S +T TT T 2 2Y (S )1 / M= 2 2F (S ) S + (C / M )S + K / M其固有频率: :其阻尼比: = 2 / T 2 = 1.414/ T =2 /2 / T T2 2 /2 2 / T T2 2= 0 .707假设输入为一阶跃函数，求系统的响应1
23、 1阶跃函数f(t)的拉氏变换为： F F (S S ) = S S2009-10-1941第四章汽车横向动力学TS函数 e e 可按泰勒级数展开e eTSTST T 2 2 2 2 T T 3 3 3 3S S +S S + L= 1 + TS +2 2t t 2 1 + TS + S 2 / 2eTS / T 2 / 2=Y (S ) = F (S ) 22 2S + (2S / T )+ 2 / TS S 2 + 2 S + 2()()拉氏逆变换得系统的响应如下：y(t) = L1 Y (S)= 1+ e t1 11 1 2 2sin 1 2 t 结论在不考虑驾驶员反应滞后的前提下，前视
24、时间越短，追随性能越好。2009-10-1942第四章汽车横向动力学2考虑驾驶员反应滞后的闭环模型* *td，则图4-3-4中 w与 w 之间的理如驾驶员反应滞后时间为想环节“I”被 etdS所代替，系统的方块图应为图4-3-8所示。etd s图4-3-4图4-3-92009-10-1943第四章汽车横向动力学此系统的传递函数为:Y (S )e eTSTS=F (S ) 1+ TS + T 2 S 2etd S / 2图4-3-10在低频域内，ed 可用下式表示： e t S 1 +t sd dY (S )= e eTSTSF (S )t t1 1 d d S S2 2td T TT T 2
25、22 21 1 + T T S S + (T T t td d )S S +t td d S S 3 32 2 2 24 4td t tS / 1 d S 2 2 此系统的特征方程式的形式为:A3 S3 + A2 S2 + A1S1 + 1 = 0其中:tdTT2A1 = T ， A2 = (T td ), A3 = td224442009-10-19第四章汽车横向动力学应用劳斯稳定性数据，稳定性条件为：（1）A A1 1必须大于零，则T；（2）A2 必须大于零，则T td ；（3）A1A2 A3 ，则T1.7070 td当 t t=0.4s，T=0.4，0.5s时，不满足条件3产生的振荡发散
26、情形。t t d d2 2结论由此可见，当考虑驾驶员反应滞后时，前视时间不能太短。图4-3-114-3-112009-10-1945第四章汽车横向动力学4.4 全轮转向特性问题的提出随着车辆行驶速度的不断提高，交通事故愈发频繁，其行驶稳定性成为汽车设计师的重要研究方向之一。电子技术的发展及其在汽车领域应用的不断拓展，汽车的性能不再只靠单一的机械结构的优化设计来实现，电子控制技术对汽车性能的改善起到了非常关键的作用。全轮转向便是其一。2009-10-1946第四章汽车横向动力学主要内容一、概述二、全轮转向运动学三、操纵稳定性的主动控制2009-10-1947第四章汽车横向动力学一、概述全轮转向的
27、含义是在转向时，除前轮转向外，再附加后轮转向，这种附加后轮转向角是有限的，与前轮转向角有一定比例关系，其主要目的是改善整车的转向特性和响应特性。把后轮与前轮同相位转向，可以减小车辆转向时的旋转运动（横摆），改善高速行驶的稳定性。 把后轮与前轮逆相位转向，能够改善车辆中低速行驶的操纵性，提高快速转向性。通常所说的4WS便是（对双轴车来说）。2009-10-1948第四章汽车横向动力学二、全轮转向运动学后轮附加转向既可以同向也可以反向，为了统一表达这一关系，引入转向角比这一概念，用符号 K KL L 来表示，它定义为后转向角与前转向角之比，即：KL = h /v式中：v、 h 分别表示前后轮的转角
28、前轮转向，后轮不转向时,KL = 0前轮转向，后轮同向转向时，KL 0前轮转向，后轮反向转向时，KL 0K KL L 可以是一个常数，也可以根据一定的转向规律随各种行驶参数而变。2009-10-1949第四章汽车横向动力学1. 全轮转向对汽车性能的影响 对转弯半径的影响若前轮转向角保持不变，附加后轮转角后，将使转弯半径发生变化，改变后的转弯半径与 KL 值有关纯前轮转向时，其转弯半径R为:ctg v = R / L或R =L cosv L (v较小时)sin vv图4-4-3因后轮附加转向而改变的转弯半径R*计算附加后轮转向后的转弯半径为R*，即：LcosvLR =sinv (1 KL ) v
29、 (1 KL )*2009-10-1950第四章汽车横向动力学 对转向传动比影响纯前轮转向时，传动比hiav =viav为：而全轮转向时传动比 ia 为：ia =ihh= avv h v(1KL) (1KL)2009-10-1951第四章汽车横向动力学 全轮转向时稳态特性，非稳态转向特性汽车以车轮阶跃角输入，其响应为等速圆周运动，前轮转向时，其稳态横摆角速度增益即：& / L= 1+ K 2对转向盘转角而言为：h / iav&= / L1+ K2全轮转向时，由于附加后轮转角，因而改变了由转向盘到转向前轮的传动比，其稳态横摆速度增益即：1( / L )(1 K L ) / Lia&= h1 +
30、K 2iav 1 + K 2()522009-10-19第四章汽车横向动力学 全轮转向时稳态特性，非稳态转向特性后轮反向时，前轮与后轮上的侧向力绕质心产生相同转动方向，由此产生了强烈的横摆角速度，而同向转向时横摆角速度就小，而在质心上的横向力则大。2009-10-1953第四章2.汽车横向动力学全轮转向的原理共有四种形式 前轮转角 车速感应型为了把前轮转角传给后轮，在前轮齿轮齿条式转向器的齿条轴上，安装了后轮转向齿轮，其角位移，通过中间传动轴，传给后轮转向器。后轮具有小转角同向转向，大转角逆向转向的功能。在微小转向的高速行驶时，形成了同向转向，获得了行驶稳定性，在大转角转向的极低速行驶时，变成
31、逆向转向，获得了小半径转向性能。2009-10-1954第四章汽车横向动力学 前轮转角 感应型在该系统中，从油泵出来的油液直接流入电磁阀，车速传感器，转角传感器分别将车速和前轮转角信号输入计算机。按计算机指令，控制油液流入后轮执行机构。如下图2009-10-1955第四章汽车横向动力学 前轮转角比例车速感应型在动力传至后轮转向轴之前，与前者基本相同，但后轮的执行机构由相位控制部分和动力补助部分构成。动力补助部分以油压为动力，由后轮滑阀和动力缸构成。相位控制部分能实现对后轮同相位或逆相位的控制。 横向加速度 车速感应型其结构是在前轮的动力转向器上，再安装一个后轮专用的控制阀，产生一个大致与横向加
32、速度成比例的，与前轮转向器阻力相平衡的油压，把该压力的油液送到后轮执行机构。 在执行机构中，装入高刚性弹簧，当与送来的油压达到平衡状态时，输出杆便产生位移，从而带动后轮开始转向。如下图2009-10-1956第四章汽车横向动力学2009-10-1957第四章汽车横向动力学3. 数学模型四轮转向车辆的理论研究通常采用线性二自由度汽车模型，如图4-4-7所示，其运行方程如下：&ms ( +V ) = Fy =Fy1 + Fy2 = kf f + krr&Iz = Mz = lf Fy1 lr Fy2f =Qlf V+f r = lr Vvlrlrr = (f ) = fVV图4-4-74WS车二自
33、由度模型mVS +2(kf +kr )r 1 1 kf f mV+2(lf kf )/V = 222 lf lr kr r 2(lf kf lrkr )Iz S +2(lf kf +lr kr )/V2009-10-1958第四章汽车横向动力学看书P83854. 四轮转向的目的: 由于0k1时，侧向加速度及横摆角速度的稳态增益均比前轮转向汽车下降1-k倍，不足转向量增大。高速时后轮与前轮具有同向转角的4WS车具有更好的稳定性； 减小低速时的转弯半径，提高转弯的灵活性； 减小各种外部干扰对驾驶员驾驶操作的影响。过多转向汽车，只要极小的外界干扰系统就会失去稳定性2009-10-1959第四章汽车横
34、向动力学举例1 1 菱形车转向分析L2L1a 1.565b=0.175vyvx VF1X车辆连体坐标系的运动微分方程式为:F3c =1.625&F cosf + F2 + F3 cosr = may = m(vy +vxr )1&aF cosf +bF cF cosr = Izr123当考虑到 f 和 r 不大时，上面的微分方程可简化为：r&F1 + F2 + F3 = m (v y + vx r )& aF1 + bF2 cF3 = I z rY图6-2-6-2-6 考虑侧偏角的二自由度模型2009-10-1960第四章汽车横向动力学当 足够小时，可近似地认为: = arctg (v y v
35、 x ) v y v xvxv1 vy + arvx&vy vrv&ay = vy + vxr v( +r )cr vy同时，在各轮上的汽车速度方向和侧偏角也可近似表示： +a,3 1 =1 f +arvf ,vxvvy +r +b r2 =vxv +cr3 = (3 r ) crv+r2009-10-1961第四章汽车横向动力学代入并整理运动微分方程式后,得:aK +bK2 cK3KK & K1 + K2 + K3 =1)r 1 f + 4 r+ +( 1mvmv2mvmvaK1 + bK2 cK3a2K1 + b2K2 + c2K4aKcK&r = +r 1 f 4 rIzIzvIzIz选
36、取状态变量和输出变量x = r y = r TTu = f ,rT用状态方程表示为:&X = AX + BUY = CX + DU2009-10-1962第四章汽车横向动力学aK1 + bK 2 cK31mv 2a 2 K1 + b2 K 2 + c2 K3 I z v K1 + K 2 + K3mvA = aK1 + bK 2 cK3I z K1 mvB = aK 1IzK3 mv cK3 Iz &取为-0.05，0.05，取-0.005，-0.005，取-0.1，0.1。1C = 00 1 0 0D = 0 0dr2009-10-1963第四章汽车横向动力学仿真中各参数取值如下：m = 1
37、100kgI z = 1600kg m2L1 = 1 .390 mL2 = 1.800 mL2F3c =1.625L1a 1.565b=0.175vyvx VF1Xa = 1.565mb = 0.175mrc = 1.625 mK1 = 32000N / radK2 = 45000 2 = 90000N / radY图6-2-6-2-6 考虑侧偏角的二自由度模型K3 = 32000N / rad2009-10-1964第四章汽车横向动力学Simulink方块图2009-10-1965第四章汽车横向动力学前后轮角输入,汽车质心侧偏角响应仿真曲线实线施加控制虚线不加控制2009-10-1966第四
38、章汽车横向动力学前后轮角输入,汽车横摆角速度响应仿真曲线实线施加控制虚线不加控制2009-10-1967第四章汽车横向动力学不加控制时的横摆角速度-前轮转角-车速的三维关系曲面图2009-10-19加控制时的横摆角速度-前轮转角-车速的三维关系曲面图68第四章汽车横向动力学影响因素分析我们都知道影响汽车转向瞬态响应有很多因素，比如:各个车胎的侧偏刚度，质心位置，轴距，转动惯量等。 通过仿真发现，对类菱形新概念车来说，有些因素的影响甚微，有些影响很大，因此，我们可以忽略那些影响小的因素，而主要考虑那些重要的问题。 整车的质心位置结论汽车质心如在轴之后将不利于减小质心侧偏角。【新概念车质心在中轴之
39、后0.175m处】2009-10-1969第四章汽车横向动力学 中轴本身的位置前轴到中轴的距离值的大小也对操纵稳定性有很大影响。结论前轴越接近中轴汽车的转向性能越好。因为这样能弥补因质心后置而带来的操纵稳定性的降低。2009-10-1970第四章汽车横向动力学听一听三、 操纵稳定性的主动控制近年来，随着电子、液压与传感技术的发展，人们已有可能控制汽车在驱动、制动或转弯时的轮胎力和空气力，或改变转向系与悬架系等汽车系统内部的固有特性，从而直接或间接地改变汽车在驾驶员转向操纵或其他干扰作用的操纵稳定性。其中有代表性的例子如下：1. ABS2. ASR3. 4WS( Antilock Braking
40、 System )( Anti-slip Regulation )( Four Wheel Steering )4. ARC ( Active Roll Control )5. VDC ( Vehicle Dynamics Control )听一听2009-10-1971第四章汽车横向动力学控制轮胎的制动力，可以防止制动车轮抱死及制动稳控制轮胎的驱动人力，可以避免驱动车轮滑转，控制四个车轮上纵向的有无、大小、方向及分1. ABS2. ASR3. 4WS定性的更丧失。提高驱效能和安全性。配，可以保证车辆在各种运动工况下的稳定性并提高操纵性能。4. ARC主动改变是悬架的抗侧倾特性，可以保证车身的
41、正常姿势，并间接地改善汽车的转弯性能。5. VDC控制轮胎的侧向力，可以改善汽车转向操纵性能并提高抗侧向干扰能力。6. ESP电子稳定性控制系统。2009-10-1972第四章汽车横向动力学2009-10-1973第四章汽车横向动力学1. 主动侧倾控制(ARC)汽车在转弯、路面不平或侧风干扰时车身会发生侧倾，侧倾会改变车身的姿势，影响驾驶员的视觉和乘员的舒适性，并导致车轮定位参数发生变化，引起车轮侧倾转向及侧倾外倾(或内倾)，相伴的轮荷转移干扰轮胎的侧偏特性，从而影响着汽车的操纵稳定性。主动悬架可以对车身的上下振动、前后俯仰及左右侧倾三个运动自由度加以控制，这里把主动悬架的功能之一即对侧倾的控
42、制称为主动侧倾控制(通常只要求低频响应)。2009-10-1974第四章汽车横向动力学对于被动悬架，车身侧倾运动方程为：I z p + I xz r + ( D f + Dr ) p + (C 1 + C 2 ) = M s hV ( r + ) + M s gh 对于主动悬架，车身倾运动方程将变为：I z p + I xz r + ( D f + Dr ) p + (C 1 + C 2 ) = M s hV ( r + ) + M s gh M M 代表由力发生器作用在车身的绕侧倾轴的力矩。不同的力控制信号将产生不同的控制力矩。例如：当 M 与侧向惯性力成比例时有：M = aMs V(r +
43、 )式中 为常数， 的大小及在前后轴的分配比例都将对汽车的稳态和瞬态转向特性产生影响。注意：主动侧倾控制也属于第五章 垂向动力学的主动悬架部分。2009-10-1975第四章汽车横向动力学与前面讲述的有目的不同了2. 汽车动力学控制(VDC)汽车动力学控制(VDC)系统是一种新型主动安全控制系统，它安装在车辆的制动系和动力传动系内，利用车辆力学状态变量反馈来调节各轮上纵向力的大小及匹配，从而可以使车辆获得优良的操纵稳定性。ABS和ASR的控制对象是车轮，而VDC的控制对象不仅仅是车轮，它扩展到整个车辆系统；VDC所处理的工况也不局限于ABS和ASR工作的场合，还延伸到车轮自由滚动和部分制动时车
44、辆状态进入临界范围的工况。因此，VDC是一种更为先进的主动安全控制系统。2009-10-1976第四章输入汽车横向动力学VDC系统利用车辆的横摆角速度和重心处侧偏角来表征车辆的运动状态，通过单轨线性模型计算出在给定驾驶员操纵指令(指向盘转角、发动机矩和制动压力)下的横摆角速度和侧偏角，并以此作为车辆状态的规范值，通过控制各轮上纵向力的大小及分配， 输出使车辆的实际状态与规范状态的差别限定在给定范围之内。除了ABS和ASR的优点之外，VDC还在以下几方面改善主动驾驶安全性：a. 即使在临界的侧向动态状况也能提供给驾驶员一种主动的支持。b. 在所有工作模式达到极限状态时也可增强车辆的操纵稳定性和行
45、驶能力。c. 即使在极端的转向操作中，也可增强车辆的稳定性，使滑溜的危险迅速减少。d. 改善车辆的驱动能力并缩短制动距离。2009-10-1977第四章汽车横向动力学2009-10-1978第四章汽车横向动力学VDC对车辆性能的影响请看动画吧！2009-10-1979第四章汽车横向动力学电子稳定控制2009-10-1980第四章汽车横向动力学补充：驾驶模拟器介绍1.基本情况2.研究内容3.二次开发总体方案4.开发流程V模式2009-10-1981第四章汽车横向动力学美国IOWA大学的最新驾驶模拟器2009-10-1982第四章汽车横向动力学2009-10-1983第四章汽车横向动力学2009-
46、10-1984第四章汽车横向动力学研究内容ECU控制逻辑的研究ECU硬件制作ECU性能评价ECU车型匹配研究2009-10-1985第四章汽车横向动力学ABS/ASR/ESP硬件系统小型驾驶模拟器硬件（hardware）制动管路与制动器液压调节器制动压力生成系统物理连接视景生成系统视景显示系统物理连接驾驶驾驶数据采集与控制软件（software）执行机构模型试验台主控制程序实时车辆动力学模型汽车仪表显示员操员逻辑连接逻辑连接驾驶模拟器系统计算机（2台）试验数据记录系统驾驶员操作信号数据采集操控制逻辑作界面作界面ECU开发接口硬件系统计算机待开发的ECU及其开发系统 | 显示器、鼠标、键盘开2009-10-19发界面86第四章汽车横向动力学开发总体方案（试验台）2009-10-1987第四章汽车横向动力学开发流程V模式2009-10-1988第四章汽车横向动力学2009-10-1989第四章汽车横向动力学2009-10-1990第四章汽车横向动力学讨论、思考题、作业：1.与普通的前轮转向系统相比，四轮转向系统有什么优点？（思考）2.操纵稳定性的主动控制的方式有哪些？各有什么优缺点？（查资料）3.为什么要设计车辆动力学控制系统？它对提高汽车的性能主要表现在哪些方面？2009-10-1991第四章汽车横向动力学2009-10-1992
