【汽车理论教程】第五章 汽车的操纵稳定性.ppt

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。,7,一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,11,三辆轿车在做蛇形绕桩性能对比测试。,第一节 操纵稳定性概述,12,第一节 操纵稳定性概述,13,汽车在绕桩（转向）时车身总有一定的倾斜,第一节 操纵稳定性概述,14,有些轿车的车身侧倾比较严重,第一节 操纵稳定性概述,15,车身外倾,驾驶舱内倾,设计的理念是驾驶舱永不倾斜,第一节 操纵稳定性概述,16,第一节 操纵稳定性概述,17,一些常见轿车的紧急变线速度,第一节 操纵稳定性概述,操纵稳定性包含的内容,18,第一节 操纵稳定性概述,蛇形绕桩测试（视频）,19,第一节 操纵稳定性概述,蛇形绕桩测试（视频）,20,第一节 操纵稳定性概述,蛇形绕桩测试（视频）,21,第一节 操纵稳定性概述,蛇形绕桩测试（视频）,22,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,23,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,24,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。,25,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,26,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,27,1）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,28,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,29,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,30,下一节,第一节 操纵稳定性概述,本节内容结束,31,下一节,第二节 轮胎的侧偏特性,本节内容结束,32,第五章 汽车的操纵稳定性,本节将首先建立线性二自由度汽车模型，在此基础上，分析汽车的稳态响应特性、瞬态响应特性和频率响应特性。,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,返回目录,33,一、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,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。,34,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,35,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,36,上式除以t并取极限得,考虑到 很小并忽略二阶微量,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,37,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,38,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,39,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,40,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,41,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入的响应,42, 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,43,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,44,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对前轮角输入的响应,45,横摆角速度增益 比中性转向时要大。,由,rr0,u r 汽车具有过多转向特性。,当 k0 时，由,3）过多转向,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,46,当车速为,这意味着很小的前轮转角将产生极大的横摆角速度，汽车将发生激转而侧滑或侧翻。由于过多转向汽车有失去稳定性的危险，汽车应具有适度的不足转向特性。,称为临界车速。临界车速越低，过多转向量越大。,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,47,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,4）汽车的稳态横摆角速度增益曲线,48,如果k 0,由于 k10 , k20,|k1|,|k2|,b,a,不足转向量越大。,奔驰clk跑车：前轮205/55r16，后轮225/50r16。 前205、后225的轮胎组合，使得前轮的侧偏刚度小于后轮， 有利于营造不足转向特性。,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,5）影响稳定性因数 k 的因素,49,1）前、后轮侧偏角绝对值之差1-2,由于ay与fy1/k1（即1）、fy2/k2（即2）符号相反，当1、 2取绝对值时，ay也取绝对值,k0，不足转向,k=0，中性转向,k0，过多转向,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,3.几个表征稳态响应的参数,50,由,当汽车以极低车速行驶时,当 u 提高后，如果,汽车具有不足转向特性,汽车具有过多转向特性,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,51,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,52,思考：如何得到 ？,已知u、r、即可确定 。,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,53,k=0， r/r0=1，汽车具有中性转向特点；,k0， r/r01，汽车具有不足转向特点；,k0， r/r01，汽车具有过多转向特点。,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,2）转向半径的比r/r0,已知,54,转向半径的比值r/r0曲线,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,55,转向半径的比值 r/r0 曲线与稳定性因数k值曲线,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,56,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,57,静态储备系数 s.m.：中性转向点到前轮的距离 与汽车质心到前轴距离 a 之差与轴距l之比。,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,中性转向点：使汽车前、后轮产生相等侧偏角的侧向力作用点。,3）用静态储备系数s.m.来表征汽车稳态响应,58,中性转向,不足转向,过多转向,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,中性转向点,汽车质心,59,由式（2）得,二自由度汽车运动微分方程式,三、前轮角阶跃输入下的瞬态响应,1. 前轮角阶跃输入下横摆角速度的瞬态响应,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,（1）,（2）,60,代入式（1）得,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,求导后得,61,式中,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,将上式写成以r为变量的形式,62,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,将上式写成以r为变量的形式,式中,阻尼比。,63,当t 0时,这是二阶常系数非齐次微分方程,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,前轮角阶跃输入的数学表达式为,64,即稳态横摆角速度,对应的齐次方程为,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,其特解为,65,根据的数值，特征方程的根为,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,其通解可由如下特征方程求得,齐次方程的根为,66,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应, 1，称为大阻尼，r（t）单调上升；r（t）趋于r0 ，但当u ，r趋于无穷大； =1，称为临界阻尼， r（t）单调上升趋于r 0； 1，称为小阻尼， r（t）是一条收敛于r 0的减幅正弦曲线。,当1时,67,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,由运动起始条件确定积分常数c、a1、a2,68,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,69,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,70,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,71,0值应高一些为好。,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,表征响应品质好坏的4个瞬态响应的参数,（1）横摆角速度r波动的固有（圆）频率0,72,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,（2）阻尼比,73,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,（3）反应时间,74,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,（4）达到第一个峰值r1的时间,75,当1时，只要 为正值，就收敛，否则发散而不稳定。,k1、k2为负值， 恒为正值。,当1时，齐次微分方程的解均收敛而趋于0。,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,2.稳态响应的稳定条件,76,应为负值才收敛，即 应为正值。,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,当1时，特征根必须为负值，齐次微分方程的解才收敛趋于0。,的第一项为正,的第一项为负,不足转向时,过多转向时,77,当u 以后， ，汽车不稳定, 的第二项恒为正，当车速很低时，它是很大的值，均为正值，r（t）收敛，汽车稳定； 随着车速的增加， 第二项越来越小； 当汽车为过多转向，且 为负值时， 就可能为负值，r（t）发散，汽车不稳定。,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,的车速称为临界车速,78,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,四、横摆角速度频率响应特性,一个线性系统，当输入为一正弦函数，达到稳定状态时的输出也为具有相同频率的正弦函数，但两者的幅值不同，相位也要发生变化。 输出、输入的幅值比是频率 f 的函数，称为幅频特性。 相位差也是 f 的函数，称为相频特性。 两者统称为频率特性。,79,对上式进行傅里叶变换，得,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,频率响应函数为,的傅里叶变换；,的傅里叶变换。,80,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,幅频特性为,相频特性为,81,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,82,1）频率为零时的幅值比，即稳态增益（图中以 a 表示）；,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,评价横摆角速度频率响应的五个参数,）共振峰频率 fr ，fr 值越高，操纵稳定性越好；,）共振时的增幅比 b/a，b/a 应小一点；,）f =0.1hz 时的相位滞后角， 这个数值应该接近于零；,） ，f = 0.6hz 时的相位滞后角，其数值应当小些。,83,下一节,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,本节内容结束,84,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,第五章 汽车的操纵稳定性,本节将介绍地面切向反作用力对汽车稳态转向特性的影响，还将介绍利用地面切向反作用力控制转向特性的方法和原理。,返回目录,85,一、地面切向反作用力与“不足过多转向特性”的关系,1）汽车在弯道上以大驱动力加速行驶,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,fz1,汽车有增加不足转向的趋势,加速行驶时,k1,k2,fz2,2,1,86,前驱汽车增大了不足转向趋势,2）ft 对的影响,ft， fy=c，,随着驱动力的增加，维持转向所需的fy 将使。,前驱汽车1 随 ft 增大而增大,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,87,3）前轮受半轴驱动转矩的影响会产生不足变形转向，增加了前驱动汽车不足转向的趋势。,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,88,3）前轮受半轴驱动转矩的影响会产生不足变形转向，增加了前驱动汽车不足转向的趋势。,如果半轴水平,力矩臂为,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,89,汽车在弯道上行驶时，车厢侧倾，外侧车轮的减小，内侧增加。,作用于外侧车轮的 减小，内侧增加。,这两个力矩之差使前轮受到一令转向角变小的力矩。,增加了汽车的不足转向趋势。,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,90,试分析当汽车用发动机制动时，前轮驱动的汽车趋于增加不足转向还是减小不足转向？后轮驱动的汽车呢？为什么？,思考,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,4）随着驱动力的增加，轮胎回正力矩通常也有所增加，这也增加了前轮驱动汽车的不足转向趋势。,91,二、地面切向反作用力控制转向特性的基本概念简介,1.切向力对r的影响,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,92,2.切向力控制方法,1）总切向反作用力控制,abs就是总制动力控制，保证较佳的滑动率，提高制动时汽车的方向稳定性。 tcs 是总驱动力控制，防止出现过大的滑转率，提高驱动时汽车的方向稳定性。,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,93,2）前、后轮间切向力分配比例的控制,图中 f、r前轴、后轴的外侧车轮驱动力与该轴驱动力之比； c前轴驱动力与整车驱动力之比。,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,94,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,ets：日产公司研制了总是保持“中性转向”特性的电子控制前、后驱动力分配系统。,95,3）内、外侧车轮间切向力分配的控制,由二自由度汽车模型可以得到,由于改变内、外侧驱动力分配的比例，与在装有普通差速器的汽车上再施加一定数值的横摆力偶矩是一样的，这种驱动力的控制方式也常称为横摆力偶矩控制。,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,96,即fy1减小，fy2增大；前轮侧偏角减小，后轮侧偏角增大，汽车不足转向量减小。,+fx2,-fx2,fy1,fy2,汽车稳态圆周行驶时,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,fy1,fy2,97,图中 f、r前轴、后轴的外侧车轮驱动力与该轴驱动力 之比 ； c前轴驱动力与整车驱动力之比。,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,98,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,直接横摆力偶矩控制提高弯道加速行驶的机理,99,下一节,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,本节内容结束,100,第五章 汽车的操纵稳定性,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,本节将学习弹性侧偏角、 侧倾转向角和变形转向角等基本概念，分析不同悬架及参数对汽车操纵稳定性的影响，了解改善汽车操纵稳定性的方法。,返回目录,101,1）前、后轴左、右两侧车轮的垂直载荷要发生变化； 2）车轮有外倾角，由于悬架导向杆系的运动及变形，外倾角将随之变化； 3）车轮上有切向反作用力； 4）车身侧倾时悬架变形，悬架导向杆系和转向杆系将产生相应运动及变形。,综上，汽车侧偏角还应该包括以下三个部分： 1）弹性侧偏角（fz变化和的变化引起的侧偏角的变化）； 2）侧倾转向角（车厢侧倾而导致前后轮转角的变化）； 3）变形转向角（悬架导向杆系变形引起的车轮转角的变化）。,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,线性二自由度汽车模型对汽车进行了较多简化，汽车行驶过程中，还应考虑以下因素对轮胎侧偏角的影响。,102,侧倾轴线是侧倾中心的连线。,1）侧倾轴线：车厢相对于地面转动时的瞬时轴线； 2）侧倾中心：侧倾轴线通过前、后轴处横断面上的瞬时转动中心；其位置由悬架导向机构决定，常用图解法确定。,一、车厢侧倾,1.车厢侧倾轴线,想一想：先确定侧倾轴线再确定侧倾中心，还是先确定侧倾中心再确定侧倾轴线？,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,103,1,2,3,4,o24,o13,假定车厢不动，地面和车轮相对车厢转动； 假定车轮与地面间无相对滑动； 对四连杆机构会用到三心定理。,确定侧倾中心时,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,四连杆机构中相对两杆的相对运动瞬心是相邻两杆延长线的交点。,104,om,1）单横臂独立悬架车厢的侧倾中心,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,105,d,g,ol,or,om,2）双横臂独立悬架的侧倾中心,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,106,双横臂独立悬架的等效单横臂悬架,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,107,定义：车厢侧倾时，单位车厢转角下，悬架系统给车厢总的弹性恢复力偶矩：,1）悬架的线刚度,定义：车轮保持在地面上而车厢作垂直运动时，单位车厢位移下，悬架系统给车厢的总弹性恢复力：,2.悬架的侧倾角刚度,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,108,（1）非独立悬架,（2）独立悬架,恢复力,弹性元件,导向杆系约束反力,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,109,m,n,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,110,用虚位移原理确定悬架侧倾角刚度,m,n,ss,st,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,111,用虚位移原理确定悬架侧倾角刚度,m,n,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,112,2）悬架的侧倾角刚度,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,113,r大，水平晃动大， 乘客不稳定，无安全感。,r小， 地面不平时有冲击感。,4.车厢侧倾角及侧倾力矩,操纵稳定性,平顺性,侧倾角改变了外倾角； 侧倾角改变了内外车轮的垂直载荷fz，从而改变侧偏角。,在确定悬架总侧倾角刚度 时，要综合考虑对操纵稳定性和平顺性的影响。,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,r,114,1）悬挂质量的离心力引起的侧倾力矩mr,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,115,2）侧倾后悬挂质量重力引起的侧倾力矩mr,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,116,3）独立悬架中非悬挂质量的离心力引起的侧倾力矩mr,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,117,悬架总侧倾刚度等于 前、后悬架及横向稳定杆的侧倾角刚度之和。,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,118,二、侧倾时垂直载荷在左右轮上的重新分配及其对稳态响应的影响,1.侧倾时垂直载荷在左右轮上的重新分配,工字形车架代表车厢，悬挂质量为ms。 工字形车架分别通过前、后悬架的侧倾中心m01和m02 与前后轴相铰接，同时又通过前后悬架的弹性元件分别与前、后轴相连接。,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,119,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,120,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,121,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,122,车身不侧倾时,车身侧倾后,2.左右轮垂直载荷再分配时轮胎的侧偏刚度,当车身侧倾严重时，是增大还是减小？,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,123,汽车趋于增加不足转向,汽车趋于减少不足转向,用以上结论分析，如何通过改变前后轴左、右侧车轮垂直载荷的变化量来提高汽车的不足转向量？横向稳定杆用在前后悬架对汽车稳态响应特性所起到的作用是否相同？为什么？,思考,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,124,fy,不变,沿fy侧倾,fy,-,-,+,-,减小,增大,三、侧倾外倾侧倾时车轮外倾角的变化,侧倾时的变化有三种可能,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,沿fy相反方向侧倾,125,地面转过r确定车轮相对于车厢外倾角 。,地面回到水平位置确定车厢相对于地面产生侧倾角r时，轮胎外倾角 。,车轮外倾角的确定,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,126,车厢侧倾时不同形式悬架所引起的车轮外倾角的变化,非独立悬架车身侧倾时，前轮外倾角不变。,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,127,车厢侧倾时不同形式悬架所引起的车轮外倾角的变化,双横臂悬架前轮外倾角与地面侧向力方向相反，有增大侧偏角（绝对值）的作用。,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,128,车厢侧倾时不同形式悬架所引起的车轮外倾角的变化,单纵臂悬架前轮外倾角与地面侧向力方向相反。,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,129,车厢侧倾时不同形式悬架所引起的车轮外倾角的变化,单横臂悬架前轮外倾角与地面侧向力方向相同（或相反）。,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,130, 侧倾外倾系数。,车厢侧倾所引起的车轮外倾角的变化可由下式计算,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,131,四、侧倾转向,车厢侧倾所引起的前转向轮绕主销的转动、后轮绕垂直于地面轴线的转动，即车轮转角的变动，称为侧倾转向。, 侧倾转向系数。,车轮的侧倾转向角与车厢侧倾角的关系可以用下式表示,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,132,后悬架的侧倾转向对稳态转向特性的影响,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,133,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,134,五、变形转向悬架导向装置变形引起的车轮转向角,悬架导向杆系各元件在各种力、力矩作用下发生的变形，引起车轮绕主销或垂直于地面轴线的转动，称为变形转向，其转角叫做变形转向角。 变形转向可以使汽车具有恰当的不足转向。, 变形转向角；, 侧向力变形转向系数。,估算侧向力变形转向角,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,135,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,136,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,137,回正力矩变形转向角a,在回正力矩作用下，悬架和车轮有扭转变形，前、后轴车轮均发生回正力矩变形转向角a。, 回正力矩变形转向系数；, 回正力矩系数。,回正力矩变形转向角a,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,138,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,回正力矩引起的变形转向角,前轴趋于增加不足转向；后轴趋于减少不足转向。,139,六、变形外倾悬架导向装置变形引起的外倾角的变化,受到侧向力作用的独立悬架杆系的变形会引起车轮外倾角的变化。,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,140,下一节,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,本节内容结束,141,第五节 汽车操纵稳定性与转向系的关系,第五章 汽车的操纵稳定性,返回目录,142,一、转向系的功能与转向盘力特性,1.转向系的功能,1）驾驶者通过转向盘控制前轮绕主销的转角，从而操纵汽车的运动方向。 2）凭借转向盘的反作用力， 将整车及轮胎的运动、受力状况反馈给驾驶者，以获得“路感”。,转向盘的输入有两种方式：角输入和力输入。,第五节 汽车操纵稳定性与转向系的关系,143,2.转向盘力特性,转动转向盘时所需要的力随汽车运动状况而变化的规律，称为转向盘力特性。,第五节 汽车操纵稳定性与转向系的关系,144,第五节 汽车操纵稳定性与转向系的关系,2.转向盘力特性,145,3.转向盘力特性的影响因素,转向盘力特性决定于下列因素：转向器角传动比及其变化规律、转向器效率、动力转向器的转向盘操作力特性、转向杆系传动比、转向杆系效率、由悬架导向杆系决定的主销位置、轮胎上的载荷、轮胎气压、轮胎力学特性、地面附着条件、转向盘转动惯量、转向柱摩擦阻力以及汽车整体动力学特性等。,第五节 汽车操纵稳定性与转向系的关系,146,主销位置几何参数，如主销内倾角、主销后倾角、主销拖距、接地面上主销偏置距、车轮中心主销拖距等，对转向盘力特性、回正性能、直线行驶性等都有显著影响。,第五节 汽车操纵稳定性与转向系的关系,147,二、不同工况下对操纵稳定性的要求,汽车在原地、小半径弯道低速行驶时，要防止转向盘过于沉重； 在高速行驶时，转向盘力不宜过小而应维持一定数值，以帮助驾驶者稳定驾驶。,第五节 汽车操纵稳定性与转向系的关系,148,二、不同工况下对操纵稳定性的要求,第五节 汽车操纵稳定性与转向系的关系,149,三、评价高速公路行驶操纵稳定性的试验 转向盘中间位置操纵稳定性试验（on center handling test）,汽车在高速公路上高速行驶时，具有以力输入为主和转向盘（反作用）力是重要信息源的特点。,1.试验方法,汽车以100km/h的速度作正弦曲线的蛇形行驶，正弦运动的周期为5s，最大侧向加速度为0.2g。 车上装有转向盘转角、转向盘转矩、车速和横摆角速度等传感器。,第五节 汽车操纵稳定性与转向系的关系,150,第五节 汽车操纵稳定性与转向系的关系,151,2.转向盘力输入方面的评价指标,第五节 汽车操纵稳定性与转向系的关系,152,一些车辆力输入方面的评价指标（试验结果）,第五节 汽车操纵稳定性与转向系的关系,153,四、转向系与汽车横摆角速度稳态响应的关系,车厢侧倾时，如果非独立悬架汽车的转向系与悬架在运动学上关系不协调，将引起转向车轮干涉转向的现象。,1.侧倾时转向系统与悬架的运动干涉,第五节 汽车操纵稳定性与转向系的关系,154,第五节 汽车操纵稳定性与转向系的关系,当车辆向右转向时，车身向外倾斜，外侧板簧受压缩，车轮与车架距离减小，使车轮向左转，增加了车辆的不足转向，这种现象称为侧倾干涉不足转向。,155,2.转向系刚度与转向车轮的变形转向,在转向盘至转向车轮之间，包括转向器、转向杆系与转向器固定处在内的刚度，称为转向系（角）刚度。 转向系刚度低，前转向轮的变形转向角大，增加了汽车的不足转向趋势。 转向系刚度高，高速行驶时的“路感”较好。,第五节 汽车操纵稳定性与转向系的关系,156,下一节,第五节 汽车操纵稳定性与转向系的关系,本节内容结束,157,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,第五章 汽车的操纵稳定性,本节将介绍地面切向反作用力对汽车稳态转向特性的影响，还将介绍利用地面切向反作用力控制转向特性的方法和原理。,返回目录,158,一、地面切向反作用力与“不足过多转向特性”的关系,1）汽车在弯道上以大驱动力加速行驶,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,fz1,汽车有增加不足转向的趋势,加速行驶时,k1,k2,fz2,2,1,159,前驱汽车增大了不足转向趋势,2）ft 对的影响,ft， fy=c，,随着驱动力的增加，维持转向所需的fy 将使。,前驱汽车1 随 ft 增大而增大,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,160,3）前轮受半轴驱动转矩的影响会产生不足变形转向，增加了前驱动汽车不足转向的趋势。,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,161,3）前轮受半轴驱动转矩的影响会产生不足变形转向，增加了前驱动汽车不足转向的趋势。,如果半轴水平,力矩臂为,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,162,汽车在弯道上行驶时，车厢侧倾，外侧车轮的减小，内侧增加。,作用于外侧车轮的 减小，内侧增加。,这两个力矩之差使前轮受到一令转向角变小的力矩。,增加了汽车的不足转向趋势。,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,163,试分析当汽车用发动机制动时，前轮驱动的汽车趋于增加不足转向还是减小不足转向？后轮驱动的汽车呢？为什么？,思考,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,4）随着驱动力的增加，轮胎回正力矩通常也有所增加，这也增加了前轮驱动汽车的不足转向趋势。,164,二、地面切向反作用力控制转向特性的基本概念简介,1.切向力对r的影响,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,165,2.切向力控制方法,1）总切向反作用力控制,abs就是总制动力控制，保证较佳的滑动率，提高制动时汽车的方向稳定性。 tcs 是总驱动力控制，防止出现过大的滑转率，提高驱动时汽车的方向稳定性。,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,166,2）前、后轮间切向力分配比例的控制,图中 f、r前轴、后轴的外侧车轮驱动力与该轴驱动力之比； c前轴驱动力与整车驱动力之比。,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,167,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,ets：日产公司研制了总是保持“中性转向”特性的电子控制前、后驱动力分配系统。,168,3）内、外侧车轮间切向力分配的控制,由二自由度汽车模型可以得到,由于改变内、外侧驱动力分配的比例，与在装有普通差速器的汽车上再施加一定数值的横摆力偶矩是一样的，这种驱动力的控制方式也常称为横摆力偶矩控制。,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,169,即fy1减小，fy2增大；前轮侧偏角减小，后轮侧偏角增大，汽车不足转向量减小。,+fx2,-fx2,fy1,fy2,汽车稳态圆周行驶时,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,fy1,fy2,170,图中 f、r前轴、后轴的外侧车轮驱动力与该轴驱动力 之比 ； c前轴驱动力与整车驱动力之比。,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,171,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,直接横摆力偶矩控制提高弯道加速行驶的机理,172,下一节,第六节 汽车操纵稳定性与传动系的关系,本节内容结束,173,第五章 汽车的操纵稳定性,防抱死制动系统（abs）与驱动力控制系统（tcs）都是提高汽车操纵稳定性的电子控制系统。 目前有更多的电子控制系统能显著改善汽车的操纵稳定性。,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,返回目录,174,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,1.四轮转向系统（4ws）,175,技术极大地缩小了大型车辆的转向半径，使得这些车辆具有紧凑型轿车的转向半径。,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,176,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,系统是以abs为基础发展而成的。 基本工作原理是：在大侧向加速度、大侧偏角的极限工况下，利用左右两侧制动力之差产生的横摆力偶矩来防止出现难以控制的侧滑现象。,2.车辆稳定性控制系统（vsc或称esp）,177,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,vsc（esp）的作用,178,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,vsc（esp）的作用,179,前轴侧滑出现“驶出”现象,加大内侧车轮的制动力,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,vsc（esp）的作用,抑制前轮侧滑,180,后轴侧滑出现甩尾现象,加大外侧车轮的制动力,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,抑制后轮侧滑,vsc（esp）的作用,181,提高操纵稳定性的各种电子控制系统的有效工作区域,驱动力 分配控制,制动力 分配控制,侧倾刚度分配控制,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,182,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,起始车速120km/h、频率0.6hz的转向角正弦输入下的响应,一、极限工况下前轴侧滑与后轴侧滑的特点,183,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,起始车速120km/h、频率0.6hz的转向角正弦输入下的响应,一、极限工况下前轴侧滑与后轴侧滑的特点,184,1）当正弦输入转向角超过一定值后，汽车质心侧偏角、前轮侧偏角、后轮侧偏角突然增大，汽车失去稳定性； 2）汽车是否稳定决定于汽车（质心）侧偏角与汽车侧偏角速度。稳定的条件可以近似地表示为 。,结论,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,185,起始车速为110km/h时正弦转向角输入下的 曲线,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,起始车速为140km/h时正弦转向角输入下的 曲线,186,斜阶跃转向角输入下汽车的响应,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,187,斜阶跃转向角输入下汽车的响应,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,188,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,1）随着前轮转向角的增加，前轮侧偏角加大；但前轮侧偏角达某一角度值后，侧偏力饱和而不再增大，汽车的转向半径也不能再减小。 2）出现的后轮侧偏角小于后轮发挥最大侧偏力所对应的侧偏角值。因此，如果后轮侧偏角增大，就可以产生更大的后轮侧偏力。,结论,189,斜阶跃转向角输入下前轮的侧偏角与汽车转向半径的关系。,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,达到最小转向半径的前轮侧偏角1几乎为一常数，增加转向角能减小转向半径的条件为：1c3,190,横摆力偶矩m或纵向减速力fx对汽车稳定性的影响,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,二、横摆力偶矩及制动力的控制效果,191,横摆力偶矩 m 或纵向减速力 fx 对汽车稳定性的影响,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,192,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,横摆力偶矩m或纵向减速力fx对汽车稳定性的影响,193,1）为了保持汽车的稳定性，当后轴要侧滑发生激转时，应对汽车施加外侧的横摆力偶矩； 2）当前轴要侧滑而使汽车驶离弯道时，应对汽车施加适当大小向内侧的横摆力偶矩，使后轮的侧偏角达到最大侧偏力的角度； 3）还应对汽车施加纵向减速力。,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,结论,194,三、各个车轮制动力控制的效果,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,195,三、各个车轮制动力控制的效果,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,196,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,四、四个车轮主动制动的控制效果,197,五、vsc系统的组成,1）用于向各个车轮施加制动的执行机构； 2）用于控制驱动力的节气门执行机构与节气门传感器； 3）轮速传感器； 4）横摆角速度传感器； 5）侧向、纵向加速度传感器； 6）转向角传感器； 7）制动主缸压力传感器； 8）ecu。,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,198,六、装有vsc系统汽车的试验结果,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,199,六、装有vsc系统汽车的试验结果,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,200,下一节,第七节 提高操纵稳定性的电子控制系统,本节内容结束,201,第五章 汽车的操纵稳定性,第八节 汽车的侧翻,返回目录,202,汽车侧翻是指汽车在行驶过程中绕其纵轴线转动90或更大的角度，以至车身与地面相接触的一种极其危险的侧向运动。,曲线运动引起的侧翻,汽车侧翻可分为两类,绊倒侧翻,第八节 汽车的侧翻,203,“刚性汽车”是指忽略汽车悬架及轮胎弹性变形；“准静态”是指汽车的稳态转向。,一、刚性汽车的准静态侧翻,假定,第八节 汽车的侧翻,204,当汽车在水平路面直线行驶时，,，如果 不变，,当ay增加时， 将减小；,=0时，汽车开始侧翻,侧翻时,当=0时，侧翻阈值为2b/2hg,，发生侧翻时的加速度ay称为侧翻阈值,则,第八节 汽车的侧翻,。,。,。,205,表5-4 几种汽车侧翻阈值的范围,第八节 汽车的侧翻,206,几种微型轿车的侧翻阈值及侧翻事故率,第八节 汽车的侧翻,207,几种轿车和多用途车的侧翻阈值及侧翻事故率,随着侧翻阈值的增大，侧翻事故率降低。,第八节 汽车的侧翻,208,二、带悬架汽车的准静态侧翻,注意观察，该模型与刚性汽车模型有哪些区别？,第八节 汽车的侧翻,209,r侧倾率（ ）。,某轿车hr/hg=0.5、 r=0.1 ， 。 与刚性汽车相比，阈值减小了5%。,当 =0时，侧翻阈值为,当汽车受到侧向力作用时，外侧轮胎产生弹性变形，从而轮胎接地中心向内偏移，轮距b减小，使得侧翻阈值又减小约5%。,第八节 汽车的侧翻,例,210,三、汽车的瞬态侧翻,第八节 汽车的侧翻,图5-88,211,阶跃输入下的侧倾响应,由于超调量的影响，汽车的瞬态侧倾阈值比准静态时要小。,第八节 汽车的侧翻,212,超调量的大小取决于侧倾阻尼，随着阻尼比的增加，侧倾阈值也增大。,第八节 汽车的侧翻,213,在侧向加速度正弦输入的情况下，汽车侧倾响应取决于输入频率。输入频率等于侧倾共振频率时，侧倾阈值达到最小。,第八节 汽车的侧翻,214,下一节,第八节 汽车的侧翻,本节内容结束,215,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,216,o,x,y,车轮平面,车轮行驶方向,正地面切向 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,217,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,218,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,219,fy,俯视图,第二节 轮胎的侧偏特性,车轮静止,2）在弹性轮上作用侧向力,220,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,221,0,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,222,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,223,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,钢丝子午