汽车操纵稳定性演示幻灯片

汽车操纵稳定性,汽车的主要性能之一,第五章汽车操纵稳定性,1,2020/5/5,第一节概述,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。,2,2020/5/5,1、“飘”汽车自己改变方向。升力或转向系、轮胎、悬架等问题。2、“反应迟钝”转向反映慢。传动比太大。3、“晃”左右摇摆，行驶方向难于稳定。4、“丧失路感”操纵稳定性不好的汽车在高速或急剧转向时会丧失路感，导致驾驶员判断的困难。5、“失控”某些工况下汽车不能控制方向。制动时无法转向,甩尾，侧滑，侧翻。,操纵稳定性不好的具体表现,第一节概述,3,2020/5/5,赛车负升力翼,第一节概述,4,2020/5/5,制动跑偏,第一节概述,5,2020/5/5,ABS系统对比试验,第一节概述,6,2020/5/5,第一节概述,车辆稳定性控制系统（VSC）作用,7,2020/5/5,第一节概述,四轮转向系统4WS作用,8,2020/5/5,第一节概述,汽车操稳性引起的事故,4.29交通事故轨迹图,9,2020/5/5,第一节概述,汽车在绕桩（转向）时车身总有一定的倾斜,10,2020/5/5,第一节概述,有些轿车的车身侧倾比较严重,11,2020/5/5,第一节概述,设计的理念是驾驶舱永不倾斜,12,2020/5/5,第一节概述,13,2020/5/5,第一节概述,错误地在前、后轴混装子午线轮胎和斜交轮胎。具有过多转向特性的汽车，在转向时达到一定车速(称为“临界车速”)时，将会出乎意外地向转向内侧激转，造成事故。该车转向系统相关零部件间累计间隙过大，方向盘自由行程严重超差，而又未及时维修(或维修质量不佳)，未排除故障，带病运行，导致该车行驶中前束值或大或小不断变化，使汽车行驶处于极不稳定状态，这也加剧了过多转向的趋势。该车左后轮制动器因左后半轴油封损坏，齿轮油漏入左后轮制动器而导致该轮制动器工作失效。不均衡制动力造成的回转力矩。,14,2020/5/5,第一节概述,车辆坐标系和汽车主要运动形式,15,2020/5/5,第一节概述,汽车操纵稳定性评价方法,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。,16,2020/5/5,1.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,操纵稳定性包含的内容,第一节概述,17,2020/5/5,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,2.横摆角速度频率响应特性,操纵稳定性包含的内容,第一节概述,18,2020/5/5,3.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,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。,第一节概述,19,2020/5/5,一些常见车型的最小转向半径,评价参量：最小转向半径。,5.转向半径,操纵稳定性包含的内容,第一节概述,20,2020/5/5,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,6.转向轻便性,操纵稳定性包含的内容,第一节概述,21,2020/5/5,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,7.直线行驶性能,操纵稳定性包含的内容,第一节概述,22,2020/5/5,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,8.典型行驶工况性能,操纵稳定性包含的内容,第一节概述,23,2020/5/5,不足转向；中性转向不变；过多转向。,第一节概述,稳态响应特性有三种类型,稳态响应特性,24,2020/5/5,第一节概述,汽车瞬态响应,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。,25,2020/5/5,1）时间上的滞后,瞬态响应的评价指标,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,第一节概述,26,2020/5/5,将汽车作为开路控制系统,人汽车系统作为闭路系统,操纵稳定性的研究方法,第一节概述,27,2020/5/5,第一节概述,汽车试验的两种评价方法,28,2020/5/5,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。,第二节轮胎的侧偏特性,29,2020/5/5,因轮胎侧向弹性，车轮受侧向力的作用使轮心速度方向偏离车轮平面的现象。侧向力因转向、路面倾斜、风力等引起。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,第二节轮胎的侧偏特性,30,2020/5/5,第二节轮胎的侧偏特性,轮胎的坐标系,31,2020/5/5,在侧偏角0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较小，即较小。但因R=，故不足转向汽车转向半径随车速增大而增大。,汽车不足转向,第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,71,2020/5/5,特征车速,uch称为特征车速,第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,72,2020/5/5,K0，不足转向,K=0，中性转向,K0，R/R01，汽车具有不足转向特点；,K0，R/R00的情况，上式变为：,第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,91,2020/5/5,式中,第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,92,2020/5/5,第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,93,2020/5/5,第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,94,2020/5/5,0值应高一些为好。,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,第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,95,2020/5/5,（2）阻尼比,第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,96,2020/5/5,（3）反应时间,第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,97,2020/5/5,（4）达到第一个峰值r1的时间,第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,98,2020/5/5,瞬态响应的稳定条件,瞬态响应对应的齐次方程为,对应的特征方程为,第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,99,2020/5/5,第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,100,2020/5/5,方程稳定性理论指出，上式中s的实部如为正数，则方程的解不稳定，因为解中总是有一项ereal(s)t存在。可以证明，当稳定性因K0(过多转向)且车速:,第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,101,2020/5/5,这里1，2等于Fy1/k1，Fy2/k2。这里k1，k2是假定轮胎垂直载荷不变、外倾角为0、且侧偏角较小时的侧偏刚度，是一种简化的模型。实际上和许多其他因素有关：轮胎垂直载荷；外倾角；悬架导向杆系变形、车身侧倾等。故汽车轮胎的实际总侧偏角应为：,引言,第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,102,2020/5/5,=弹性侧偏角（考虑了轮胎垂直载荷和外倾角）+车身侧倾转向角+悬架导向杆系变形转向角。也就是说，侧偏角不但和轮胎特性与载荷有关，而且与汽车悬架、转向系有关。,第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,103,2020/5/5,汽车的侧倾,1）车厢侧倾轴,车厢相对地面转动的瞬时轴线称为车厢侧倾轴。它与前后轴处的垂直断面的交点称为前、后侧倾中心。它由悬架导向机构决定，可由图解或实验求得。,第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,104,2020/5/5,图解法原理,假定车厢不动，地面相对车厢的瞬时转动中心即为侧倾中心。先确定二车轮瞬时中心及它们接地点的速度方向。把地面看成一个刚体，根据二车轮接地点速度方向确定地面相对汽车运动的瞬心（即侧倾中心）。,第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,105,2020/5/5,单横臂独立悬架上车厢的侧倾中心,第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,106,2020/5/5,双横臂独立悬架上车厢的侧倾中心,第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,107,2020/5/5,双横臂独立悬架的等效单横臂悬架,第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,108,2020/5/5,第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系,麦弗逊式独立悬架三维图,109,2020/5/5,等效单横臂悬架,以车轮相对车厢的运动瞬心为铰接点的单横臂悬架称为原独立悬架的等效单横臂悬架。,第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系,110,2020/5/5,2）悬架侧倾角刚度,悬架侧倾角刚度指车厢侧倾时单位转角下悬架系统给车厢的总弹性恢复力矩。,式中T-总弹性恢复力矩r-车厢侧倾角,第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系,111,2020/5/5,悬架线刚度与等效弹簧,悬架线刚度指车轮保持在地面上，车厢作垂直运动时，车厢单位位移下悬架给车厢的总弹性恢复力。该位移和恢复力均在车轮处度量。钢板弹簧的悬架线刚度直接等于弹簧刚度。独立悬架的线刚度则和其导向杆系有关，这是因为此时车厢向下位移时，车厢受到的的总弹性恢复力不等于弹簧力。,第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系,112,2020/5/5,（1）非独立悬架,第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系,113,2020/5/5,单横臂悬架线刚度的计算,设车厢不动，设一个轮胎处向上的力扣除原平衡力后为,它引起的车轮垂直位移是st，弹簧垂直位移是ss。对应的弹簧力增量为Q。由图可知，,式中，m是弹簧中心到铰接点距离，n是横臂长。又,故,第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系,114,2020/5/5,即一侧悬架的线刚度为,式中，ks是弹簧实际刚度。整个悬架的线刚度为,第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系,115,2020/5/5,对更复杂的悬架，整个悬架的线刚度为,式中，ss，st分别是弹簧和车轮处的虚位移。,第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系,116,2020/5/5,2）独立悬架,第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系,117,2020/5/5,用等效弹簧求悬架侧倾角刚度,设悬架单侧线刚度为,车厢的弹性恢复力矩为,侧倾角刚度为：,第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系,118,2020/5/5,第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系,119,2020/5/5,汽车总的悬架侧倾角刚度,汽车总的侧倾角刚度=前后侧倾角刚度+横向稳定杆角刚度。实际轿车的前侧倾角刚度为300-1200Nm/()。后侧倾角刚度为180-700Nm/()。,第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系,120,2020/5/5,3）车厢侧倾角,车厢侧倾角指车厢绕侧倾轴的转角，它是影响汽车操纵稳定性的一个重要参数。它也影响乘员感觉，车厢侧倾角过大，乘员会很不舒适。过小则说明侧倾角过大，凸凹不平路面对汽车单边冲击很大，同时会影响驾驶员路感。,第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系,121,2020/5/5,式中，Mr是侧倾力矩，Kr是悬架总的侧倾角刚度。侧倾力矩由下列三部分组成：,第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系,122,2020/5/5,1）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和悬架的关系,123,2020/5/5,2)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和悬架的关系,124,2020/5/5,3)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和悬架的关系,125,2020/5/5,第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系,126,2020/5/5,垂直载荷重分配及对稳态特性的影响,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和悬架的关系,127,2020/5/5,车身不侧倾时,车身侧倾后,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？,128,2020/5/5,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和悬架的关系,129,2020/5/5,悬架角刚度对稳态特性的影响,增加前悬架角刚度或减少后悬架角刚度，会使前轮垂直载荷变化量增大，从而增加汽车不足转向。,K增大，不足转向量增大。反之，如左右后轮垂直载荷变动较大时，则|k2|减少，K减少，不足转向量减少。,因此，左右前轮垂直载荷变动较大（例如前侧顷角刚度较大）时，则|k1|(这里|k1|即上式中的)减少，根据,第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系,130,2020/5/5,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,侧倾外倾侧倾时车轮外倾角的变化,第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系,131,2020/5/5,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和悬架的关系,132,2020/5/5,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和悬架的关系,133,2020/5/5,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和悬架的关系,134,2020/5/5,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和悬架的关系,135,2020/5/5,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和悬架的关系,136,2020/5/5,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。,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和悬架的关系,137,2020/5/5,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和悬架的关系,138,2020/5/5,第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系,139,2020/5/5,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和悬架的关系,140,2020/5/5,第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系,141,2020/5/5,第四节汽车操纵稳定性和悬架的关系,142,2020/5/5,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和悬架的关系,143,2020/5/5,第五节汽车操纵稳定性和转向系的关系,侧倾时转向系和悬架的运动干涉的关系,144,2020/5/5,悬架变形时，转向节球销c将绕o1点旋转，同时主销绕o2点旋转，造成额外的轮转向。右转弯时，外侧左悬架压缩，车轮向左转，增加了不足转向。,第五节汽车操纵稳定性和转向系的关系,145,2020/5/5,第五节汽车操纵稳定性和转向系的关系,转向系刚度和转向轮的变形转向,转向系刚度低，前轮变形转向角大，增加不足转向。转向系刚度高，前轮变形转向角小，不足转向增加量小。但转向系刚度低不仅路感不好，还可能造成前轮摆振。,146,2020/5/5,147,2020/5/5,1.四轮转向系统（4WS）,第六节提高操纵稳定性的电子控制系统,148,2020/5/5,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。,第六节提高操纵稳定性的电子控制系统,149,2020/5/5,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。,车辆稳定性控制系统（VSC或称ESP）,第六节提高操纵稳定性的电子控制系统,150,2020/5/5,第六节提高操纵稳定性的电子控制系统,151,2020/5/5,第六节提高操纵稳定性的电子控制系统,152,2020/5/5,前轴侧滑出现“驶出”现象,加大内侧车轮的制动力,VSC（ESP）的作用,抑制前轮侧滑,第六节提高操纵定性的电子控制系统,153,2020/5/5,起始车速120km/h、频率0.6Hz的转向角正弦输入下的响应,第六节提高操纵稳定性的电子控制系统,