05第五章-汽车操纵动力学

第5章汽车操纵动力学,在汽车低速行驶时，沿车辆坐标系X,Y方向，主要关心汽车的转向系统动力学特征；而在高速时，则主要关心操纵动力学特征。随着汽车行驶速度的显著提高，汽车操纵稳定性已经成为现代汽车的主要性能之一。,汽车的操纵性与稳定性操纵稳定性的评价指标汽车在水平路面上转向行驶时，不发生侧滑的极限稳定车速为：（51）汽车转向时不发生侧向倾翻的极限车速为：（52）,5.1概述,5.2汽车操纵稳定性的研究方法与内容,图5-1人汽车闭环系统框图,在汽车动力学领域的各个研究阶段中，着重是对基本的理论与方法的研究，主要在改善汽车运动学行为和安全的一下三个方面。对车辆和轮胎行为的建模分析车辆动力学控制和状态估计驾驶员车辆系统的分析,汽车操纵性和稳定性的基本内容及评价参量表51,5.3汽车操纵稳定性模型建立的坐标系,5.3.1轮胎与车轮的坐标系,图5-2轮胎与车轮轴坐标系,5.3.2车辆的坐标系,图5-3车辆坐标系,5.3.3惯性、车辆及中间坐标系,说明：Z轴平行于ZE轴X轴位于包含XV轴的铅垂平面内XE轴与X轴的夹角为,图5-4惯性、车辆及中间坐标系,5.4基于两自由度模型的操纵稳定性分析,5.4.1汽车两自由度模型的状态空间表达将转向角作为控制输入，因此可以将方程写成下面的状态空间形式则可得（53）,5.4.2汽车操纵稳定性的稳态响应在稳态情况下，可以结合车辆的过度转向和不足转向特性来进行解释：1）质心侧偏角如果用质心侧偏角表示汽车操纵稳定性的稳态特性，则可得到（54）,图5-5汽车质心侧偏角的稳态特性,2)质心侧偏角增益（55）3）转向盘转角（56）,图5-6质心侧偏角增益与车速的关系,5.4.3汽车操纵稳定性的瞬态响应1）用横摆角速度表示设系统的输入为阶跃形式，根据二自由度的汽车运动微分方程，可以写成以为变量的形式，通常写作（57）,图5-7汽车前轮转角的稳态特性,或（58）,图5-9不足转向下的不同车速时的质心侧偏角时间历程,2）用质心侧偏角增益表示如用质心侧偏角增益表示，则可得传递函数为：（59）,图5-10车速20m/s下不同K值的质心侧偏角时间历程,5.4.4频率响应特性用横摆角速度表示频率响应函数为（510）,图5-11横摆角速度幅频特性,图5-12横摆角速度相频特性,用质心偏角增益表示（511）,图5-13质心侧偏角幅频特性,图5-14质心侧偏角相频特性,用侧向加速度表示,图5-15谐波转向角输入下的侧向加速度频率响应,图5-16谐波转向角输入下的侧向加速度频率响应,5.4.5二自由度操纵稳定性仿真,两自由度模型中的参数表5-2,各种因素对汽车操纵稳定性的影响1）不同速度下的特性2）不同轮胎对应的特性,图5-17不同车速时小型车横摆角速度瞬态响应,图5-18后轮安装不同轮胎时的角速度瞬态响应,5.5线性三自由度汽车操纵稳定性模型,5.5.1三自由度操纵稳定性模型建立,图5-19线性三自由度操纵稳定性模型,根据达朗伯原理可列出三个平衡方程:绕Z轴力矩平衡式为沿Y轴力平衡式为绕X轴力矩平衡式为,代入可得到三自由度模型运动微分方程：,5.5.2三自由度操纵稳定性仿真,三自由度模型中的参数表5-3,三自由度模型中的参数表5-3,图5-20三自由度模型角阶跃瞬态响应模型,图5-21红旗CA770横摆角速度计算结果,图5-22红旗CA770重心处侧偏角计算结果,图5-23红旗CA770悬架上下质量相对侧倾角计算结果,图5-24红旗CA770侧倾角速度计算结果,图5-25CA770在不同车速下横摆角速度计算结果,图5-26CA770后轮安装不同轮胎横摆角速度计算结果,图5-27不同轴距时的横摆角速度计算结果,5.6汽车操纵稳定性与悬架的关系,本节通过静力学分析简述了侧倾中心高度、侧倾刚度、悬挂质量质心位置等对侧倾运动的影响，即通过静力学分析建立数学模型，得到汽车在转弯是垂向力在各个轮胎上的分配系数。,5.6.1侧倾分析模型侧倾中心,图5-29悬架的侧倾中心,纵倾中心,图5-30纵倾中心,图5-31悬架模型的前视图,转弯时的轮胎垂向力的侧倾角1）使用力学模型计算（1）侧翻阈值（2）轮胎垂向力（3）考虑侧倾轴线时的侧倾角,图5-32侧倾轴线,图5-33侧倾力矩和侧倾角,3.转弯时的轮胎垂向力和侧倾角（1）轮胎力的前后分配（2）各个分配系数的核对,图5-34各系数的关系,5.6.2在包括内倾工况下的参数研究技术参数说明,基本技术参数说明表5-4,变量列表表5-5,结果分析,rR1,图5-35IdU/rR1的关系,rR1,图5-36IdU/rR1的变化关系,高侧倾轴线低图5-37侧倾角/Hcr（侧倾力臂）,图5-38内倾静力学分析,5.7载荷等因素对汽车操纵稳定性的影响,5.7.1载荷变换反应转弯时载荷变换反应是评价汽车非稳定特性的一个重要评价指标影响载荷变化的因素（1）轮胎影响（2）运动学影响（3）弹性运动学影响,5.7.2轮胎的影响,图5-39转弯时垂直力对前后侧偏力的影响,5.7.3驱动力矩的影响,图5-40突然放松加速踏板时，后轮驱动汽车万向节轴力矩的时间历程,图5-41纵向力与侧向力的附着椭圆关系,图5-42后轮驱动时轮胎的受力与变形,图5-43前轮驱动时轮胎的受力与变形,5.7.4运动学影响,图5-44外倾对侧向力的影响,5.7.5弹性运动学影响5.7.6其它影响因素1）自动变速器2）具有限制滑转率或差速锁的差速器3）使用大功率和转矩的发动机4）驾驶员的操作,图5-45载荷变化的时间历程,5.8侧风对汽车操纵稳定性的影响,高速行驶的车辆常常受到侧风作用而产生侧向运动，特别是当汽车通过桥梁或森林中通道时，更容易出现严重的情况。因此，下面研究直行中车辆受到侧风的侧向力和横向力矩作用时的运动特征。,5.8.1由侧风引起的力侧向风力横向风力矩,图5-46侧风给车辆的力,图5-47侧向力系数横摆力矩系数与来流侧偏角的关系,5.8.2受到一定风速的侧风时的运动,图5-48作用于车辆的侧风引起的力,图5-49一定风速的侧风,图5-50受到一定风速的侧风时的车辆运动图中，为无量纲量，为车辆质心在垂直于原直线行驶方向上的侧向位移，为侧风方向与垂直于轴的方向所成之角,单位侧向力的侧向加速度稳态值,5.8.3受到瞬时性急风时的运动,图5-51急风引起的侧向力,图5-52在惯性坐标系中的描述,稳态下的车辆运动可表示为：,受到外力后车辆的运动表5-6,5.9汽车操纵性和平顺性的建模与仿真,本节详细推导了一个可以用于转弯和制动操作仿真研究的汽车整车模型，包括6个自由度的悬挂质量模型及轮胎的解析模型。,5.9.1模型假设（1）整车被简化为一个质量，即悬挂质量。（2）整车质心位于侧倾中心和纵倾中心之上。（3）悬架弹簧始终保持压缩状态。（4）忽略空气升力、阻力以及轮胎滚动阻力。（5）车辆始终位于路面上，四个轮胎不脱离地面。（6）纵倾和侧倾的变形很小，近似为小角度。,5.9.2运动方程,图5-53汽车的坐标系,图5-54汽车的横摆运动,图5-55汽车的侧倾运动,图5-56汽车的纵倾运动,Dugoff、Fancher和Segel模型参数表5-7,矩阵和向量表5-8,5.9.3.计算机仿真分析,（a）转向盘和制动踏板输入的时间历程,（b）汽车侧倾、俯仰和垂直运动的时间历程图5-57汽车的转弯制动仿真,5.10汽车电子稳定性程序（ESP）,基于ABS技术的电子稳定程序（ElectronicStabilityProgram,ESP）式称车辆动力学控制（VehicleDynamicsControl,VDC）能够在各种情况下，所有驾驶操作下都按照驾驶员的意志，是一种在危机的驾驶状况下帮助驾驶员的汽车动力学控制装置系统。,5.10.1ESP系统的组成以及工作原理,图5-58ESP系统的组成与布置,5.10.2控制系统的组成方案,图5-59模块化ESP控制概念,图5-60车辆动态性控制系统方案,1）制动防抱死系统（ABS）2）牵引力控制系统（TCS）3）横摆力矩控制（AYC）,EPS系统的结构及其系统布置主要包括：,图5-61ESP系统的结构,5.10.3ESP系统的模型和控制策略1.整车模型整车模型是能反映出整车的驱动特性和稳定性，是衡量各控制子系统的响应效果的工具。,图5-60车辆动态性控制系统方案,图5-61