汽车操纵稳定性（课堂PPT）

1、a. 汽车正确遵循驾驶员通过操纵机构所给定的方向的能力;第一节 概述操纵稳定性b. 汽车抵抗企图改变行驶方向干扰、保持稳定行驶方向的能力。在满足上述要求时，不能过分降低车速或造成驾驶员疲劳。11、 “飘飘”汽车自己改变方向。升力或转向系、轮胎、 悬架等问题。2、“反应迟钝反应迟钝”转向反映慢。传动比太大。3、“晃晃”左右摇摆，行驶方向难于稳定。4、“丧失路感丧失路感”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。第一节 概述操纵稳定性不好的具体表现2第一节 概述赛车负升力翼3负升力翼主要用于

2、赛车前负升力翼：用于产生汽车前部的负升力，从而改善汽车转向轮的附着性能，还可以部分平衡由负升力翼引起的车头上仰力矩的影响。影响因素有：（1）离地高度-越小越好（2）攻角-攻角必须为负，且绝对值越大越好（3）形状后负升力翼：产生汽车后部负升力，改善汽车驱动轮的附着性能，提高汽车的加速性和制动性。后翼板的长、宽、高应控制在1000mm、500mm、800mm内。影响因素有：（1）离地高度（2）断面形状与角度（3）支架（4）端板目前跑车的后负升力翼设计的发展趋势是将来后负升力翼与跑车侧后围高度融合在一起。 4第一节 概述车辆坐标系和汽车主要运动形式5第一节 概述汽车等速圆周行驶：汽车转向盘角阶跃输入

3、下进入的稳态响应时域响应时域响应 Steady stateTransient stat 稳态响应特性稳态响应特性 不足转向 中性转向 过多转向 6第一节 概述汽车瞬态响应 4 4瞬态响应特性瞬态响应特性 反应时间 、 超调量 波动频率 稳定时间 %10001rrT20%105%95rr7第一节 概述人-车闭环系统8第一节 概述汽车试验的两种评价方法 客观评价法 客观评价通过仪器测试能定量评价汽车性能，且能通过分析求出其与汽车结构参数间的关系。 主观评价法 主观评价考虑到了人的感觉，能发现仪器不能测试出的现象，是操纵稳定性的最终评价方法，但很难给出定量评价数据。9轮胎坐标系第二节 轮胎的侧偏特性

4、10 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11轮胎的侧偏现象第二节 轮胎的侧偏特性具有侧向弹性的车轮在垂直载荷为W的条件下，车轮中心受到侧向力FY，地面相应的有侧偏力时的两种情况：车轮静止不滚动。车轮滚动。12 在侧偏角5时，侧偏力和侧偏角成线性关系。这时，式中，k称为侧偏刚度（N/rad）。为曲线在=0处的斜率。按轮胎坐标系，侧偏力和侧偏角总是反号，故侧偏刚度总是负值。轮胎的侧偏特性第二节 轮胎的侧偏特性kFy13轮胎

5、侧偏特性数值轮胎侧偏特性数值轮胎车轮载荷(N)轮胎气压(bar)侧偏刚度(N/rad)轮胎车轮载荷(N)轮胎气压(bar)侧偏刚度(N/rad)5.20136.00136.4013165R14175HR145.60-152452294339243924343329431.61.41.71.92.01.8178931769020626317993838229332155SRl56.50-169.00-209.00R2011R22.512.00-2039245886196201962016180294302.12.55.55.57.756.42904949310132687168205112815

6、187371注： 03，干燥路面，无切向力。* 16bar=105Pa轮胎尺寸越大，k值也越大。14第二节 轮胎的侧偏特性轮胎结构与侧偏特性的关系*垂直载荷的影响 垂直载荷增大，k增大。但垂直载荷太大k反而减小。15第二节 轮胎的侧偏特性轮胎结构与侧偏特性的关系*轮胎形式和结构参数的影响 a. 子午线胎比斜交胎侧偏刚度高。 b. 扁平比（=轮胎高度H/宽度B）小的轮胎侧偏 刚度大。 c. 胎压大，则侧偏刚度大，但胎压太大侧偏刚度基本不变。试验时，可通过减少胎压改变稳态试验结果。16第二节 轮胎的侧偏特性纵向力与侧偏特性的关系17第二节 轮胎的侧偏特性路面对侧偏特性的影响路面干湿程度的影响 路面

7、越湿，最大侧偏力越小。薄水层的影响 路面有薄水层时，轮胎可能会完全失去侧偏力，这称为“滑水”现象。18第二节 轮胎的侧偏特性19第二节 轮胎的侧偏特性20第二节 轮胎的侧偏特性21第二节 轮胎的侧偏特性轮胎不对称受力产生的回正力矩22第二节 轮胎的侧偏特性23第二节 轮胎的侧偏特性24第二节 轮胎的侧偏特性25第二节 轮胎的侧偏特性有外倾角时的轮胎滚动26第二节 轮胎的侧偏特性轮胎外倾角及产生的原因 *车桥因载荷变形 *汽车转向时的离心力 *路面倾斜 *前轮定位参数的需要27第二节 轮胎的侧偏特性外倾侧向力与外倾角的关系 外倾侧向力 式中： 为外倾侧向力，它是侧偏角为零、 外倾角为 时的地面侧

8、向反力。 为轮胎外倾角，它为正时 为负。 为外倾刚度。 外倾侧向力是轮胎有外倾角但仍沿x方向前进时地面对轮胎产生的侧向反力。kFYYFkYF28第二节 轮胎的侧偏特性有外倾角时的轮胎侧偏特性*小侧偏角时不同外倾角对应的侧偏刚度不变；*侧偏角为零、外倾角不为零时的地面侧向力，即为外倾侧向力。 （图中y轴上的值）。*侧偏角不为零、外倾角为零时的地面侧向力，即为侧偏力。 （图中0外倾角曲线上的值）*侧偏角和外倾角都不为零且侧偏角较小时kkFFFYYY29第二节 轮胎的侧偏特性外倾角对操稳性的影响 外倾角增大会影响最大地面侧向反力，降低极限侧向加速度，故高速汽车转弯时应使前外轮尽量垂直于地面。30第二

9、节 轮胎的侧偏特性31第二节 轮胎的侧偏特性轮胎特性参数的正负规定32第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应汽车模型的简化* * 忽略转向系的影响，以前轮转角作为输入；忽略转向系的影响，以前轮转角作为输入；* * 汽车只进行平行于地面的平面运动，而忽略悬架汽车只进行平行于地面的平面运动，而忽略悬架的作用；的作用；* * 汽车前进（纵轴）速度不变，只有沿汽车前进（纵轴）速度不变，只有沿y y轴的侧向速轴的侧向速度和绕度和绕z z轴的横摆运动轴的横摆运动;(;(a ay y0.4g)0称为不足转向不足转向。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r较小。但因R=

10、，故不足转向汽车转向半径随车速增大而增大。21/KuLurru/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48第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应特征车速 0 )1(2)1(1)(222KuKuLuKuLdudr02)1( 22KuKuuch称为特征车速 1/2KuLurKuch149 K0时，K0 不足转向210时，KR0 时，K0 不足转向若 R=R0 时，K=0 中性转向若 R R0 时，Ka时，汽车质心在cn前，S.M.0, ,K0当aa时，汽车质心在cn后，S.M.0, ,K0的情况，上式变为：0022001srorKuLuB74第三节 线性二自由度汽车模型

11、对前轮角输入的响应对应的齐次方程式为02200rrr 其通解可由如下特征方程求出022002ss75齐次方程的通解为的减幅正弦曲线。）是收敛于（小阻尼，）单调上升趋近于（临界阻尼，汽车失去稳定性。发散，趋于无穷大，后，但车速超过临界车速，）单调上升趋近于（大阻尼，02002101413t1sin1t1t100200200rrtrrrtrrcrrrttrtCeeCCueCeC正常的汽车都具有小阻尼的瞬态响应。76比越大，衰减越快。是衰减正弦函数。阻尼，则令)(0)(0,0, 0sin11121)(11sin)(1002202022020202000000ttettteLkmuaLkmuattCe

12、Btrrsrrtrtsrrtr给汽车前轮一个角阶跃输入时，汽车的横摆角速度瞬态响应：77第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应78 瞬态响应评价参数： 1. 横摆角速度 波动时的固有频率 ： r0)1 ()(221212210KumIkkuLmuIukkLbkakmumcZZ小轿车的固有频率f0(=0/2)在0.8-1.2Hz之间。固有频率高些较好。792. 阻尼比。相应的阻尼比为。相应的试验工况为近代轿车的超调量为0.80.54 . 0,/31.3%,165%112%100)1 (2)()(20max2212122120gasmKumIkkLmIkkIkbkammhyrrZZZ小了超

13、调量大，故大些较好。80 200221)(1arctanLkmuaa3. 反应时间反应时间 指r第一次到达稳定值的时间。小些较好。811 r202011arctanarctan4. 达到第一峰值 的时间 达到第一峰值的时间小些较好。82第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应瞬态响应的稳定条件 02200rrr 瞬态响应对应的齐次方程为对应的特征方程为022002ss根为：83 （1）. 时，只要 ，收敛、稳定（2）. 时，特征根 ， ，收敛1001002o瞬态响应的稳定条件：84四. 横摆角速度频率响应特征： 频率响应函数 为： rsw)(rjH)(2002012)()()(jBjBj

14、Hrr85 幅频特性为： 相频特性为： jCBjBBBBjjjBjB)()(4)(2)(4)()(22)(2)(2)(220222200022012202222022002010220022002200122)()()(CBA)()(arctan)(BC86评价参数：1）频率为零时的幅值比，即稳态增益（图中以a表示）2）共振峰频率 ， 值越高，操纵稳定性越好3）共振时的增幅比b/a，增幅比b/a应小些4）f=0.1Hz时的相位滞后角 ，它代表缓慢转动转向盘时响应的快慢，这个数值应接近于零5） ，f=0.6Hz时的相位滞后角，它代表较快速度转动转向盘时响应的快慢，其数值应当小些rfrf1 . 0

15、f6 . 0f87第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系)(121yaLK 这里1= Fy1/k1，2= Fy2/k2。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。引言88第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系=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。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。汽车轮胎的实际总侧偏角应为：89第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系一、汽车的侧倾1）车厢侧倾轴线 车厢相对地面转动的瞬时轴线称

16、为车厢侧倾轴线车厢侧倾轴线。 与前后轴处的垂直断面的交点称为前、后侧倾中心侧倾中心。 侧倾中心的位置由悬架导向机构决定，可由图解法或实验法求得。90第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系图解法原理 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）。91第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系单横臂独立悬架上车厢的侧倾中心92第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系双横臂独立悬架上车厢的侧倾中心三心定理：四连杆机构中，三根杆件的三个相对运动瞬时中心位于同一直线上。93第四节 汽

17、车操纵稳定性和悬架的关系双横臂独立悬架上车厢的侧倾中心94第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系等效单横臂悬架 以车轮相对车厢的运动瞬心为铰接点的单横臂独立悬架称为原独立悬架的等效单横臂悬架等效单横臂悬架。95第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系2）悬架侧倾角刚度 悬架侧倾角刚度悬架侧倾角刚度指车厢侧倾时，单位车厢转角下，悬架系统给车厢的总弹性恢复力偶矩。 rddTKr式中 T-总弹性恢复力偶矩 r-车厢侧倾角96第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系悬架线刚度与等效弹簧 悬架线刚度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。

18、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。97第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系 2 slkK 非独立悬架的线刚度：98第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系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，nsmsts式中，m是弹簧中心到铰接点距离，n是横臂长。根据力矩平衡：mskQmnFssztssszsnmksnmkF2故zF99第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系100第四节 汽车操纵稳定

19、性和悬架的关系2nmksFstz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22nmkksl101第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系对更复杂的悬架，整个悬架的线刚度为22tsslsskk式中，ss ，st分别是弹簧和车轮处的虚位移。102第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系用等效弹簧求悬架侧倾角刚度rlldBKBdBKdT221 2)2(2 2/2轮距单轮力 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：221 BKddTKlrrlK 车厢垂直位移时受到的弹性恢复力，就是具有悬架线刚度的等效弹簧所产生的弹性力。103第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系dQdl104第

20、四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系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300-1200 Nm/ ()。 后侧倾角刚度为180-700Nm/ () 。105第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系3）车厢侧倾角 车厢侧倾角车厢侧倾角指车厢在侧向力作用下绕侧倾轴的转角。 是影响汽车操纵稳定性的一个重要参数。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一侧冲击很大，同时会影响驾驶员路感。106第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系式中，M r是侧倾力矩，K r是悬架总的侧倾角刚度。侧倾力矩由下列三部

21、分组成：rrrKM 独立悬架非悬挂质量离心力引起的侧倾力矩悬挂质量离心力引起的侧倾力矩侧倾后，悬挂质量重力引起的侧倾力矩汽车作稳态圆周行驶时，车厢侧倾角决定于侧倾力矩与悬架总的角刚度。107第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系a、悬挂质量离心力引起的侧倾力矩syssyGaRumF2式中，ay是侧向加速度(g) ，Gs是悬挂质量重力(N)。从图中看到，Fsy引起的侧倾力矩为汽车作稳态行驶时，悬挂质量ms的离心力为hFMsyrI 式中，h是悬挂质心到侧倾轴的距离。108第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系b、侧倾后悬挂质量重力引起的侧倾力矩式中，e是侧倾后悬挂质心偏移距离。从图中有rssrIIhGeG

22、M 109第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系c、独立悬架非悬挂质量离心力引起的侧倾力矩rFGNFuyr2式中，Fr是铰链处的反作用力。对图中G点取力矩，有GNrFFuyr12即 设非悬挂质量的质心通过车轴轴线，即质心离地面高度等于车轮半径。整个非悬挂质量产生的离心力为Fuy,此力由地面侧向反作用力来平衡。 并设作用于每侧轮胎的地面侧向反作用力为总地面侧向反作用力的一半。110第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系GNKFrFEFFMuyrrIIIrrhGNKF0从图中有故)(0rhFMuyrIII111第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系汽车作稳态圆周运动时，车厢侧倾力矩为rIIIrIIrIrMMM

23、MrrrKM 式中，M r是侧倾力矩，K r是悬架总的侧倾角刚度。侧倾角计算：112第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系二、侧倾时垂直载荷重新分配及对稳态特性的影响113汽车简化模型前后悬架作用于车厢的恢复力矩为： 把等效模型前后轴作为隔离体，求出： LaFFLbFFFFFssyysssyysysyssy2121rrrrrrKTKT22111) 侧顷时垂直载荷重分配114前轮垂直反力的变动量： 后轮垂直反力的变动量： 侧倾后，前后轴左右车轮上的垂直反力为： 111111uyussylZhFThLbFBFrlZrZFF1122222uyussylZhFThLaFBFrlZrZFF22lZlZlZl

24、ZlZlZFFFFFF222111rZrZrZrZrZrZFFFFFF222111115第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系侧顷时前左轮垂直载荷变化量为111 1 11BhFMKKhLbFFuyurrrssylz分析：车厢作用的离心力越大(Fsy大)，或质心越靠前(bs 大)，或前侧顷中心越高 (h1大) ，或前悬架侧顷角刚度占总侧顷角刚度比例越高 (K r1 / K r大) ，或前轮距越小，则前左轮垂直载荷变化量就越大。 对前右轮，有： Fz1r= -Fz1l116第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系2) 侧顷时垂直载荷变动对侧偏刚度和稳态特性的影响度。每个车轮的平均侧偏刚为垂直载荷重新分配后则

25、令0002 2 kkFkkFkkkkkFyrlyrlrly 无侧向力时，左右轮垂直载荷W0都对应于侧偏刚度k0，左右轮侧偏角都为： ，式中Fy为左右轮侧偏力之和。 汽车转弯受到侧向力时，设左右轮垂直载荷变化为W，内外轮的侧偏刚度分别为kl，kr。但内外轮的侧偏角相同002/ kFy117第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系三、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）

26、时，则|k1|(这里|k1|即上式中的 )减少，根据)(212kakbLmK0k118结论：在侧向力作用下，若汽车前轴左、右车轮垂直载荷变动量较大，汽车趋于增加不足转向量；若后轴左、右车轮垂直载荷变动量较大，汽车趋于减少不足转向量。汽车前、后轴左、右车轮载荷变动量决定于：前、后悬架的侧倾角刚度、悬挂质量、非悬挂质量、质心位置、前、后悬架侧倾中心位置等参数的数值。119第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系四、车厢侧倾引起的车轮外倾1）有车轮外倾时的侧偏角kkFFFYYYFY是侧偏力，FY是外倾侧向力kkkFFFkkFFFYYYYYY)(1这是有车轮外倾时的侧偏角。当汽车转弯时，如车轮外倾方向与转弯

27、方向（即侧向反力方向）一致时，绝对值减少。如车轮外倾方向与转弯方向相反时，绝对值增加。要保持高的极限性能，急速转弯时承受大部要保持高的极限性能，急速转弯时承受大部分垂直载荷的外侧车轮应尽量垂直地面。分垂直载荷的外侧车轮应尽量垂直地面。120第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系2）车轮外倾角的确定 车轮外倾角由车轮相对于车厢的外倾角1和车厢相对于地面的侧倾角r合成。 假设车厢不动，地面以反方向转过一角度r。这时根据悬架导向杆系运动学关系，求出车轮与车厢的相对转动角度r 。然后让地面和汽车同时转回到地面水平位置，这样便可确定车轮外倾角的值。121第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系122第四节 汽车操纵稳定性和悬架的关系五、侧倾转向 在侧向力作用下车厢发生侧倾，由