汽车理论——汽车的稳定性

1、1 汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳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。稳定行驶的能力。 汽车的操纵稳定性是汽车汽车的操纵稳定性是汽车主动安全性主动安全性的重要评价指标。的重要评价指标。第五章汽车的操纵稳定性返回目录返回目录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

2、的时域响应特性等。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本节还将介绍操纵稳定性的研究方法及试验评价方法。方法。第五章 汽车的操纵稳定性返回目录返回目录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随时间而变化的特性称为时域响应特性时域响应特性。 转向盘输入有角位移输入和力矩输入。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外界干扰输入主要是指侧向风和路面不平产生的侧向力。力。第一节 操纵稳定性概述一、操纵稳定性包含的内容41.转向盘角阶跃

3、输入下的响应稳态响应稳态响应瞬态响应瞬态响应 横摆角速度增益横摆角速度增益转向灵敏度。转向灵敏度。评价参量评价参量 反应时间。反应时间。 横摆角速度波动的横摆角速度波动的无阻尼圆频率。无阻尼圆频率。评价参量评价参量第一节 操纵稳定性概述操纵稳定性包含的内容操纵稳定性包含的内容5 转向盘转角正弦输转向盘转角正弦输入下，频率由入下，频率由0变变化时，汽车横摆角速化时，汽车横摆角速度与转向盘转角的振度与转向盘转角的振幅比及相位差的变化幅比及相位差的变化规律。规律。 共振峰频率。共振峰频率。 共振时振幅比。共振时振幅比。 相位滞后角。相位滞后角。 稳态增益。稳态增益。评价参量评价参量第一节 操纵稳定性

4、概述2.横摆角速度频率响应特性操纵稳定性包含的内容操纵稳定性包含的内容63.转向盘中间位置操纵稳定性 转向灵敏度。转向灵敏度。 转向盘力特性。转向盘力特性。 转向功灵敏度。转向功灵敏度。评价参量评价参量第一节 操纵稳定性概述 转向盘力输入转向盘力输入下的时域响应。下的时域响应。 回正后剩余横摆角回正后剩余横摆角速度与剩余横摆角。速度与剩余横摆角。 达到剩余横摆角速达到剩余横摆角速度的时间。度的时间。评价参量评价参量4.回正性操纵稳定性包含的内容操纵稳定性包含的内容 转向盘小转角、低频转向盘小转角、低频正弦输入下，汽车高速正弦输入下，汽车高速行驶时的操纵稳定性。行驶时的操纵稳定性。7车型车型最小

5、转最小转向半向半径径/ /m（左（左/ /右）右）Audi A45.6/5.6（轴距（轴距2650 mm ）宝马宝马520i5.65/5.65（轴距（轴距2830 mm ）雷克萨斯雷克萨斯LS4305.4/5.3（轴距（轴距2925 mm ）一些常见车型的最小转向半径一些常见车型的最小转向半径评价参量：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操纵稳定性包含的内容8 评价转动转向盘轻便评价转动转向盘轻便程度的特性。程度的特性。 包括原地转向轻便性、包括原地转向轻便性、低速行驶转向轻便性和高低速行驶转向轻便性和高速行驶转向轻便性。速行驶转向轻便性

6、。 转向力。转向力。 转向功。转向功。目前部分轿车上使用的电动助力转向系统（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。能很好地兼顾各种车速下行驶时的转向轻便性。评价参量评价参量第一节 操纵稳定性概述6.转向轻便性操纵稳定性包含的内容操纵稳定性包含的内容9直线行驶性直线行驶性转向盘转角和（累计值）转向盘转角和（累计值）侧向风敏感性侧向风敏感性路面不平敏感性路面不平敏感性侧向偏移侧向偏移评价参量评价参量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操纵稳定性包含的内容10 蛇行性能蛇行性能 移线性能移线性能 双移线性能

7、双移线性能回避障碍性能回避障碍性能 转向盘转角、转向转向盘转角、转向力、侧向加速度、横力、侧向加速度、横摆角速度、侧偏角、摆角速度、侧偏角、车速等。车速等。在汽车性能参数里，往往以应急性能给出。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（满载主要包括：蛇行绕桩速度（满载/空载）、空载）、紧急变线速度（满载紧急变线速度（满载/空载）。空载）。评价参量评价参量第一节 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操纵稳定性包含的内容11 三辆轿车在做三辆轿车在做蛇形绕桩性能对蛇形绕桩性能对比测试。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

8、）时车身总有一定的倾斜汽车在绕桩（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车身外倾车身外倾驾驶舱内倾驾驶舱内倾设计的理念是驾设计的理念是驾驶舱永不倾斜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车型车型紧急变线速度紧急变线速度/（km h1）（空载）（空载） 新雅阁新雅阁97.3 马自达马自达6120 Audi A4124.9 Audi A8131.6一些常见轿车的紧急变线速度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操纵稳定性包含的内容18第一节 操纵稳定性

9、概述蛇形绕桩测试蛇形绕桩测试（视频）（视频）19第一节 操纵稳定性概述蛇形绕桩测试蛇形绕桩测试（视频）（视频）20第一节 操纵稳定性概述蛇形绕桩测试蛇形绕桩测试（视频）（视频）21第一节 操纵稳定性概述蛇形绕桩测试蛇形绕桩测试（视频）（视频）22极限侧向加速度极限侧向加速度抗侧翻能力抗侧翻能力极限车速极限车速 回至原来路径回至原来路径所需时间所需时间评价参量评价参量评价参量评价参量评价参量评价参量 圆周行驶极限圆周行驶极限侧向加速度侧向加速度第一节 操纵稳定性概述9.极限行驶能力 发生侧滑时的发生侧滑时的控制能力控制能力操纵稳定性包含的内容操纵稳定性包含的内容23第一节 操纵稳定性概述1.车辆

10、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转向盘角阶跃输入。时间时间 t转向盘转角转向盘转角第一节 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，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。称为转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应。sw025不足转向不足转向 ；中性转向中性转向 不变；不变；过多转向过多转向 。稳态响

11、应特性有三种类型稳态响应特性有三种类型第一节 操纵稳定性概述auRauRauR26 转向盘角阶跃输转向盘角阶跃输入前后，入前后，直线行驶与直线行驶与等速圆周行驶这两个等速圆周行驶这两个稳态运动之间的过渡稳态运动之间的过渡过程是一种瞬态，相过程是一种瞬态，相应的瞬态运动响应称应的瞬态运动响应称为为转向盘角阶跃输入转向盘角阶跃输入下的瞬态响应下的瞬态响应。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）时间上的滞后瞬态响应的评价指标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）执行上的误差（r1/r0）100 称为超调量称为超调量3）横摆角速度的波动）横摆角速度的波动 波

12、动的波动的 2/T , 取取决于汽车的结构参数决于汽车的结构参数 4）进入稳态所经历）进入稳态所经历的时间的时间28将汽车作为开路控制系统将汽车作为开路控制系统人人汽车系统作为闭路系统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通过仪器测出横摆角速度、侧向加速度、侧速度、侧向加速度、侧倾角及转向力。倾角及转向力。 让试验评价人员根让试验评价人员根据试验时自己的感觉据试验时自己的感觉进行评价。进行评价。 人人汽车闭路系统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开路系统主观评价法主观评价法客观评价法客观评价法30 本节

13、主要研究轮胎的侧偏现象和侧偏特性。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。侧偏特性是指侧偏力、回正力矩与侧偏角的关系。第五章第五章 汽车的操纵稳定性汽车的操纵稳定性第二节轮胎的侧偏特性返回目录返回目录31OXY车轮平面车轮平面车轮行驶方向车轮行驶方向正地面切向正地面切向反作用力反作用力FX正翻转力矩正翻转力矩 TX正地面法向正地面法向反作用力反作用力FZ正地面侧向反作用力正地面侧向反作用力FY车轮旋转轴线车轮旋转轴线正侧偏角正侧偏角正回正力矩正回正力矩TZ正正TY正外倾角正外倾角Z侧偏角侧偏角轮胎接地印迹中心的轮胎接地印迹中心的位移方向与位移方向与X

14、轴的夹角轴的夹角外倾角外倾角过轮胎坐标系原点的过轮胎坐标系原点的垂线与车轮平面的夹角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32地面作用于车轮的侧向反作用力。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FY33lyZFFuccucclyZFFu u 只有当侧向力只有当侧向力 大于（或等于）车轮与路面大于（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。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yFyF34FY俯视图俯视图第二节 轮胎的侧偏特性车轮静止车轮静止2）在弹

15、性轮上作用侧向力yFyF35FY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车轮滚动yFyF360XYFY侧偏力为正时，侧偏力为正时，产生负侧偏角。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，即使当车轮有侧向弹性时，即使FY没有没有达到侧向附着极限，车轮行驶方向也达到侧向附着极限，车轮行驶方向也将偏离车轮平面的方向。将偏离车轮平面的方向。侧偏角侧偏角 轮胎接地印轮胎接地印迹中心的位移迹中心的位移方向与方向与X轴的轴的夹角。夹角。u37kFYk侧偏刚度。侧偏刚度。 FY一定时希望侧一定时希望侧偏角越小越好，偏角越小越好，所所以以 |k| 越大越好。越大越好

16、。第二节 轮胎的侧偏特性3.FY曲线38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大尺寸轮胎子午线轮胎子午线轮胎斜交轮胎斜交轮胎钢丝子午线轮胎钢丝子午线轮胎纤维子午线轮胎纤维子午线轮胎轮胎的尺寸、型式和结构参数对侧偏刚度有显著影响。轮胎的尺寸、型式和结构参数对侧偏刚度有显著影响。侧偏刚度大侧偏刚度大侧偏刚度小侧偏刚度小大尺寸轮胎大尺寸轮胎 小尺寸轮胎小尺寸轮胎39第二节 轮胎的侧偏特性（1）扁平率小，k大HB扁平率扁平率=(H/B)100% 40车型车型轮胎型号轮胎型号扁平率扁平率(%) 新雅阁新雅阁 普利斯通普利斯通205/65R1565 奔驰奔驰 S320米其林

17、米其林225/60R16 W60 奔驰奔驰 LORINSER 米其林米其林275/30 ZR19 30宽度宽度一些车型轮胎的型号及扁平率一些车型轮胎的型号及扁平率轮辋轮辋直径直径第二节 轮胎的侧偏特性41第二节 轮胎的侧偏特性42第二节 轮胎的侧偏特性（2）垂直载荷大，k大43 一定时，一定时，W大，大，FY大。大。 FY = ，即即k大大。 垂直载荷过大垂直载荷过大时，轮胎与地面时，轮胎与地面接触区的压力分接触区的压力分布不均匀，使布不均匀，使 k反而有所减小。反而有所减小。第二节 轮胎的侧偏特性k44第二节 轮胎的侧偏特性（3）轮胎气压高，k大45FX1FY1FX2FY2第二节 轮胎的侧偏

18、特性（4）FX 越大，FY 越小46第二节 轮胎的侧偏特性（5）路面干湿状态47 路面有薄路面有薄水层时，由于水层时，由于滑水现象，会滑水现象，会出现完全丧失出现完全丧失侧偏力的情况。侧偏力的情况。第二节 轮胎的侧偏特性轮胎胎面、路面粗糙程度、水层厚度与滑水现象的关系轮胎胎面、路面粗糙程度、水层厚度与滑水现象的关系48四、回正力矩TZ轮胎发生侧偏时，会产生作用于轮胎绕轮胎发生侧偏时，会产生作用于轮胎绕OZ轴的力矩，该轴的力矩，该力矩称为回正力矩。力矩称为回正力矩。车轮静止时受到车轮静止时受到侧向力侧向力 车轮运动时受到侧向力车轮运动时受到侧向力（侧向力较小）（侧向力较小） 车轮运动时受到侧向力

19、车轮运动时受到侧向力（侧向力较大）（侧向力较大）第二节 轮胎的侧偏特性FYeFYe轮胎轮胎拖距。拖距。eFY轮胎拖距轮胎拖距变大变大49四、回正力矩TZ轮胎发生侧偏时，会产生作用于轮胎绕轮胎发生侧偏时，会产生作用于轮胎绕OZ轴的力矩，该轴的力矩，该力矩称为回正力矩。力矩称为回正力矩。 车轮运动时受到侧向力（侧向力很大）车轮运动时受到侧向力（侧向力很大）FYTZuXYeFTYZ+-+-0第二节 轮胎的侧偏特性FYe 轮胎拖距轮胎拖距反而变小反而变小50第二节 轮胎的侧偏特性51YFyF+OXYZ-第二节 轮胎的侧偏特性向外滚开的趋势向外滚开的趋势五、有外倾时轮胎的FY与外倾角、侧偏角的关系52k

20、FYk外倾刚度。外倾刚度。+-第二节 轮胎的侧偏特性1.外倾侧向力FY53 一定时，一定时， 越大，越大，FY越大。越大。增加的增加的FY是由是由作用的结果。作用的结果。第二节 轮胎的侧偏特性541）=0=0kFFYY2 2）0YYYFFFkk0kk3）有）有，FY=0，即，即a点点kk2.有外倾时FY与、的关系第二节 轮胎的侧偏特性555）外倾时产生的回正力矩4）过大对汽车产生不良影响影响轮胎与路面影响轮胎与路面的良好接触的良好接触第二节 轮胎的侧偏特性汽车轮胎汽车轮胎摩托车轮胎摩托车轮胎56第二节 轮胎的侧偏特性57第五章第五章 汽车的操纵稳定性汽车的操纵稳定性 本节将首先建立线性二自由度

21、汽车模型，在此基础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。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返回目录58一、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）忽略悬架的作用；车身只作平行于地面的平面运动，绕 z 轴的轴的位移、绕位移、绕 y 轴的俯仰角和绕轴的俯仰角和绕 x 轴的侧倾角均为零，且轴的侧倾角均为零，且 ；lrZZFF 3）汽车前进速度不变。）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

22、输入的响应思考：车辆坐标系中思考：车辆坐标系中，汽车共有多少个自由度？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。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；）忽略转向系统的影响，直接以前轮转角作为输入； 假定汽车假定汽车 ay0.4g，轮胎侧偏特性处于线性范围内；不计地面切向，轮胎侧偏特性处于线性范围内；不计地面切向力力FX、外倾侧向力、外倾侧向力 、回正力矩、回正力矩 TZ、垂直载荷的变化对轮胎侧偏刚、垂直载荷的变化对轮胎侧偏刚度的影响。度的影响。yF59xy第三节 线性二

23、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60 确定汽车质心（绝确定汽车质心（绝对）加速度在车辆坐标对）加速度在车辆坐标系的分量系的分量ax和和ay。sincosvvuuusinsincoscosvvuuu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 沿沿Ox轴速度分轴速度分量的变化为量的变化为61sinsincoscosvvuuuvu上式除以上式除以t并取极限得并取极限得rddddvutvtuax考虑到考虑到 很小并忽略二阶微量很小并忽略二阶微量同理可得同理可得ruvay 第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应622121coscosYYZYYYbF

24、aFMFFF考虑到考虑到角较小角较小1cos111kFY222kFY22112211bkakMkkFZY4.二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63质心侧偏角质心侧偏角uvuavruar1uarubvr2ubr第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应64ubkuakFYr2r1ubbkuaakMZr2r1yYmaFrZZIM由于由于rr2r1uvmubkuakrr12rZabakbkIuu1212r1r221212r1r11Zkkakbkkm vuuakbka kb kakIu 整理后得二自由整理后得二自由度汽车运动微分方度汽车运动微分方程式程式第三节 线

25、性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应650v 0r代入运动微分方程式得代入运动微分方程式得0111r221221r1r2121akkbkauuvbkakmukbkakuuvkk1.稳态响应稳态时稳态时r为定值为定值消去消去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66sr22122sr11KuLuukbkaLmLu122kbkaLmK称为稳态横摆角速度增益，也称转向灵敏度。称为稳态横摆角速度增益，也称转向灵敏度。K稳定性因数。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67LusrLuRu/LR R 与与 u 无关，汽车具有中性

26、转向的特性。无关，汽车具有中性转向的特性。1）中性转向当当 K=0 时，由时，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r2s1u LKu68021LR0uO0/RL/0LR 当汽车低速转向时，离当汽车低速转向时，离心力很小，心力很小，FY1和和FY2也很小。也很小。 中性转向汽车的转向中性转向汽车的转向半径半径R等于汽车以极低车等于汽车以极低车速转向（忽略侧偏角）速转向（忽略侧偏角）时的转向半径时的转向半径R0。第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应6921KuLuR/u21KuLR201KuR由于由于 K0，所以，所以RR0且且 u R 汽车具有不足转向

27、特性汽车具有不足转向特性Ku1ch当当maxsr 横摆角速度增益为与轴距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相等的中性转向汽车横摆角速度增益的一半。增益的一半。 称为特征车速。当不足转向称为特征车速。当不足转向量增加时，量增加时，K 增大，特征车速降低。增大，特征车速降低。2）不足转向当当 K0 时，由时，由2sr1KuLu112 Ku横摆角速度增益比中性转向时要小。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chu702sr1KuLu112 Ku横摆角速度增益横摆角速度增益 比中性转向时要大。比中性转向时要大。rs201KuRR由由R 0由于

28、由于 k10 , k20，不足转向，不足转向K=0，中性转向，中性转向K0， R/R01，汽车具有不足转向特点；，汽车具有不足转向特点；K0， R/R0 0时时0r20r0r2B 这是二阶常系数非齐次微分方程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前轮角阶跃输入的数学表达式为01r20r0r2BB 890sr022000r1KuLuB即稳态横摆角速度即稳态横摆角速度0srr0对应的齐次方程为对应的齐次方程为02r20r0r 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其特解为900220r02s根据根据的数值，特征方程的根

29、为的数值，特征方程的根为两个不同实根一对共轭复根111112000200ssis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其通解可由如下特征方程求得齐次方程的根为齐次方程的根为002200002r0r1211r341esin11e1eettttCtCC tCC91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，称为大阻尼，r（t）单调上升；）单调上升；r（t）趋于）趋于r0 ，但当，但当u ，r趋于无穷大；趋于无穷大； =1，称为临界阻尼，称为临界阻尼， r（t）单调上升趋于）单调上升趋于r 0； 1，称为小阻尼，称为小阻尼， r（t）是一条收敛于

30、）是一条收敛于r 0的减幅的减幅正弦曲线。正弦曲线。当当 以后，以后， ，汽车不稳定，汽车不稳定 的第二项恒为正，当车速很低时，它是很大的值，的第二项恒为正，当车速很低时，它是很大的值，均为正值，均为正值，r（t）收敛，汽车稳定；）收敛，汽车稳定； 随着车速的增加，随着车速的增加， 第二项越来越小；第二项越来越小； 当汽车为过多转向，且当汽车为过多转向，且 为负值时，为负值时， 就可能为负值，就可能为负值，r（t）发散，汽车不稳定。）发散，汽车不稳定。2020021bkak20第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应020020的车速称为临界车速的车速称为临界车速Ku1cr0222121

31、20ZZImuLkkIbkak令crucru103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。同，相位也要发生变化。 输出、输入的幅值比是频率输出、输入的幅值比是频率 f 的函数，称为的函数，称为幅频特性幅频特性。 相位差也是相位差也是 f 的函数，称为的函数，称为相频特性相频特性。 两者统称为两者统称为频率特性频率特性。10401r20r0r2BB 对

32、上式进行傅里叶变换，得对上式进行傅里叶变换，得 01r20r0r2jj2BBrr( ) 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频率响应函数为 rrjH的傅里叶变换；的傅里叶变换；( ) 的傅里叶变换。的傅里叶变换。105 rrjH200201j2jBBj2j2j2j02200220022001BBj424222022220012201220222202200201BBBB jCB第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 22CBA幅频特性为幅频特性为相频特性为相频特性为 arctanCB 106第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应107 1）频率为零时的幅

33、值比，即稳）频率为零时的幅值比，即稳态增益（图中以态增益（图中以 a 表示）；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评价横摆角速度频率响应的五个参数 ）共振峰频率）共振峰频率 fr ，fr 值越高，值越高，操纵稳定性越好；操纵稳定性越好； ）共振时的增幅比）共振时的增幅比 b/a，b/a 应小一点；应小一点； ）f =0.1Hz 时的相位滞后角，时的相位滞后角， 这个数值应该接近于零；这个数值应该接近于零；0.1f ），），f = 0.6Hz 时的相位时的相位滞后角，其数值应当小些。滞后角，其数值应当小些。0.6f108第五章第五章 汽车的操纵稳

34、定性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、本节将学习弹性侧偏角、 侧倾转向角和变形转向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。影响，了解改善汽车操纵稳定性的方法。返回目录返回目录109 1）前、后轴左、右两侧车轮的垂直载荷要发生变化；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；之变化； 3）车轮上有切向反作用力；车轮上有切向反

35、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。动及变形。 综上，汽车侧偏角还应该包括以下三个部分：综上，汽车侧偏角还应该包括以下三个部分： 1）弹性侧偏角（）弹性侧偏角（FZ变化和变化和的变化引起的侧偏角的变化引起的侧偏角的变化）；的变化）； 2）侧倾转向角（车厢侧倾而导致前后轮转角的变化）；）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）。）变形转向角（悬架导向杆系变形引起的车轮转角的变化）。第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系汽车操纵稳定性与悬架

36、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。考虑以下因素对轮胎侧偏角的影响。110侧倾轴线是侧倾中心的连线。侧倾轴线是侧倾中心的连线。 1）侧倾轴线侧倾轴线：车厢相对于地面转动时的瞬时轴线；：车厢相对于地面转动时的瞬时轴线； 2）侧倾中心侧倾中心：侧倾轴线通过前、后轴处横断面上的瞬时转：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。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.车厢侧倾轴线车厢侧倾轴线想一想：先确定

37、侧倾轴线再确定侧倾中心想一想：先确定侧倾轴线再确定侧倾中心，还是先还是先确定侧倾中心再确定侧倾轴线？确定侧倾中心再确定侧倾轴线？第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系汽车操纵稳定性与悬架的关系1111234O24O13 假定车厢不动，地面和车轮相对车厢转动；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；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。对四连杆机构会用到三心定理。确定侧倾中心时确定侧倾中心时第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系汽车操纵稳定性与悬架的关系 四连杆机构中相四连杆机构中相对两杆的相对运动瞬对两杆的相对运动瞬心是相邻两杆延长线心是相邻

38、两杆延长线的交点。的交点。112dvgvOm1）单横臂独立悬架车厢的侧倾中心第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系汽车操纵稳定性与悬架的关系113DGOlOrOmdvgv2）双横臂独立悬架的侧倾中心第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系汽车操纵稳定性与悬架的关系114双横臂独立悬架的等效单横臂悬架双横臂独立悬架的等效单横臂悬架第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系汽车操纵稳定性与悬架的关系115定义：车厢定义：车厢侧倾时，单位车厢转角下，悬架系统给车厢侧倾时，单位车厢转角下，悬架系统给车厢总的弹性恢复力偶矩：总的弹性恢复力偶矩：1）悬架的线刚度定义：定义：车轮保持在地面上而车厢作垂直运动

39、时，单位车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：厢位移下，悬架系统给车厢的总弹性恢复力：sFKl2.悬架的侧倾角刚度第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系汽车操纵稳定性与悬架的关系rrddTK116skF2ssl2ksFK（1）非独立悬架（2）独立悬架恢复力恢复力弹性元件弹性元件导向杆系约束反力导向杆系约束反力第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系汽车操纵稳定性与悬架的关系117mnZFZF2uGaFaFQQssskQnsmstsQmnFZmsksssssnmkFZt2ssnmk2stnmksFZ22nmkKsl第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架

40、的关系汽车操纵稳定性与悬架的关系tssstssnms 118uts02ZGFsQs uts02ZZGFFsQQstsZFsQ s用虚位移原理确定悬架侧倾角刚度用虚位移原理确定悬架侧倾角刚度mnssstZFZFu2GaFaFQQ第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系汽车操纵稳定性与悬架的关系119用虚位移原理确定悬架侧倾角刚度用虚位移原理确定悬架侧倾角刚度mnZFZFu2GaFaFQQ第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系汽车操纵稳定性与悬架的关系stZsFQs sltsst2sKsKsssslstt2ssKKssssttssss2slst2sKKs2ls2mKknssts120r2ld21

41、dBKT2r21BKKl2sr21nBmKK2）悬架的侧倾角刚度第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系汽车操纵稳定性与悬架的关系121 r大，水平晃动大，大，水平晃动大，乘客不稳定，无安全感。乘客不稳定，无安全感。 r小，小， 地面不平时有冲击感。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操纵稳定性平顺性平顺性 侧倾角改变了外倾角侧倾角改变了外倾角； 侧倾角改变了内外车轮的垂侧倾角改变了内外车轮的垂直载荷直载荷FZ，从而改变侧偏角，从而改变侧偏角。rrrKM 在确定悬架总侧倾角刚度在确定悬架总侧倾角刚度 时，要时，要综合考虑对操纵稳定性和平顺性的影响。综合考虑对操纵稳定性和平顺性

42、的影响。rK第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系汽车操纵稳定性与悬架的关系rrsKk122s2ssGaRumFyyhFMysrLahbhhHNhhs2s1ss1）悬挂质量的离心力引起的侧倾力矩Mr第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系汽车操纵稳定性与悬架的关系123rssrhGeGM2）侧倾后悬挂质量重力引起的侧倾力矩Mr第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系汽车操纵稳定性与悬架的关系124lFrFrIIIrlMFF力矩即为对车身的和rFNGFy2urEFFMrrIIINGKFrFyurrhNGKF0rhFMy0urIII3）独立悬架中非悬挂质量的离心力引起的侧倾力矩Mr第四节第四节

43、汽车操纵稳定性与悬架的关系汽车操纵稳定性与悬架的关系NGrFFy2uru2yFZFYFrFu2yFZFYFlF125rIIIrIIrIrMMMM 悬架总侧倾刚度等于悬架总侧倾刚度等于 前、后悬架及横向稳定杆的侧前、后悬架及横向稳定杆的侧倾角刚度之和。倾角刚度之和。rKrrrKM第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系汽车操纵稳定性与悬架的关系126二、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，悬工字形车架代表车厢，悬挂质量为挂质量为Ms。 工字形车架分别通过前、工字形车架分别通过前、后悬架的侧倾中心后悬架的侧倾中心m01和

44、和m02 与前后轴相铰接，同时又通过与前后轴相铰接，同时又通过前后悬架的弹性元件分别与前、前后悬架的弹性元件分别与前、后轴相连接。后轴相连接。第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系汽车操纵稳定性与悬架的关系127第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系汽车操纵稳定性与悬架的关系r1Tr2TrT128yyyFFFs2s1sLbFFyysss1LaFFyysss2第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系汽车操纵稳定性与悬架的关系129rr1r1KT1u1u1r1ss11hFThLbFBFyylZlZZFF1r1rr2r2KTu2u2r22ss22hFThLaFBFyylZlZZFF22rlZlZ

45、lZFFF111r1r1r1ZZZFFFlZlZlZFFF2222r2r2rZZZFFF第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系汽车操纵稳定性与悬架的关系130002kFYrlkkFYrkkFlY2r0kkkl02kFY00kk0车身不侧倾时车身不侧倾时车身侧倾后车身侧倾后2.左右轮垂直载荷再分配时轮胎的侧偏刚度 rl当车身侧倾严重时当车身侧倾严重时，是增大还是减小？是增大还是减小？第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系汽车操纵稳定性与悬架的关系1311ZF1汽车趋于增加不足转向汽车趋于增加不足转向22ZF汽车趋于减少不足转向汽车趋于减少不足转向11u1urr11ss1/ )(BhFKhLb

46、FFyyZ2u2u2rr22ss2/ )(BhFKhLaFFyyZ用以上结论分析，如何通过改变前后轴左、右侧车轮垂用以上结论分析，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？同？为什么？思考思考第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系汽车操纵稳定性与悬架的关系132FY不变不变沿沿FY侧倾侧倾FY-+-减小减小kkkFFFkYYY1增大增大三、侧倾外倾侧倾时车轮外倾角的变化 侧倾时侧倾时的变的变化有三种可

47、能化有三种可能第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系汽车操纵稳定性与悬架的关系沿沿FY相反相反方向侧倾方向侧倾YYYFFF133 地面转过地面转过r确定车确定车轮相对于车厢外倾角轮相对于车厢外倾角 。 地面回到水平位置地面回到水平位置确定车厢相对于地面产确定车厢相对于地面产生侧倾角生侧倾角r时，轮胎外时，轮胎外倾角倾角 。 车轮外倾角车轮外倾角的确定的确定第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系汽车操纵稳定性与悬架的关系134车厢侧倾时不同形式悬架所引起的车轮外倾角的车厢侧倾时不同形式悬架所引起的车轮外倾角的变化变化 非独立悬架车身侧倾时，前轮外倾角不变。非独立悬架车身侧倾时，前轮外倾角不变。第四节第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系汽车操纵稳定性与悬架的关系135车厢侧倾时不同形式悬架所引起的车轮外倾角的车厢侧倾时不同形式悬架所引起的