线性二自由度汽车操纵稳定性课件

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。汽车的操纵稳定性2023/8/19江苏大学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

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。一、操纵稳定性包含的内容2023/8/19江苏大学2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2023/8/19江苏大学31.转向盘角阶跃输入下的响应稳态响应瞬态响应横摆角速

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2023/8/19江苏大学4转向盘转角正弦输入下，频率由0→∞变化时，汽车横摆角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

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。2023/8/19江苏大学53.转向盘中间位置操纵稳定性转向灵敏度。评价参量转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。

前轮侧偏角在4度以内时，轮胎侧偏特性呈现线性变化

轮胎的侧偏特性3.FY－α曲线2023/8/19江苏大学6k—侧偏刚度。FY一定时希望侧偏角越小越好，所以

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。线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应2023/8/19江苏大学7本节将首先建立线性二自由度汽车模型，在此基础上，分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。

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ay≤0.4g，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。2023/8/19江苏大学8线性二自由度汽车模型运动微分方程1.建模中假设2）忽xy2.两轮汽车模型及车辆坐标系2023/8/19江苏大学9xy2.两轮汽车模型及车辆坐标系2023/8/5江苏大学9

确定汽车质心（绝对）加速度在车辆坐标系的分量ax和ay。3.运动学分析

沿Ox轴速度分量的变化为2023/8/19江苏大学10确定汽车质心（绝对）加速度在车辆坐标系的分量ax和上式除以Δt并取极限得考虑到很小并忽略二阶微量同理可得2023/8/19江苏大学11上式除以Δt并取极限得考虑到很小并忽略二阶微量考虑到δ角较小4.二自由度汽车动力学分析2023/8/19江苏大学12考虑到δ角较小4.二自由度汽车动力学分析2023/8/5江苏质心侧偏角2023/8/19江苏大学13质心侧偏角2023/8/5江苏大学13由于

整理后得二自由度汽车运动微分方程式2023/8/19江苏大学14由于整理后得二自由度汽车运动微分方程式2023/8/

状态空间2023/8/19江苏大学15状态空间2023/

仿真数据仿真时间汽车总质量绕

轴转动惯量

轴距

质心至前轴距离

质心至后轴距离

前轮总侧偏刚度

后轮总侧偏刚度

2023/8/19江苏大学16仿

仿真模型2023/8/19江苏大学17

前轮转角为

1度，车速为

80km/h2023/8/19江苏大学18前轮转角为1度，车速为80km/h2023/8/5江苏大比较不同前轮角阶跃输入（1度，2度，3度

），车速在

80km/h2023/8/19江苏大学19比较不同前轮角阶跃输入（1度，2度，3度），车速在80k输出信号分为3条，黄色实线表示前轮转角

为

1度，粉红色虚线表示前轮转角为

2度，蓝绿色点线表示前轮转角为

3度

2023/8/19江苏大学20输出信号分为3条，黄色实线表示前轮转角为1度，粉红色虚线输出信号分为3条，黄色实线表示前轮转角

为

1度，粉红色虚线表

示前轮转角为

2度，蓝绿色点线表示前轮转角为

3度

2023/8/19江苏大学21输出信号分为3条，黄色实线表示前轮转角为1度，粉红色虚线

总结由上面两幅图，可以看出在车速为80km/h下，随着前轮转角的增大（1度，2度，3度

），汽车质心侧偏角明显增大并开始出现振荡，固有圆频率及阻尼比减小，超调量及稳定时间增加，因此应该避免在高速行驶时急转方向盘产生大的前轮转角。2023/8/19江苏大学22总结由上比较前轮转角为2度，不同车速（60km/h，80km/h，100km/h）下，横摆角速度响应曲线和质心侧偏角响应曲线的变化2023/8/19江苏大学23比较前轮转角为2度，不同车速（60km/h，80km/h，1黄色实线表示车速为60km/h，粉红色虚线表示车速为80km/h，蓝绿色点线表示车速为100km/h2023/8/19江苏大学24黄色实线表示车速为60km/h，粉红色虚线表示车速为80k黄色实线表示车速为60km/h，粉红色虚线表示车速为80km/h，蓝绿色点线表示车速为100km/h

2023/8/19江苏大学25黄色实线表示车速为60km/h，粉红色虚线表示车速为80k

总结由图可知，降低汽车行驶速度，可以减小质心侧偏角，使固有圆频率及阻尼比增加，超调量及稳定时间减少；而增加行驶速度，可使反映时间缩短。因此，较低的行驶速度使汽车具有更好的瞬态响应特性。2023/8/19江苏大学26总结由图

四,结论

通过建立汽车动力学模型，对汽车操纵性进行了模拟，和汽车理论（第五版）教材上的理论吻合，取得了比较好的效果。由此可知车速和前轮转角都对二自由度汽车操纵稳定性有很大影响。汽车以较低速度，较小的前轮转角行驶时，是相对安全的。

2023/8/19江苏大学27四,结论

通过建

五,参考文献

[1]（清华大学）余志生.汽车理论（第五版）[M].北京.机械工业出版社，2011.[2]（江苏大学）王国林，杨建，樊旭峰，陆丹.