汽车操操纵稳定性.ppt

1、汽车的操纵稳定性,5.1 汽车操纵稳定性研究的 主要内容 5.2 汽车极限行驶稳定性 5.3 轮胎的侧偏特性 5.4 汽车的转向特性 5.5 汽车转向轮的振动 5.6 转向轮的稳定效应,目录,5.1 汽车操纵稳定性研究的主要内容,操纵性：汽车能够确切地响应驾 驶员转向指令的能力。 稳定性：汽车行驶中具有抵抗改 变行驶方向的各种干扰并 保持稳定行驶的能力。,1、极限行驶稳定性 横向倾翻的最大坡度；横向倾翻的最大 车速；纵向行驶稳定性。,2、直线行驶性能 抗侧风和路面不平度的稳定性。,3、转向轻便性 原地转向轻便性(静态) 行驶转向轻便性(动态),4、转向灵敏性 时域响应：稳态响应、瞬态响应； 频

2、域响应：振幅比(增益)、相位比。,5.2 汽车极限行驶稳定性,1. 横向倾翻的最大坡度 2. 横向倾翻的最大车速 3. 纵向行驶稳定性,汽车在坡道尤其是横坡上丧失稳定性的 表现为汽车的翻倾和滑移：,静态受力分析如右图示：,当角增大到重力G通过A点时的角称为横向倾翻的极限 坡度，此时得,实际上，大多数汽车在未达到max时就开始滑动，主要是由于驱动轮与地面的附着力F不够造成的。,1.横向倾翻的最大坡度,下面进一步分析汽车侧滑在翻倾之前的条件：,设在坡道上转向，则产生一离心力Fc，在离心力的作 用下可能向左翻倾，则向左的力矩必须大于向右的力矩：,发生翻倾条件：,b.发生侧滑条件：,c、侧滑在翻倾之前

3、的条件,为了保证安全，应使侧滑在翻倾之前，则必须vmax vmax ，即先产生侧滑的条件：,故考虑不产生侧滑的最大坡度为：tgmax=,如：附着系数为 =0.3的滑溜路面,不产生侧滑的最大坡度为:max=16.7。,2.横向倾翻的最大车速,hg,Fzl,Fzr,B,G,A,B/2,Fxl,Fxt,Fc,图51 汽车在横坡上转向时的受力简图,A,在离心力Fc的作用下，汽车可能以A为支点向外侧翻，当Fzr=0时，汽车将失去横向稳定性而开始侧翻。 汽车绕A侧翻的条件为： FchgGB/2,当B/2hg，说明产生不了侧滑，只得发生倾翻，小轿车的重心低，一般能满足B/2hg，在弯通高速行驶容易侧翻。 若

4、弯道的外侧比内侧高，由于重力的横向分力与转弯中离心力的横向分力相反，可以避免侧翻，可以略提高行驶速度。所以公路在弯道处，路面都是外侧高于内侧。,3.纵向行驶稳定性,汽车的纵向行驶稳定性决定于重心高度和重心至前轴（或后轴）的距离。 tgmax=a/ hg tgmax=b/ hg 分析从略，与横向分析方法相同。,汽车坐标系及汽车的主要运动形式： 前进速度v：质心速度沿X 轴的分量； 侧倾角速度p(roll velocity)：质心绕X 轴旋转角速度。,侧向速度v：质心速度沿Y 轴的分量； 俯仰角速度q(pitch velocity)：质心绕Y轴旋转角速度； 垂直速度v：质心速度沿Z 轴的分量； 横

5、摆角速度r(yaw velocity)：质心绕Z轴旋转角速度。,z,y,x,侧倾角速度p,前进速度u,俯仰角速度q,横摆角速度r,垂直速度w,侧向加速度ay,侧向速度v,图52 车辆坐标系与汽车的主要运动形式,5.3 轮胎的侧偏特性,侧偏特性主要是指侧偏力、回正力矩与侧偏角之间的关系。 1） 轮胎坐标系(tyre axis system),当车轮中心沿Y 轴方作用有侧向力FY，地面将产生地面侧向反作用力FY 。由于轮胎具有弹性，即使FY没有达到附着极限，车轮行驶方向亦将偏离X 轴线方向。这时轮胎出现侧偏特性。 由于轮胎侧向变形，轮上的b点将不与支承面上的b1接触，而与b1接触，c点与c1 接触

6、，如此类推。轮胎在支承面上的运动轨迹af 相对于车轮平面偏离某一角度。,a,b1,b,c,d,e,f,d1,c1,e1,f1,b,c,d,e,f,a,b1,c1,d1,e1,f1,b1,c1,d1,e1,f1,FY,FY,W,轮胎侧偏角(side-slip-angle)： 轮胎接地中心的引进方向与车轮中心平面方向间的夹角。 侧向力与产生的侧偏角的关系曲线，称为车轮的侧偏特性。当不超过45时，Fy与成线性关系Fy，即：Fy=k Fy曲线在=0处的斜率称为侧偏刚度k(cornering stiffness)，其单位为 N/rad (或N/()）其值为负值，因负的侧偏力产生正的侧偏角。 因此，侧偏刚

7、度为负值，即Fy=-FY，Fk=-k。,2）轮胎的侧偏现象、侧偏特性曲线,图53 轮胎的坐标系与地面作用于轮胎的力和力矩,x,z,y,正外倾角,正回正力矩Tz,车轮行驶方向,车轮平面,车轮旋转轴线,正地面侧向反作用力FY,正地面法向 反作用力FZ,正地面切向 反作用力FX,正翻转力矩TX,正TY,正侧偏角,O,垂直载荷对k的影响： G，F，侧滑倾向，k 轮胎结构对k的影响： 轮胎宽度， k ；轮胎气压，k ；子午胎： k 。 必须注意：轮胎的侧偏现象的产生是由于轮胎的侧向弹性变形，与轮胎在道路上的侧滑有本质的区别。 轮胎的侧偏现象不仅影响车轮的运动轨迹，而且加剧轮胎的磨损；轮胎的侧向变形使滚动

8、阻力增加。,3）回正力矩(aligning torque),由路面作用在轮胎上的力矩矢量，使轮胎绕Z 轴旋转的分量，称为回正力矩。,c,c,c,c,c,c,c,c,a,a,a,a,a,a,a,a,v,v,v,e,FY,3,4,5,附着极限,接地印记内地面侧向反作用力 的分布与回正力矩的产生,图54,5.4 汽车的转向特性(steering characteristics),设汽车以中速或高速转向时，在汽车质心上产生一个离心力。为了平衡离心力，路面对轮胎产生相应的侧向反作用力，即侧偏力(cornering force)。轮胎在侧偏力的作用下将产生侧偏，形成相应的侧偏角。 假设：忽略地面切向反力对

9、侧偏特性影响，忽略空气阻力的影响，忽略左右轮受载荷变化的影响，于是汽车简化为由前、后两个轮胎支承，具有侧向和横摆两个自由度汽车模型。,O,B,A,C,R,L,v2,v1,2,1,0,0-1,2,r,图55 汽车稳态转向运动简图,E,Fyc,Fy1,Fy2,vc,参数说明：设前轮转角，转弯半径r， FY1，FY2：前、后轮的侧偏力。 v1，vc，v2：A，B，C三点的速度。 Fc：质心的离心力 FcY：Fc在Y方向上的分力,两式相加，且AE+BE=L，则 tg(-1) + tg2 = L/R。因 2 、1较小，则 -1 +2 L/R， 故 = L/R + 1 -2,1、计算转向角,由几何关系：,

10、设汽车在水平道路上作等速圆周运动，则 作用在汽车上的侧向力为离心力的侧向分力。,2、计算1 ，2,汽车看成一个系统，前轮转角视为输入，汽车稳 态横摆角速度r视为输出，r = v/R 汽车稳态横摆角速度r与前轮转角之比称为汽 车的稳态横摆角速度增益(teady state yaw velocity gain)。,3、计算转向灵敏度,4、稳态转向特性,(1) 稳定性因数K：,轴距L3m,中性转向 K0,过多转向K 0.0019s2/m2,不足转向K 0.0006s2/m2,0,50,100,150,10,20,vch,vcr,va/(kmh-1),中性转向 K0,过多转向K 0.0019s2/m2

11、,不足转向K 0.0006s2/m2,0,50,100,150,10,20,vch,vcr,va/(kmh-1),轴距L3m,中性转向 K0,过多转向K 0.0019s2/m2,不足转向K 0.0006s2/m2,0,50,100,150,10,20,vch,vcr,va/(kmh-1),轴距L3m,K0 不足转向 K=0 中性转向 K0 过多转向,(2)前后轮侧偏角绝对值之差（12）,a. （12）与K的关系,1-2 0，则 K 0 为不足转向； 1-2 = 0，则 K = 0 为中性转向； 1-2 0，则 K 0 为过多转向；,不足转向,过多转向,中性转向,K0,K=0,K0,0,1-2,

12、ay,图56 表示汽车稳态响应的（1-2）ay曲线,I：O点：钢性轮，前、后轮的交点，保证前后轮纯 滚动，则R0=L/。,b.（12）与R的关系：,由以上分析可知，1-2也可作为表征汽车稳定响应的评价指标。,III：若12，1-20，则RRo，转向半径减小，说明转向效果加强，成为过多转向。,II：若是弹性轮胎，转向时，由于离心力的作用，使车轮产生侧偏角，若：12，1-20，则RRo，转向半径变大，说明转向效果受到抑制， 成为不足转向。,K = 0 R/Ro = 1,K 0 R/Ro 1 说明不足转向汽车的转向半径总是大于Ro。,K 0 R/Ro 1 说明过多转向汽车的转向半径总是小于Ro。,(

13、3) 转向半径的比值 R/R0 ( ratio of turning radil ),(4) 静态储备系数SM(static margin),中性转向点(neutral steer point)： 使汽车前、后轮产生同一侧偏角的侧向力作用点， 称为中性转向点。,用力矩平衡可求出中性转向点的位置，中性转向点距前轴的距离为：,图5-7中性转向点位置的确定,L,FY2,FY1,c,cn,(a-a),a,b,b,a,b. 静态储备系数 SM：,中性转向点至汽车质心的水平距离与轴距之比，即：,若a=a, 中性转向点在质心位置。此时，SM=0，说明在质心位置作用的侧向力使1=2，为中性转向。,若aa, 中

14、性转向点在质心的后面。此时，SM0，说明在质心位置作用的侧向力使12，为不足转向。,若aa, 中性转向点在质心的前面。此时，SM0，说明在质心位置作用的侧向力使12，为过多转向。,R,R,中性转向 K0,过多转向 K0,不足转向 K0,角 不变,图5 8汽车的三种稳态响应,(5) 瞬态响应(transient state response),汽车转向特性的好坏，在很大程度上取决于过渡状态的运动状况。 瞬态响应性能好的汽车，从过渡状态到稳运动状态的过程中应该是波动最小而响应最快。 瞬态响应为一强迫振动微分方程:,误差带,r0,r1,t,横摆角速 度r1,讨论边界条件：前轮角阶跃输入：,当t 0，

15、则微分方程为：,t 0 = 0,误差带,r0,r1,t,横摆角速 度r1,图5 9前轮角阶跃输入下的瞬态响应,d.峰值时间：达到第一个峰值r1的时间,(6) 横摆角速度频响特性,对二自由度汽车运动微分方程,A(),(),fr,幅频特性： 反映汽车执行驾驶员指令失真的程度。,在低频区接近一水平线，在某一频率fr时，幅值比达最大值，处于共振状态。,希望：幅频特性平一些，以保证不同工况下失真度较小。,相频特性： 反映汽车横摆角速度r 滞后方向盘转角的失真程度 。,希望：相频特性小一些，以保证汽车有快速灵活的反应。,5.5 汽车转向轮的振动,汽车在行驶过程 ，有时会出现转向轮的左右摆振和上下跳动现象。

16、 下面分别分析转向轮振动的原因： 1、转向轮的振动与共振 2、车轮不平衡的影响 3、悬架与转向传动机构的运动关系不协调的影响,1、转向轮的振动与共振,由转向桥的振动频率可知，若弹性系统的刚度减小，转动惯量越大，则振动频率越低。,一方面：由于平顺性的要求，采用弹性较大的悬挂和轮胎，即kp, kt值减小；为了安全转向轮装有制动器，使转动惯量J 1，J 2增大。,另一方面，随着汽车行驶速度的提高，道路条件的改善，路面谱容易在低频区，从而增加了共振的可能性。,2、车轮不平衡的影响,设车轮的不平衡质量为m，其位置在半径为r的圆周上，车速为va， 则离心力为：Fc =m2r 水平分力：Fx =m2rcos

17、t 垂直分力：Fy=m2rsint,水平分力Fx 在使车轮绕主销摆振、垂直分力Fy 强使车轮沿垂直轴线振动。随着车速的提高，Fx 和Fy 会随着增加。,为了避免因车辆不平衡而引起振动，对车轮应进行静平衡和动平衡检查。,Fx,Fy,Fc,r,Fx,Fx,3、悬架与转向传动机构的运动关系不协调的影响,当车轮受到冲击时，弹簧变形，c点绕o1点作aa运动。 当车轮上下跳动时c又绕o2点作bb 运动，运动发生干涉。,因此，转向节在水平面内转动，使转向轮绕主销向左、向右摆动。,若将前铰接点靠近转向机，使c点的运动方向一致，不致使转向节转动，而不发生摆动。,5.6 转向轮的稳定效应,转向轮的稳定效应是指转向

18、轮具有保持中间位置（直线行驶位置）及当转向轮偏移后能自动返回至中间位置（自动回正）的能力。转向轮的稳定效应主要取决于主销内倾，主销后倾及轮胎外倾。 1、主销内倾的稳定作用 2、主销后倾的稳定作用 3、转向车轮外倾的稳定作用 4、前束的作用,1、主销内倾的稳定作用,当轮胎旋转180，如图示轮胎的最低点在路面以下，实际上不可能、轮胎仍应在路面，于是汽车前轮上升，由于汽车的重力作用有迫传车轮自动回正回复直线行驶倾向。,这就是由于主销内倾而使转向轮具有稳定效应。,主销内倾角一般为58,是由设计决定的, 不调整。,主销内倾减小车轮转动时的转臂a，一方面转向时轻便，另一方面减小地面的冲击给驾驶员的反冲力。,h,A,A,图511 前轮主销内倾角的作用,2、主销后倾的稳定作用,Fc ：汽车转向时的离心力 Fyl1，Fyr1，Fy