汽车的操纵稳定性和平顺性教案.ppt

1、2005年汽车理论课时安排,第五章 汽车的操纵稳定性 12学时，6次课 第六章 汽车的平顺性 10学时，5次课,2005年汽车理论课时安排,第五章 汽车的操纵稳定性（12学时） 第一节 概述（1学时） 第二节 轮胎的侧偏特性（3学时） 第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应（6学时） 第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系 （2学时）,2005年汽车理论课时安排,第六章 汽车的平顺性（10学时） 第一节 人体对振动的反映和平顺性的评价 （1学时） 第二节 路面不平度的统计特性（1学时） 第三节 汽车振动系统的简化 单质量系统的振动（4学时） 第四节 车身与车轮双质量系统的振动 （4学时）

2、,第五章 汽车的操纵稳定性,汽车的操纵稳定性： 在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系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。,第一节 概述,第一节 概述,系统输入： 转向盘角阶跃输入 系统输出： 横摆角速度,第一节 概述,操纵稳定性良好的汽车应具有适度的不足转向特性,第二节 轮胎的侧偏特性一、轮胎的坐标系,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,侧偏力的产生： 路面的侧向倾斜 侧向风 曲线行驶时的离心力,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,刚性车轮 轮胎无侧向弹性,第二节 轮胎的侧

3、偏特性二、轮胎的侧偏现象和侧偏力侧偏角曲线,弹性车轮 轮胎有侧向弹性,轮胎的侧偏现象侧偏力作用在滚动车轮上，没有达到车轮与地面的侧向附着极限，车轮的行驶方向将偏离车轮平面的方向。,轮胎的侧偏角当侧偏力作用在滚动车轮上，车轮与地面的接触印迹的中心线与车轮平面和地面的交线的夹角。,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,侧偏力Fy与侧偏角的关系： Fyf(),侧偏角不超过5度时，侧偏力Fy与侧偏角成线性关系。 汽车正常行驶时，侧向加速度不超过0.4g，侧偏角不超过45度。,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,侧偏刚度k：侧偏力Fy侧偏角曲线在0处的斜率。

4、 即作用在轮胎上的侧偏力与轮胎产生的侧偏角的比值， k=dFy/d(0）。 在小侧偏角范围内侧偏力Fy与侧偏角成线性关系， Fy=k,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,第二节 轮胎的侧偏特性三、轮胎的结构、工作条件对侧偏特性的影响,轮胎扁平率对侧偏特性有显著影响。 扁平率轮胎断面高H与轮胎宽B的比值。 扁平率越小，侧偏刚度越大。,第二节 轮胎的侧偏特性三、轮胎的结构、工作条件对侧偏特性的影响,轮胎的垂直载荷对侧偏特性有显著影响。,第二节 轮胎的侧偏特性三、轮胎的结构、工作条件对侧偏特性的影响,轮胎的垂直载荷增加，侧偏刚度加大。,第二节 轮胎的侧偏特性三、轮胎的结构、工

5、作条件对侧偏特性的影响,轮胎的充气压力增加，侧偏刚度加大。,第二节 轮胎的侧偏特性三、轮胎的结构、工作条件对侧偏特性的影响,曲线的包络线称为附着椭圆,确定了在一定附着条件下切向力与侧偏力合力的极限。,切向力增加，侧偏力减小。,第二节 轮胎的侧偏特性三、轮胎的结构、工作条件对侧偏特性的影响,第二节 轮胎的侧偏特性四、回正力矩,第二节 轮胎的侧偏特性五、有外倾角时轮胎的滚动,外倾侧向力,第二节 轮胎的侧偏特性五、有外倾角时轮胎的滚动,FY k FY外倾侧向力； 车轮外倾角； k外倾刚度；,第二节 轮胎的侧偏特性五、有外倾角时轮胎的滚动,第二节 轮胎的侧偏特性五、有外倾角时轮胎的滚动,FY=FYa+

6、FY=k+ k FYa外倾角为零时的侧偏力； FY侧偏角为零时的外倾侧向力； 车轮外倾角； 车轮侧偏角 k外倾刚度； k侧偏刚度；,第二节 轮胎的侧偏特性五、有外倾角时轮胎的滚动,第二节 轮胎的侧偏特性五、有外倾角时轮胎的滚动,正侧偏角对应负侧偏力与正回正力矩； 正外倾角对应负外倾侧向力与负回正力矩。,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,忽略转向系的影响，以前轮转角为输入； 忽略其他方向的运动，只有平行于地面的平面运动； 假设沿x轴的匀速运动，只有沿y轴的侧向运动和 绕z轴的转动。,轮胎的侧偏特性处于线性范围； 忽略地面切向力对轮胎侧偏的影响； 忽略空气动力的作用；忽略轮胎回正力

7、矩的作用； 忽略左右轮载荷变化对轮胎侧偏的影响；,一、线性二自由度汽车模型的运动微分方程,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,确定汽车质心的（绝对）加速度 在车辆坐标系上的分量； 确定二自由度汽车受到的外力和外力矩 沿y轴方向的合力和绕质心的合力矩； 确定加速度和外力以及外力矩的关系；,一、线性二自由度汽车模型的运动微分方程,1. 确定汽车质心的（绝对）加速度 在车辆坐标系上的分量 (1).在t时刻：质心速度在x轴上的投影为： (2).在(t+t)时刻： 质心速度在x轴上的分量为： 质心速度在y轴上的分量为：,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,一、线性二自由度汽车

8、模型的运动微分方程,(3). t时刻汽车质心速度的变化量在x轴上的投影为：,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,(t+t)时刻汽车质心速度在x轴上的投影为：,由于()很小，因此,(4). t时刻质心加速度在x轴上的分量 除以t并取极限， 得质心加速度在x轴上的分量为： r汽车的横摆角速度。,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,同理可得，质心加速度在y轴上的分量为：,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,2. 确定二自由度汽车受到的外力和外力矩 沿y轴方向的合力和绕质心的合力矩 沿y轴方向的合力： 绕质心的合力矩： Fy1，Fy2地面对前后轮的侧向反作用力

9、 前轮转角；由于较小，因此 cos =1。,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,2. 确定二自由度汽车受到的外力和外力矩 沿y轴方向的合力和绕质心的合力矩 设： 式中，u质心速度在x轴上的投影； v质心速度在y轴上的投影； 质心速度方向与x轴夹角； 前轮速度方向与x轴夹角；,2. 确定二自由度汽车受到的外力和外力矩 沿y轴方向的合力和绕质心的合力矩 根据坐标系的规定，前后轮的侧偏角为：,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,2. 确定二自由度汽车受到的外力和外力矩 沿y轴方向的合力和绕质心的合力矩,3. 确定加速度与外

10、力和外力矩的关系,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,Iz绕z轴的转动惯量； 横摆角加速度,线性二自由度汽车模型的运动微分方程结论公式：,结构参数：k1, k2前后轮胎侧偏刚度； m, Iz汽车质量和绕质心的转动惯量； a, b质心至前后轴的距离； 速度参数：v质心速度的侧向分量；u质心速度的纵向分量； r横摆角速度（转向时的转动角速度）；v/u; 加速度参数： 侧向加速度； 横摆角加速度； 激励或输入：前轮转角。,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,二、前轮角阶跃输入下的汽车稳态响应 等速圆周运动,（一）稳态响应 评价指标：稳态横摆角速度增益（转向灵敏度） 稳态的

11、横摆角速度与前轮转角的比值。 用符号 表示。,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,（一）稳态响应 稳态时横摆角速度为定值，即： 代入运动微分方程，得：,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,（一）稳态响应 两式联立并消去v，得稳态横摆角速度增益为：,K稳定性因数，是表征汽车稳态响应的重要参数,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,（二）稳态响应的三种类型 1.中性转向 K=0时， ，即横摆角速度增益与车速成线性关系，斜率为1/L。 上述关系式就是汽车以极低车

12、速行驶而无侧偏角时的转向关系。即： 前轮转角：L / R；转向半径： RL /； 横摆角速度： r(u/L),第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,（二）稳态响应的三种类型 2.不足转向 K0， 横摆角速度增益比中性转向时要小，不再与车速成线性关系。 转向半径大于中性转向半径。 K值越大，不足转向量越大。,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,（二）稳态响应的三种类型2.不足转向 特征车速横摆角速度函数的最大值，即：,特征车速是表征不足转向量的参数，当不足转向量增加时，K增加，特征车速降低。,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,（二）稳态响应的三种类型3.

13、过多转向 K0， 横摆角速度增益比中性转向时要大，不再与车速成线性关系。 转向半径小于中性转向半径。 K值越小（绝对值越大），过多转向量越大。,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,（二）稳态响应的三种类型3.过多转向 临界车速具有过多转向的汽车，其横摆角速度增益趋于无穷大时对应的车速。即：,临界车速是表征过多转向量的参数。 K值越小（绝对值越大），过多转向量越大，临界车速越低。,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,（二）稳态响应的三种类型3.过多转向 过多转向汽车达到临界车速时将失去稳定性，只要很小的前轮转角就会产生极大的横摆角速度，意味着汽车的转向半径极小，汽车发

14、生激转而侧滑或翻车。 由于过多转向的汽车有失去稳定性的危险，因此汽车都应有适度的不足转向特性。,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,美国通用公司研究结果横摆角速度增益曲线应落在图示的满意区域内。,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,（三）几个表征稳态响应的参数 1. 前后轮侧偏角绝对值之差（1-2）,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,（三）几个表征稳态响应的参数 1. 前后轮侧偏角绝对值之差（1-2）,前后轮侧偏角绝对值之差（1-2）与K的关系：,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,（三）几个表征稳态响应的参数 1. 前后轮侧偏角绝对值

15、之差（1-2）,前后轮侧偏角绝对值之差（1-2）与K的关系：线性关系,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,（三）几个表征稳态响应的参数 1. 前后轮侧偏角绝对值之差（1-2）,前后轮侧偏角绝对值之差（1-2）与前轮转角关系：,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,（三）几个表征稳态响应的参数 1. 前后轮侧偏角绝对值之差（1-2）,前后轮侧偏角绝对值之差（1-2）与转向半径的关系：,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,（三）几个表征稳态响应的参数 2. 转向半径的比值R/R0：,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,（三）几个表征稳态响应的参

16、数 2. 转向半径的比值R/R0：,当K=0时，R/R0=1，中性转向汽车的转向半径不变。 当K0时，R/R01，不足转向汽车的转向半径R大于R0，且转向半径随车速增加而增大。 当K0时，R/R01，过多转向汽车的转向半径R小于R0，且转向半径随车速增加而减小。,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,（三）几个表征稳态响应的参数 3. 静态储备系数S.M (Static Margin) 中性转向点使汽车前后轮产生同一侧偏角的侧向力作用点。 当侧向力作用于中性转向点位置时，前后轮产生同一侧偏角，前后轮的侧偏力为：,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,中性转向点Cn至前轴

17、的距离为:,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,（三）几个表征稳态响应的参数 3. 静态储备系数S.M (Static Margin)中性转向点至前轴距离a和汽车质心至前轴距离a之差(a-a)与轴距L之比值。,当Cn与质心重合时，1=2 , S.M.=0,中性转向 当质心在Cn之前时，12, aa, S.M.0,不足转向 当质心在Cn之后时，1 2, aa, S.M.0,过多转向,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,三、前轮角阶跃输入下的瞬态响应 1. 前轮角阶跃输入下的横摆角速度瞬态响应,第三节 线性二自由度汽车模型 对前轮角输入的响应,第四节 汽车操纵稳定性与悬

18、架的关系,一、汽车的侧倾 （一）车厢侧倾轴线车厢相对地面转动时的瞬时轴线。侧倾中心车厢侧倾轴线通过车厢在前后轴处横断面上的瞬时转动中心。 侧倾中心的位置决定于悬架导向机构，分别讨论单横臂独立悬架和双横臂独立悬架的侧倾中心。,单横臂独立悬架的侧倾中心,双横臂独立悬架的侧倾中心,双横臂独立悬架的侧倾中心,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,（二）悬架的侧倾角刚度侧倾时（车轮保持在地面上）单位车厢转角下，悬架系统给车厢总的弹性恢复力偶矩。,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,1. 悬架的线刚度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。,非独立悬架：悬架的线刚度

19、等于两个弹簧刚度之和。,独立悬架的线刚度：K1=2ks(m/n)2,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,2. 悬架的侧倾角刚度,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,（三）车厢侧倾角车厢在侧向力作用下绕侧倾轴线的转角。,侧倾力矩：1.悬挂质量离心力引起的侧倾力矩MrI ； 2.侧倾后，悬挂质量重力引起的侧倾力矩MrII ； 3.独立悬架中，非悬挂质量离心力引起的侧倾力矩MrIII 悬架总的侧倾角刚度：前、后悬架及横向稳定杆的侧倾角刚度之和,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,二、侧倾时垂直载荷在左右车轮上的重新分配及对稳态响应的影响 侧倾时，外侧车轮的垂直载荷增加， 内侧车轮的垂直载荷减少。 轮

20、胎侧偏刚度与垂直载荷有关，侧倾时由于垂直载荷在左右车轮上的重新分配，引起左右轮胎的平均侧偏刚度下降。 对于前轴趋于增加不足转向，对于后轴趋于减少不足转向。,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,三、侧倾外倾侧倾时车轮外倾角的变化 侧倾时，当车轮外倾的倾斜方向与地面侧向反作用力方向一致时，侧偏角的绝对值减小；反之则增大。 侧倾外倾系数车厢侧倾引起的车轮外倾角的变化。,第四节 汽车操纵稳定性与悬架的关系,四、侧倾转向 非独立悬架，前悬架的前后支撑点要前高后低，以增加不足转向趋势；后悬架的前后支撑点要前低后高，以增加不足转向趋势。 独立悬架，前悬架的前束在轮胎跳动过程中变化要尽可能小，以减少干涉转向。

21、并且在压缩行程时前束变化量要减小，伸张行程时前束变化量要增大，以增加不足转向趋势。 非独立悬架，在轮胎跳动过程中转向节臂球销中心的运动轨迹应与悬架中心点的运动轨迹保持一致，以减少干涉转向。,前悬架 后悬架,第六章 汽车的平顺性,汽车的平顺性保持汽车在行驶过程中产生的振动和冲击环境对乘员舒适性的影响在一定界限之内。 路面汽车人系统框图：,路面不平度 车速,弹性元件 阻尼元件 整车质量,车身传至人体的加速度 悬架动挠度 车轮动载荷,输入,振动系统,输出,第六章 汽车的平顺性,研究目的： 控制振动的传递，使乘坐者不舒适的感觉不超过一定界限。 研究内容： 人体对振动的反映和平顺性的评价。 路面不平度的

22、统计特性。 汽车振动系统的传递特性。,第一节 人体对振动的反映 和平顺性的评价,1997年国际标准化组织制定了国际标准 ISO2631 人体对加速度最敏感，因此用振动加速度均方根值（包括线振动和角振动）来评价平顺性。 座椅支撑面处3个方向的线振动和角振动。座椅靠背处3个方向的线振动。 脚支撑面处3个方向的线振动。 人体对不同频率振动的敏感程度不同。,平顺性的评价指标加权加速度均方根值,第一节 人体对振动的反映 和平顺性的评价,轴加权系数： 座椅支撑面上三个线振动的轴加权系数k=1，是12个轴向振动中人体最敏感的，其余各轴向振动的轴加权系数都小于0.8。 标准中还规定座椅靠背的水平轴向可由座椅支

23、撑面的水平轴向代替，此时轴加权系数取k=1.4。 国家标准GB/T4970-1996：汽车平顺性随机输入行驶试验方法。评价平顺性时只计算座椅支撑面上三个线振动。,第一节 人体对振动的反映 和平顺性的评价,第一节 人体对振动的反映 和平顺性的评价,频率加权函数： 以座椅垂直轴向加速度的频率加权函数为例：,48Hz频率范围内的振动会引起人体内脏器官产生共振；812.5Hz频率范围内的振动对人体脊椎系统影响很大。,第二节 路面不平度的统计特性,路面不平度的功率谱密度： 空间功率谱密度： 其中， n空间频率（m-1)，是波长的倒数，表示每米长度中包括几个波长； n0参考空间频率，n0=0.1m-1；

24、Gq(n0)参考空间频率下的路面不平度的功率谱密度值，称为路面不平度系数；m2/m-1=m3,第二节 路面不平度的统计特性,时间功率谱密度： 其中， Gq(f)时间功率谱密度，m2s； v行驶车速，m/s； f时间频率，Hz,第三节 汽车振动系统的简化 单质量系统的振动,一、汽车振动系统的简化 七自由度模型：,单自由度模型：,第三节 汽车振动系统的简化 单质量系统的振动,第三节 汽车振动系统的简化 单质量系统的振动,二、单自由度系统的自由振动,第三节 汽车振动系统的简化 单质量系统的振动,第三节 汽车振动系统的简化 单质量系统的振动,对振动微分方程进行付氏变换：,三、单自由度系统的频率响应特性

25、,第三节 汽车振动系统的简化 单质量系统的振动,=1,=21/2,=0,=0.25,=0.5,1,10,0.1,0.1,10,H(j),阻尼比分析： 阻尼比对低频段（0 21/2）影响很大，衰减输入位移，减小阻尼对减振有利。 因此，一般汽车悬架的阻尼比取0.20.4。,第三节 汽车振动系统的简化 单质量系统的振动,第三节 汽车振动系统的简化 单质量系统的振动,四、单自由度系统对路面随机输入的响应 1. 车身加速度功率谱密度,1,10,0.1,H(j),f=1,f=2,f0=1,f0=2,固有频率提高，在共振段和高频段都成比例地放大位移输入。因此降低悬架的固有频率可以明显减小振动加速度的传递，这

26、是改善平顺性的基本措施。,第三节 汽车振动系统的简化 单质量系统的振动,四、单自由度系统对路面随机输入的响应 2. 车轮与路面间动载荷的功率谱密度,第三节 汽车振动系统的简化 单质量系统的振动,四、单自由度系统对路面随机输入的响应 3. 悬架动挠度的功率谱密度,第三节 汽车振动系统的简化 单质量系统的振动,四、单自由度系统对路面随机输入的响应 结论： 悬架阻尼比应为小阻尼，保持在0.20.4之间。降低固有频率可以明显减小车身加速度，这是改善平顺性的一个基本措施。但降低固有频率会使动挠度增加，悬架限位行程增大，因此降低固有频率是有限的。,第四节 车身与车轮双质量系统的振动,一、运动方程与振型分析

27、,系统输出和输入： z2(t)车身垂直位移输出； z1(t)车轮垂直位移输出； q(t)路面不平度位移输入； 结构参数： M2悬挂质量（车身质量）； M1非悬挂质量（车轮质量）； K悬架刚度； Kt轮胎刚度； C减振器的阻尼系数；,第四节 车身与车轮双质量系统的振动,一、运动方程与振型分析 隔离体受力分析：,M2,M1,第四节 车身与车轮双质量系统的振动,一、运动方程与振型分析 运动微分方程：,无阻尼自由振动的运动微分方程：,第四节 车身与车轮双质量系统的振动,一、运动方程与振型分析 若M1不动（z1=0），则相当于只有车身质量M2的单自由度无阻尼自由振动，微分方程为：,若M2不动（z2=0）

28、，则相当于只有车轮质量M1的单自由度无阻尼自由振动，微分方程为：,偏频双质量系统只有单独一个质量振动时的部分频率。 0和t都被称为偏频。,第四节 车身与车轮双质量系统的振动,一、运动方程与振型分析 系统的频率方程或特征方程：,低的主频率与0接近，高的主频率2与t接近。 当激振频率接近1时，产生低频共振；当激振频率接近2时，产生高频共振。,第四节 车身与车轮双质量系统的振动,二、双质量系统的传递特性,对运动微分方程进行付氏变换：,第四节 车身与车轮双质量系统的振动,二、双质量系统的传递特性 整理得：,第四节 车身与车轮双质量系统的振动,二、双质量系统的传递特性,第四节 车身与车轮双质量系统的振动

29、,激振频率 f (Hz),激振频率 f (Hz),f0,ft,f0,ft,1,1,二、双质量系统的传递特性,第四节 车身与车轮双质量系统的振动,三、响应量的幅频特性 1. 车身加速度 对 的幅频特性,第四节 车身与车轮双质量系统的振动,三、响应量的幅频特性 2. 相对动载荷Fd/G对 的幅频特性,第四节 车身与车轮双质量系统的振动,三、响应量的幅频特性 3. 悬架动挠度对 的幅频特性,第四节 车身与车轮双质量系统的振动,四、响应量的均方根值,第四节 车身与车轮双质量系统的振动,第四节 车身与车轮双质量系统的振动,五、系统参数对振动响应均方根值的影响 1. 车身固有频率 车身加速度和车轮动载荷的均方根值与车身固有频率成正比变化，变化幅度大于车身固有频率的变化幅度；悬架动挠度的均方根值与车身固有频率成反比变化，变化幅度小于车身固有频率的变化幅度。,第四节 车身与车轮双质量系统的振动,第四节 车身与车轮