汽车的操纵稳定性1学习教案.pptx

《汽车的操纵稳定性1学习教案.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车的操纵稳定性1学习教案.pptx（37页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、会计学1汽车汽车(qch)的操纵稳定性的操纵稳定性1第一页，共37页。5-1 5-1 概概概概 述述述述 一、汽车操纵稳定性包含一、汽车操纵稳定性包含一、汽车操纵稳定性包含一、汽车操纵稳定性包含(bohn)(bohn)的内容的内容的内容的内容 1 1、在在在在汽汽汽汽车车车车操操操操纵纵纵纵稳稳稳稳定定定定性性性性的的的的研研研研究究究究中中中中，常常常常把把把把汽汽汽汽车车车车作作作作为为为为一一一一控控控控制制制制系系系系统统统统，求求求求出出出出汽汽汽汽车车车车曲曲曲曲线线线线行行行行驶驶驶驶的的的的时时时时域域域域响响响响应应应应与与与与频频频频率率率率响响响响应应应应特特特特性性性性

2、，并并并并以以以以它它它它们们们们来来来来表表表表征征征征汽汽汽汽车车车车的的的的操操操操纵纵纵纵稳稳稳稳定定定定性能。性能。性能。性能。2 2、方方方方向向向向盘盘盘盘输输输输入入入入有有有有两两两两种种种种形形形形式式式式：给给给给方方方方向向向向盘盘盘盘作作作作用用用用一一一一个个个个角角角角位位位位移移移移，称称称称为为为为角角角角位位位位移移移移输输输输入入入入，简简简简称称称称为为为为角角角角输输输输入入入入；给给给给方方方方向向向向盘盘盘盘作作作作用用用用一一一一个个个个力力力力矩矩矩矩，称称称称为为为为力力力力矩矩矩矩输输输输入入入入，简简简简称称称称为为为为力力力力输入。输入

3、。输入。输入。3 3、方方方方向向向向盘盘盘盘角角角角阶阶阶阶跃跃跃跃输输输输入入入入下下下下进进进进入入入入的的的的稳稳稳稳态态态态响响响响应应应应及及及及方方方方向向向向盘盘盘盘角角角角阶阶阶阶跃跃跃跃输输输输入入入入下下下下的的的的瞬瞬瞬瞬态态态态响响响响应应应应，就就就就是是是是表表表表征征征征汽汽汽汽车车车车操操操操纵纵纵纵稳稳稳稳定定定定性性性性的的的的方方方方向向向向盘盘盘盘角角角角位位位位移移移移输输输输入入入入下下下下的的的的时时时时域域域域响响响响应应应应。回回回回正性是一种方向盘力输入下的时域响应。正性是一种方向盘力输入下的时域响应。正性是一种方向盘力输入下的时域响应。正

4、性是一种方向盘力输入下的时域响应。第1页/共37页第二页，共37页。横摆角速度频率响应特性是方向盘转角正弦(zhngxin)输入下，频率由0 时，汽车横摆角速度与方向盘转角的振幅比及相位差的变化图形。转向半径是评价汽车机动灵活性的物理参量。转向轻便性是评价转动方向盘轻便程度的特性。二、车辆坐标系与方向盘角阶跃输入下的时域响应 1、汽车的运动是借固结于运动着的汽车上的动坐标系车辆坐标系来描述的。图5-1所示固结于汽车上的oxyz直角动坐标系就是车辆坐标系。第2页/共37页第三页，共37页。XOZ处于汽车左右对称的平面内。当车辆在水平路面上静止状态(zhungti)下，x轴平行于地面指向前方。z轴

5、通过质心指向上方，y轴指向驾驶员的左侧，坐标系的原点O常可令其与质心重合。与操纵稳定性有关的主要运动参量为，车厢角速度为z轴上的分量横摆角速度 等等（参看图5-1）第3页/共37页第四页，共37页。2、汽车的时域响应可分为不随时间(shjin)变化的稳态响应和随时间(shjin)变化的瞬态响应。汽车等速直线行驶是一种稳态，给汽车以方向盘角阶跃输入，一般汽车经短暂时间(shjin)后便进入等速圆周行驶，这也是一种稳态，称为方向盘角阶跃输入下进入的稳态响应。在等速直线行驶与等速圆周行驶这两个稳态运动之间的过渡过程(guchng)便是一种瞬态，相应的瞬态运动响应称为方向盘角阶跃输入下的瞬态响应。第4

6、页/共37页第五页，共37页。汽车的等速圆周行驶，即汽车方向盘角阶跃输入下进入的稳态响应。一般也称它为汽车的稳态转向特性，汽车的稳态转向特性分为三种类型：不足转向、中性转向和过多转向。操纵稳定性良好的汽车应具有适度的不足转向特性。一般汽车不应具有过多转向特性，也不应具有中性转向特性，因为中性转向汽车在使用条件变动时，有可能(knng)转变为过多转向特性。常用方向盘角阶跃输入下的瞬态响应来表征汽车的操纵稳定性。第5页/共37页第六页，共37页。图图图图5-35-3上画出了上画出了上画出了上画出了一辆等速行驶汽一辆等速行驶汽一辆等速行驶汽一辆等速行驶汽车在车在车在车在t=0t=0时时时时,驾驶驾驶

7、驾驶驾驶员急速转动方向员急速转动方向员急速转动方向员急速转动方向盘至角度盘至角度盘至角度盘至角度(ji(ji od)sw0od)sw0并维持此转角不并维持此转角不并维持此转角不并维持此转角不变时的汽车瞬态变时的汽车瞬态变时的汽车瞬态变时的汽车瞬态响应曲线响应曲线响应曲线响应曲线第6页/共37页第七页，共37页。汽车(qch)的瞬态响应，它具有如下几个特点：（1）时间上的滞后（2）执行上的误差（3）横摆角速度的波动（4）进入稳态所经历的时间 第7页/共37页第八页，共37页。四四、汽汽车车试试验验的的两两种种评评价价方方法法及及时时域域响响应应与与频频率率响响应应特特性性(txng)的评价指标的

8、评价指标 汽汽车车性性能能最最后后应应通通过过试试验验来来进进行行测测定定与与评评价价。试试验验中中的的性性能能评评价价有有主主观观评评价价和和客客观观评评价价两两种种方方法法。客客观观评评价价法法是是通通过过测测试试仪仪器器测测出出表表征征性性能能的的物物理理量量如如横横摆摆角角速速度度、侧侧向向加加速速度度、侧侧倾倾角角及及转转向向力力等等来来评评价价操操纵纵稳稳定定性性的的方方法法。主主观观评评价价法法就就是是感感觉觉评评价价，其其方方法法是是让让试试验验评评价价人人员员，根根据据试试验验时时自自己己的的感感觉觉来来进进行行评评价价，并按规定的项目和评分办法进行评分。并按规定的项目和评分

9、办法进行评分。此此外外，还还有有一一个个方方向向盘盘角角阶阶跃跃输输入入下下时时域域响响应应的的综综合合性性评评价价指标，这个评价指标称为汽车因数。指标，这个评价指标称为汽车因数。第8页/共37页第九页，共37页。方向盘角阶跃输入下进入的稳态响应：方向盘角阶跃输入下进入的稳态响应：稳态横摆增益曲线稳态横摆增益曲线 .横摆角速度增益（又称为转横摆角速度增益（又称为转向灵敏度）向灵敏度）.稳定性因数稳定性因数K。方向盘角阶跃输入下的瞬态响应：方向盘角阶跃输入下的瞬态响应：瞬态横摆响应曲线瞬态横摆响应曲线 .反应时间反应时间衰减振动衰减振动(zhndng)圆频率圆频率 横摆角速度频率响应特性：横摆角

10、速度频率响应特性：共振峰频率共振峰频率f，1HZ时的相位滞后角时的相位滞后角 变速演示变速演示 第9页/共37页第十页，共37页。5-2 5-2 轮胎轮胎轮胎轮胎(lnti)(lnti)的侧偏特性的侧偏特性的侧偏特性的侧偏特性 侧偏特性侧偏特性(txng)(txng)主要是侧偏力、回正力矩与侧偏角间的关系，它是研究汽车操纵稳主要是侧偏力、回正力矩与侧偏角间的关系，它是研究汽车操纵稳定性的基础。定性的基础。一、轮胎的坐标系一、轮胎的坐标系第10页/共37页第十一页，共37页。垂直于车轮旋转轴线的轮胎中分平面称为车轮平面。车轮平面与地平面的交线取为X轴，规定向前(xin qin)为正。Z轴与地平面

11、垂直，规定指向上方为正。Y轴在地平面上，规定面向车轮前进方向时指向左边为正。图5-5上还画了地面作用于轮胎的力与力矩，即地面切向反作用力Fx、地面侧向反作用力Fy、地面法向反作用力Fz，以及地面反作用力绕Z轴的力矩回正力矩Tz等等。图中还画出了侧偏角a与外倾角 二、轮胎的侧偏现象和侧偏力-侧偏角曲线 车轮中心沿Y轴方向若作用有侧向力Fy，相应地在地面上产生地面侧向反作用力Fy，Fy也称为侧偏力。当有地面侧向反作用力时，若车轮是刚性的，则可能发生两种情况：第11页/共37页第十二页，共37页。（1）当地面侧向反作用力FY未超过车轮与地面间的附着极限时，车轮与地面间没有滑动,车轮仍沿其本身平面 的

12、 方向行驶(xngsh)（图5-6）；（2）当地面侧向反作用力FY达到车轮与地面间的附着极限时，车轮发生侧向滑动，若滑动速度为u，车轮便沿合成速度u方向行驶(xngsh)，偏离了 方向。当车轮有侧向弹性时，即使FY没有达到附着极限，车轮行驶(xngsh)方向亦将偏离车轮平面 的方向，这就是轮胎的侧偏现象。与 的夹角a，即为侧偏角。aa第12页/共37页第十三页，共37页。cFyuccFyucu 没有侧向滑移 有侧向滑移图5-6 有侧向力作用时刚性(n xn)车轮的滚动u 第13页/共37页第十四页，共37页。FY-曲线在 =0。处的斜率称为侧偏刚度k，FY=ka显然轮胎的最大侧偏力决定于附着(

13、fzhu)条件，即垂直载荷。第14页/共37页第十五页，共37页。三、轮胎的结构、工作条件对侧偏特性的影响三、轮胎的结构、工作条件对侧偏特性的影响 尺寸较大的轮胎有较高的侧偏刚度。尺寸较大的轮胎有较高的侧偏刚度。轮轮胎胎断断面面高高H与与轮轮胎胎断断面面宽宽B之之比比H/B100%称称为为扁扁平平率。率。垂垂直直载载荷荷增增大大后后，侧侧偏偏刚刚度度随随垂垂直直载载荷荷的的增增加加而而加加大大，但但垂垂直直载载荷荷过过大大时时，轮轮胎胎产产生生很很大大的的径径向向变变形形，侧侧偏偏刚刚度度反反而而(fn r)有所减小。有所减小。轮轮胎胎的的充充气气压压力力对对侧侧偏偏刚刚度度也也有有显显著著影

14、影响响。随随着着气气压压的的增加，侧偏刚度增大，但气压过高后刚度不再变化。增加，侧偏刚度增大，但气压过高后刚度不再变化。行驶车速对侧偏刚度的影响很小。行驶车速对侧偏刚度的影响很小。第15页/共37页第十六页，共37页。当纵向力相当大时，侧偏力显著下降。因为此时接近附着极限，切向力已耗去大部分附着力，而侧向能利用的附着力很少。由图还可看出，这组曲线的包络线接近于一椭圆，一般称为附着椭圆。路面有薄水层时，由于滑水现象(xinxing)（hydroplaning）,会出现完全丧失侧偏力的情况四、回正力矩绕OZ轴的力矩 Tz是使转向车轮回复到直线行驶位置的主要恢复力矩之一，称为回正力矩。第16页/共3

15、7页第十七页，共37页。第17页/共37页第十八页，共37页。回正力矩起始时逐步增大，侧偏角为4。6。时达到最大值；侧偏角再增大，回正力矩下降，在10。16。时回正力矩为零。侧偏角再大，回正力矩成为负值。回正力矩随垂直载荷的增大而增加。在同样侧偏角下,尺寸大的轮胎一般回正力矩较大。子午线轮胎的回正力矩比斜交胎大。轮胎的气压低，接地(jid)印迹长，轮胎拖距大，回正力矩也就大。地面切向反作用力对回正力矩也产生影响。随着驱动力的增加,回正力矩大最大值后再下降。在制动力作用下，回正力矩不断减少，到一定制动力时下降为零，其后便变为负值。第18页/共37页第十九页，共37页。五、有外倾角时轮胎五、有外倾

16、角时轮胎(lnti)的滚动的滚动 第19页/共37页第二十页，共37页。轮胎接地面中产生一与Fy方向相反的侧向反作用力，这就是外倾侧向力FY 。根据轮胎坐标系的规定，kr为负值称作外倾刚度，单位为N/rad或N/（）（1）A、B、C为三条相互平行的直线，故可认为在各种外倾角(qngjio)下，轮胎侧偏刚度均为k。（2）侧偏角为零时的地面侧向力便是外倾侧向力FYr,可知FYr=krr。当外倾角(qngjio)为正值时（见A线），FYr 为负值。有外倾角(qngjio)时实验所得轮胎侧向力与侧偏角的关系如图5-20 第20页/共37页第二十一页，共37页。（3）地面侧向力为零时(ln sh)的侧偏

17、角就是由外倾角产生的侧偏角，=。当外倾角为正值时（见A线），为负值。（4）地面侧向力为FY时的侧偏角，等于外倾角为零时(ln sh)FY产生的侧偏角0与由此外倾角产生的侧偏角之和。如外倾角为正值（A线），侧偏角=0-cf=0+。（5）有外倾角时的地面侧向反作用力与外倾角、侧偏角的关系式为车轮有外倾角时还产生回正力矩。第21页/共37页第二十二页，共37页。5-3 5-3 线性二自由度汽车模型对前轮角输入线性二自由度汽车模型对前轮角输入线性二自由度汽车模型对前轮角输入线性二自由度汽车模型对前轮角输入(shr)(shr)的响应的响应的响应的响应n n一、线性二自由度汽车模型的运动微分方程一、线性二

18、自由度汽车模型的运动微分方程一、线性二自由度汽车模型的运动微分方程一、线性二自由度汽车模型的运动微分方程(wi fn fn(wi fn fn chn chn)n n二自由度汽车运动微分方程二自由度汽车运动微分方程二自由度汽车运动微分方程二自由度汽车运动微分方程(wi fn fn(wi fn fn chn chn)式为式为式为式为)1u()()(12121rrumkbkakkkwwb+=-+v u1(rzrIkkbakkkdwb=-+122121)()w.第22页/共37页第二十三页，共37页。二、前轮角阶跃输入二、前轮角阶跃输入(shr)下进入的汽车稳态响应下进入的汽车稳态响应等速圆周行驶等速

19、圆周行驶常用输出与输入常用输出与输入(shr)的比值，如稳态时的横摆角速度与前轮转角之比来评价稳态响应。这个比值称为稳态横摆角速度增益，也称为转向灵敏度，以符号的比值，如稳态时的横摆角速度与前轮转角之比来评价稳态响应。这个比值称为稳态横摆角速度增益，也称为转向灵敏度，以符号 表示。表示。稳定时横摆角速度为定值，此时稳定时横摆角速度为定值，此时 =0，=0，以此代入，以此代入（5-9）并解得稳态横摆角速度增益为）并解得稳态横摆角速度增益为 式中式中 K称为稳定性因数，它是表征汽车稳态响应的一个重要参数，其单位为称为稳定性因数，它是表征汽车稳态响应的一个重要参数，其单位为s2m-2。.v 第23页

20、/共37页第二十四页，共37页。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 。这种稳态称转向特性称为 中性转向中性转向。它相当于刚性车轮转向。2、不足转向当K0时，式（5-11）分母大于 1，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。参看图 5-25。具有这样特性的汽车称为 不足转向汽车不足转向汽车。根据K值的正负，汽车稳定转向可分为三种类型。第24页/共37页第二十五页，共37页。当车速为 时，汽车稳态横摆角速度增益达到最大值，且其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增益的一半。uch称作特征车速，当不足(bz)转向量增加时，K增大，特征车速

21、uch降低。第25页/共37页第二十六页，共37页。501000150I 线（空载）K=0轴距L=3mBK=-0.009s2m-22010过多转向中性转向K=-0.0006s2m-2不足转向ucruch图5-25 汽车(qch)的稳态横摆角速度增益曲线 Ua/(kmh-1)第26页/共37页第二十七页，共37页。3、过多(u du)转向 当当当当K0K0时，K 0，为不足转向(zhunxing)，当（a1-a2）=0，K=0，为中性转向(zhunxing)，当（a1-a2）0时，K第29页/共37页第三十页，共37页。2、转向半径的比值R/R0，若令车速极低、侧向加速度接近于零（轮胎侧偏角可忽

22、略不计）时的转向半径为R0，而一定车速下有一定侧向加速度时的转向半径为R，则这两个转向半径之比R/R0可用以表征汽车的稳态响应(xingyng)。下面确定R/R0值与稳定性因数K的关系，由图5-26可知，R0=L/，由式（5-11）可求得 （）或 0第30页/共37页第三十一页，共37页。K=0时，R/R0=1，即中性转向汽车的转向半径不随车速发生变化，始终为R0。K0时，R/R01，即不足转向汽车的转向半径总大于R0，且由式（5-16）可知，K0时，R/R01，即过多转向汽车的转向半径总小于R0。由式（5-16）可知，转向半径将随车速的增加而减小。3、用静态储备系数(xsh)S.M.使汽车前

23、、后轮产生同一侧偏角的侧向力作用点称为中性转向点。静态储备系数(xsh)S.M.就是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，即 S.M.=第31页/共37页第三十二页，共37页。第32页/共37页第三十三页，共37页。通常也用瞬态响应中的几个参数来表征响应品质的好坏，这些参数是1、横摆角速度r波动时的固有（圆）频率r。0值是评价汽车瞬态响应的一个重要参数。0值应高些为好。图5-34为一些欧洲及日本轿车的固有频率f0（单位为 Hz ）与稳定性因数K（单位为 s2/m2）值，固有频率 。它表明了前、后轮侧偏刚度变化(binhu)时，对固有频率及稳定性因数的影响。图

24、5-37中画出了计算求得的阻尼比 随车速及各结构参数的变化(binhu)曲线。曲线表明，随着车速的提高，值减小；在稳定性因数不变条件下，后轮胎侧偏刚度增加，有助于 值的增大；质量、转动惯量、轴距减小，值亦有所增加。3、反应时间反应时间是指角阶跃转向输入后，横摆角速度第一次到达稳定值r0所需的时间。是评价汽车瞬态响应的另一个重要参数。值应小些为好。三、瞬态响应(xingyng)第33页/共37页第三十四页，共37页。4、达到第一峰值 r1时的时间 通常也用到达第一峰值 r1时的时间，作为评定汽车瞬态横摆响应(xingyng)反应快慢的参数 。又称为峰值反应时间。第34页/共37页第三十五页，共3

25、7页。四、横摆角速度频率响应特性四、横摆角速度频率响应特性输出、输入的幅值比是频率输出、输入的幅值比是频率f的函数，记为的函数，记为A（f），称为幅频特性。相位差也是），称为幅频特性。相位差也是f的函数，记为的函数，记为（f），称为相频特性。两者统称为频率特性。），称为相频特性。两者统称为频率特性。在汽车操纵稳定性中，常以前轮转角在汽车操纵稳定性中，常以前轮转角或方向盘转角或方向盘转角sw为输入，汽车横摆角速度为输入，汽车横摆角速度r为输出的汽车横摆角速度频率响应特性来表征汽车的动特性。为输出的汽车横摆角速度频率响应特性来表征汽车的动特性。有人用横摆角速度频率特性上的五个参数来评定汽车操纵稳定

26、性，它们是：有人用横摆角速度频率特性上的五个参数来评定汽车操纵稳定性，它们是：（1）频率为零时）频率为零时(ln sh)的幅值比，即稳态增益；的幅值比，即稳态增益；（2）共振峰值频率）共振峰值频率fr，fr值愈高，操纵稳定性愈好；值愈高，操纵稳定性愈好；（3）共振时的增幅比）共振时的增幅比b/a，增幅比，增幅比b/a应小些；应小些；（4）f=0.1Hz时的相应滞后角时的相应滞后角f=0.1，它代表缓慢转动方向盘时响应的快慢，这个数值应接近于零；，它代表缓慢转动方向盘时响应的快慢，这个数值应接近于零；（5）f=0.6，f=0.6Hz时的相位滞后角，它代表较快速度转动方向盘时响应的快慢其数值应当小些（时的相位滞后角，它代表较快速度转动方向盘时响应的快慢其数值应当小些（5.13）。）。第35页/共37页第三十六页，共37页。n n第五章结束(jish)！第36页/共37页第三十七页，共37页。