《汽车操纵稳定性》PPT课件.ppt

第 6章 汽 车 操 纵 稳 定 性主 要 学 习 内 容n 概 述n 轮 胎 的 侧 偏 特 性 轮 胎 的 侧 偏 特 性n 线 性 二 自 由 度 汽 车 模 型 对 前 轮 角 输 入 的 响 应 n 操 纵 性 ： 能 够 及 时 和 准 确 地 反 映 驾 驶 员 的 主 观 操 作 ，也 就 是 汽 车 按 照 驾 驶 员 的 意 图 和 要 求 改 变 汽 车 行 驶 方向 和 车 速 。n 稳 定 性 ： 汽 车 在 行 驶 过 程 中 能 够 抵 抗 外 界 干 扰 不 发 生侧 滑 侧 翻 的 性 能 ； 汽 车 在 外 界 干 扰 下 抵 抗 干 扰 或 迅 速恢 复 原 来 行 驶 状 态 的 性 质 。n 上 述 二 者 的 综 合 称 为 汽 车 的 操 纵 稳 定 性 。n 操 纵 性 的 好 坏 实 际 上 指 的 是 汽 车 的 运 动 参 数 与 驾 驶 员要 求 的 运 动 参 数 之 间 的 接 近 程 度 和 渐 进 过 程 。n 稳 定 性 的 好 坏 实 际 上 指 的 是 汽 车 的 运 动 参 数 与 原 来 的运 动 参 数 之 间 的 接 近 程 度 和 渐 进 过 程 。6.1 概 述 1 转 向 盘 中 间 位 置 操 纵 稳 定 性 转 向 灵 敏 度 、 转 向 盘 力 特 性 2、 方 向 盘 角 阶 跃 输 入 下 的 稳 态 响 应 转向 特 性 ， 方 向 盘 角 阶 跃 输 入 下 的 瞬 态 响 应 稳 态 横 摆 角 速 度 增 益 转 向 灵 敏 度反 应 时 间 、 横 摆 角 速 度 波 动 的 无 阻 尼 圆频 率3、 横 摆 角 速 度 频 率 响 应 特 性 共 振 峰 频 率 、 共 振 时 的 振 幅 比 、 相 位 滞后 角 、 稳 态 响 应4、 回 正 性 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5、 转 向 半 径 最 小 转 向 半 径6、 转 向 轻 便 性 ： 原 地 转 向 轻 便 性 、 低 速 行驶 转 向 轻 便 性 、 高 速 行 驶 转 向 轻 便 性 转 向 力 与 转 向 功7、 直 线 行 驶 性 ： 侧 向 风 稳 定 性 、 路 面 不 平 度 稳 定 性 、 微 曲 率 弯 道 行 驶 性 侧 向 偏 移 与 转 向 操 舵 力 矩 梯 度8、 典 型 行 驶 工 况 性 能 ： 蛇 行 性 能 、 移 线 性能 、 双 移 线 性 能 、 方 向 盘 转 角 、 转 向 力 、 侧 向 加 速 度 、 横摆 角 速 度 、 侧 偏 角 、 车 速 等9、 极 限 行 驶 能 力 ： 圆 周 行 驶 极 限 侧 向 加 速度 、 抗 侧 翻 能 力 、 发 生 侧 滑 时 控 制 能 力 等 极 限 侧 向 加 速 度 、 极 限 车 速 、 回 至 原 来路 径 所 需 时 间 汽 车 操 纵 稳 定 性 的 基 本 内 容 及 评 价 所 用 的 物 理 参 数 n 车 辆 坐 标 系 X方 向 ： 前 进 、 倒 驶绕 X轴 的 转 动 ： 侧 倾 运 动Y方 向 ： 侧 向 运 动绕 Y轴 的 转 动 ： 俯 仰 运 动Z方 向 ： 垂 直 运 动绕 Z轴 的 转 动 ： 横 摆 运 动 与 操 纵 稳 定 性 有 关 的 主 要 运 动 参 量 ： 横 摆 角 速 度 、侧 向 速 度 、 侧 向 加 速 度 等 等 。 r ya n 稳 态 响 应 ： 汽 车 的 时 域 响 应 不 随 时 间 变 化 ； 其 特 性 通 常可 分 为 ： 不 足 转 向 、 中 性 转 向 、 过 多 转 向 三 种 。 n 瞬 态 响 应 ： 汽 车 的 时 域 响 应 随 时 间 变 化 。图 为 方 向 盘 阶 跃 输 入 下 的 汽车 瞬 态 响 应 ， 汽 车 的 瞬 态 响应 汽 车 二 阶 惯 性 环 节 特 点 ：时 间 上 的 滞 后 ；横 摆 角 速 度 超 调 ；横 摆 角 速 度 的 波 动 ；进 入 稳 态 要 经 历 时 间 。 瞬 态 响 应 包 括 两 方 面 的 问 题开 环 控 制 系 统 ： 只 把 汽 车 本 身 作 为 研 究 对 象 ， 不 允 许 驾 驶 员起 任 何 反 馈 作 用 。人 车 闭 环 系 统 ： 把 驾 驶 员 与 汽 车 作 为 统 一 的 整 体 进 行 研究 ， 驾 驶 员 可 以 根 据 需 要 进 行 反 馈 控 制 。行 驶 方 向 稳 定 性 ， 即 能 否 达 到 稳 态 的 问 题 ；响 应 品 质 问 题 ， 即 达 到 稳 态 前 的 响 应 特 性 问 题 。 n 汽 车 操 纵 稳 定 性 的 两 种 评 价 方 法n方 向 盘 阶 跃 输 入 下 进 入 的 稳 态 响 应 评 价 稳 态 横 摆 增 益 曲 线 、 横 摆 角 速 度 增 益 （ 又 称为 转 向 灵 敏 度 ） 、 稳 定 性 因 数 K。 ar u / 客 观 评 价 法通 过 测 试 仪 器 测 出 表 征 性 能 的 物 理 参 量 如 横 摆 加 速 度 、 侧向 加 速 度 、 侧 倾 角 及 转 向 力 等 来 评 价 操 纵 稳 定 性 的 方 法 。主 观 评 价 法让 试 验 者 根 据 自 己 的 感 觉 进 行 评 价 ， 按 规 定 的 项 目 和 评 分方 法 进 行 评 价 。 tt rrr %)100/( 0 或n方 向 盘 阶 跃 输 入 下 的 瞬 态 响 应 评 价n 横 摆 角 速 度 频 率 响 应 特 性 评 价 共 振 峰 频 率 f、 1Hz时 的 相 位 滞 后 角 。瞬 态 横 摆 响 应 曲 线 、反 应 时 间 、 衰 减 振 动 圆 频 率 。 n 轮 胎 的 侧 偏 特 性 主 要 是 指 侧 偏 力 、 回 正 力 矩 与 侧 偏 角 间 的关 系 。 是 研 究 操 纵 稳 定 性 的 基 础 。6.2 轮 胎 的 侧 偏 特 性1） 轮 胎 的 坐 标 系2） 轮 胎 的 侧 偏 现 象 和 侧 偏力 侧 偏 角 曲 线3） 轮 胎 的 结 构 、 工 作 条 件对 侧 偏 特 性 的 影 响4） 回 正 力 矩 绕 OZ轴 的 力矩 n 侧 偏 力 ： 地 面 给 车 轮 的 侧 向 反 作 用 力 。YF2） 轮 胎 的 侧 偏 现 象 和 侧 偏 力 侧 偏 角 曲 线刚 性 轮 当 车 轮 有 侧 向 力 作 用 时 ，当 FY 没 有 达 到 附 着 极 限 时 ，车 轮 与 地 面 没 有 滑 动 ， 车 轮仍 沿 车 身 平 面 cc的 方 向 行 驶 。当 FY 达 到 附 着 极 限 时 ， 车 轮与 地 面 有 滑 动 ， 车 轮 有 侧 向行 驶 。 n 侧 偏 现 象 ： 当 车 轮 有 侧 向力 作 用 时 ， FY 没 有 达 到 附 着极 限 ， 车 轮 行 驶 方 向 亦 将 偏离 车 轮 平 面 的 方 向 。 这 就 是轮 胎 的 侧 偏 现 象 。 弹 性 轮 胎 在 侧 性 力 作 用时 的 运 动 状 态 n 侧 偏 特 性 曲 线 ： 描 述 侧 偏 力 侧 偏 角 关 系 的 曲 线n 轮 胎 的 最 大 侧 偏 力 取 决 于 附着 条 件 ， 即 垂 直 载 荷 ， 轮 胎 花 纹、 材 料 、 结 构 尺 寸 、 充 气 压 力 ，路 面 的 材 料 、 结 构 、 潮 湿 程 度 以及 车 轮 的 外 倾 角 等 。n 一 般 而 言 ， 最 大 侧 偏 力 越 大， 汽 车 的 极 限 性 能 越 好 。 称 为 侧 偏 角 ， k称 为 侧 偏 刚 度 。kFY 在 曲 线 线 性 段 ： n 轮 胎 扁 平 率 （ H/B）对 侧 偏 特 性 的 影 响 。3） 轮 胎 的 结 构 、 工 作 条 件 对 侧 偏 特 性 的 影 响 n 轮 胎 的 垂 直 载 荷 对 侧 偏 特 性 的 影 响侧 偏 刚 度 随 垂 直 载 荷 的 增 大 而 增 大 ， 但 垂 直 载 荷 过 大 ， 侧偏 刚 度 反 而 会 减 小 。 n 轮 胎 气 压 对 侧 偏 特 性的 影 响气 压 增 大 ， 侧 偏 刚 度增 大 ， 但 气 压 过 高 ，侧 偏 刚 度 不 再 变 化 。 n 车 速 对 侧 偏 刚 度 的 影 响 很 小 。n 切 向 力 侧 偏 刚 度 的 影 响 。 n 路 面 状 况 对 侧 偏 特 性 的 影 响 。 4） 回 正 力 矩 绕 OZ轴 的 力 矩n 回 正 力 矩 的 产 生 6.3 线 性 二 自 由 度 汽 车 模 型 对 前 轮 角 输 入 的 响 应1） 模 型 简 化（ 1） 忽 略 转 向 系 的 影 响 ， 直 接 以 前 轮 转 角 作 为 输 入 。（ 2） 忽 略 悬 架 的 作 用 ， 认 为 汽 车 只 作 平 行 于 地 面 的 平 面 运 动 ：z =0、 =0、 =0。（ 3） 在 特 定 条 件 下 ， u=常 数 ， 汽 车 只 有 侧 向 运 动 与 横 摆 运 动 。（ 4） 侧 向 加 速 度 小 于 0.4g， 轮 胎 侧 偏 特 性 属 于 线 性 范 围 。（ 5） 忽 略 地 面 切 向 力 对 轮 胎 侧 偏 特 向 的 影 响 。（ 6） 忽 略 空 气 阻 力 的 作 用 。（ 7） 忽 略 左 、 右 车 轮 垂 直 载 荷 变 化 对 轮 胎 特 性 的 影 响 。 （ 8） 忽 略 轮 胎 回 正 力 矩 的 作 用 。y x n 简 化 模 型 n 分 析 时 ， 坐 标 系 与 汽 车 质 心 重 合 ， 这 样 ， 汽 车 质 量 分 布 参数 ， 如 转 动 惯 量 对 于 固 结 于 汽 车 的 坐 标 系 就 是 常 数 。ox与 oy为 车 辆 坐 标 系 的 纵轴 与 横 轴 。质 心 速 度 v于 t时 刻 在 坐 标 轴上 的 分 量 为 u、 v。在 t+t时 刻 ， 质 心 速 度 的 大小 与 方 向 均 发 生 变 化 ， 且坐 标 轴 的 方 向 也 发 生 变 化 。n 二 自 由 度 方 程 建 立沿 ox轴 速 度 分 量 的 变 化 为 ： vu vvuu vvuuu sinsincoscos sin)(cos)(汽 车 质 心 绝 对 加 速 度 在 ox轴 上 的 分 量 为 ：rdtddtdvy rdtddtdux uwvua vwuva 同 理 ： 做 平 面 运 动 的 汽 车 对 车 辆 坐 标 系 的 微 分 方 程 式 为 ： ）（ 65cos cos)( 21 21 yyrz yyr bFFawI FFuwvm r rv aw awvu u u 质 心 侧 偏 角 且 ）（）（ 微 分 方 程 为 ：整 理 后 的 二 自 由 度 运 动 ） 式 可 改 写 为 ：（）（ 后 车 轮 的 侧 偏 角 为 ：根 据 坐 标 系 的 规 定 ， 前 95)()( )()( )( 65 12212121 121121 2211 221121 rzru rru rz rubwubwv uaw wIakwkbkabkak uwvmkwbkakkk wIbkak uwvmkk rr r 2） 前 轮 角 阶 跃 输 入 下 进 入 的 汽 车 稳 态 响 应 等 速 圆周 运 动 n 稳 态 响 应 汽 车 等 速 行 驶 时 ， 在 前 轮 角 阶 跃 输 入 下 进 入 的 稳 态 响 应 就是 等 速 圆 周 行 驶 。 常 用 稳 态 横 摆 角 度 速 度 与 前 轮 转 角 之 比 来 评 价 稳 态 响 应 。这 个 比 值 称 为 稳 态 角 速 度 增 益 ， 也 称 为 转 向 灵 敏 度 。 稳 态 时 横 摆 角 速 度 r为 定 值 ， 此 时 汽 车 的 运 动微 分 方 程 变 为 ： ,00 rwv 、 0)(1)( )(1)( 1221221 12121 akwkbkaubkak muwkwbkakukk r rr 消 除 v， 便 可 求 出 稳 态 横 摆 角 度 增 益 ： 122 22122 1 /1 /kbkaLmK KuLuukbkaLm Luw sr式 中 ： K为 稳 定 性 因 数 ， 它 是 表 征 稳 态 响 应 的 一 个 重 要 参 数 。 n 稳 态 响 应 的 三 种 类 型 根 据 稳 定 性 因 数 K， 汽 车 的 稳 态 响 应 可 分 为 三 类 ：中 性 转 向 ： K=0， 此 关 系 就 是 汽 车 以 极 低 车 速 行而 无 侧 偏 角 时 的 转 向 关 系 。 LuW sr 不 足 转 向 ： K0， 此 时 横 摆 角 度 增 益 比 中 性 转 向 时 小 ，是 一 条 下 弯 的 曲 线 。 当 横 摆 角 速 度 增 益 最 大 时 ， 称 为 特 征 车 速 ， 它 是 表 征 不 足转 向 的 一 个 参 数 。 chch uKu ,1 过 多 转 向 ： K0， 此 时 横 摆 角 速 度 增 益 比 中 性 转 向 时 大 ， 是一 条 上 弯 的 曲 线 。 当 横 摆 角 速 度 增 益 趋 于 无 穷 大 时 ， 称 为 临 界 车 速 。chch uKu ,1 3） 前 轮 角 阶 跃 输 入 下 的 瞬 态 响 应 rZr rr wIakwkbkaubkak uwvmkwbkakukk 1221221 12121 )(1)( )()(1)( n 运 动 方 程 21 12212 21 12212 1221221 )(1 )(1 )(1)( bkak akwkbkauwI bkak akwkbkauwI wIakwkbkaubkak rrZ rrZ rZr uvuvuv /,/ 21 12212 )(1 bkak akwkbkauwI rrZ 21 12212 )(1 bkak akwkbkauwI rrZ ubkak akwkbkauwIuv rrZ 21 12212 )(1 )()(1)( 12121 rr uwvmkwbkakukk 121 22122122121 212212 )()()( )()(muakkLk wu kbkakkubkakbkakmu wkkIkbkamwumI rrZrZ 10 bbwcwhwm rrr 11 210 21221 212212 /)( )()( muakb kLkb ukkLbkakmuc kkIkbkamh muIm ZZ 式 中 ： 102002 BBwwwww rrr / )2/( / 00 020 mbB mwh mcw 上 式 为 单 自 由 度 强 迫 振 动 微 分 方 程 ， 通 常 写 作 ： 式 中 ： 11 / mbB o 称 为 阻 尼 比称 为 固 有 频 率 汽 车 前 轮 角 阶 跃 输 入 时 ， 前 轮 转 角 的 数 学 表 达 式 为 ： 002002 Bwwwww rrr 0022000 1 / srr wKuLuwBw 02 200 rrr wwwww 02 2002 wsws 这 是 二 阶 常 系 数 非 齐 次 微 分 方 程 。对 应 的 齐 次 方 程 式 为 ： 其 通 解 可 有 特 征 方 程 式 求 得 0,0,0 0,0 0 ttt特 解 为 两 个 不 同 实 根， 重 根， 一 对 共 轭 复 根， 111 11 2 2 ooo oo wws ws iwws根 据 的 数 值 。 特 征 方 程 的 根 为 ： twwtwwr twr otwr oooo oo eCeCw eCCw twCew 1413 21 2 2211 1sin1 : ， ，齐 次 方 程 通 解 为齐 次 方 程 的 通 解 ,1 )(twr 0rwrw,1 )(twr 0rw,1 )(twr 0rw称 为 大 阻 尼 ， 单 调 上 升 ， 趋 于 ， 但 车 速 超 过 临 界车 速 后 ， 发 散 且 趋 于 无 穷称 为 临 界 阻 尼 ， 单 调 上 升 且 趋 于称 为 小 阻 尼 ， 是 一 条 收 敛 于 的 减 幅 正 弦 曲 线正 常 汽 车 都 具 有 小 阻 尼 的 瞬 态 响 应 ， 与 小 阻 尼 对 应 的 横 摆 角速 度 为 ： )1sin()( 2020 00 0 twCewBtw twr )sin()cos()( )sin()( 1 00 0 2120 00 20 00 20 wteAwteAwBtw wtCewBtw ww twtwr twr 或 ：则 ：令 ： )sin(1 1121)( 022 02022 wteLk wmuawLkmuawtw twosrr Zrr Iakwvwt /000 010 ，初 始 条 件 ： 横 摆 角 速 度 波 动 时 的 固 有 （ 圆 ） 频 率 2212121 1 KumIkkuLmuI ukLkbkakmumcw zzo 0w 表 征 瞬 态 响 应 的 参 数 是 评 价 汽 车 瞬 态 响 应 的 一 个 重 要 参 数 。 高 些 好 。 21 212212 221 2122120 12 122 KukkmIL kkIkbkam KumIkkLmI kkIkbkammwh z z zz z 阻 尼 比阻 尼 比 %165%112%100max rorww 8.05.04.0 )/(3.31 由 此 推 算 相 应 的 阻 尼 比试 验 工 况 为 ga smu y反 应 时 间 22 22 020 0 1 1arctan 0sin0sin sin w wLkmuaw wtwtCe wBwt wtCewBtw otw oor twoor ro o所 以 ： 即 ，故 ： 时 ，当 所 需 的 时 间第 一 次 达 到 稳 态 值 的 时 间时达 到 第 一 峰 值 1rw 20 20 000 00 11arctanarctan tan0t cossin cossin0 00 wwww wwdt tdw twtwCe tewtewCdt tdw rt ttr 即 ：时 ，当近 代 轿 车 的 s59.023.0 瞬 态 响 应 的 稳 定 条 件 汽 车 横 摆 角 速 度 才 收 敛换 言 之 ， 就 收 敛 。时 ， 只 要当 恒 为 正 。为 负 数 ， 所 以、式 中 为 正 ， 就 收 敛时 ， 只 要当 ， ， 0 011 2111 1sin1 20 2 021 2122120 0 1413 21 2 22 oo z ztwwtwwr twr otwr wwkk muI Ikkkbkamw eCeCw eCCw twCew oooo oo 4） 横 摆 角 速 度 频 率 响 应 特 性 稳 态 增 益 a共 振 峰 频 率 fr增 幅 比 b/a f =0.1Hz 相 位 滞 后 角f =0.6 Hz 相 位 滞 后 角