5汽车理论讲稿(第5章)

汽车理论Theoryofautomobile武汉理工大学汽车工程学院2010年3月乔维高第五章汽车操纵稳定性汽车操纵稳定性汽车的主要性能之一a.汽车正确遵循驾驶员通过操纵机构所给定的方向的能力;操纵稳定性b.汽车抵抗企图改变行驶方向干扰、保持稳定行驶方向的能力。不能过分降低车速或造成驾驶员疲劳。第1节概述1、“飘”—汽车自己改变方向。升力或转向系、轮胎、悬架等问题。2、“反应迟钝”—转向反映慢。传动比太大。3、“晃”—左右摇摆，行驶方向难于稳定。4、“丧失路感”—操纵稳定性不好的汽车在高速或急剧转向时会丧失路感，导致驾驶员判断的困难。5、“失控”—某些工况下汽车不能控制方向。制动时无法转向,甩尾，侧滑，侧翻。操纵稳定性不好的具体表现汽车操稳性引起的事故成都南充4.29交通事故轨迹图错误地在前、后轴混装子午线轮胎和斜交轮胎。具有过多转向特性的汽车，在转向时达到一定车速(称为“临界车速”)时，将会出乎意外地向转向内侧激转，造成事故。该车转向系统相关零部件间累计间隙过大，方向盘自由行程严重超差，而又未及时维修(或维修质量不佳)，未排除故障，带病运行，导致该车行驶中前束值或大或小不断变化，使汽车行驶处于极不稳定状态，这也加剧了过多转向的趋势。该车左后轮制动器因左后半轴油封损坏，齿轮油漏入左后轮制动器而导致该轮制动器工作失效。不均衡制动力造成的回转力矩。车辆坐标系和汽车主要运动形式汽车操纵稳定性评价方法人--车闭环系统汽车试验的两种评价方法客观评价法客观评价通过仪器测试能定量评价汽车性能，且能通过分析求出其与汽车结构参数间的关系。主观评价法主观评价考虑到了人的感觉，能发现仪器不能测试出的现象，是操纵稳定性的最终评价方法，但很难给出定量评价数据。轮胎坐标系第2节轮胎的侧偏特性因轮胎侧向弹性，车轮受侧向力的作用使轮心速度方向偏离车轮平面的现象。侧向力因转向、路面倾斜、风力等引起。转向引起的侧向力总是指向汽车内侧。侧偏角总是位于和侧偏力指向相反的一侧。轮胎的侧偏现象轮胎的侧偏现象在侧偏角5时，侧偏力和侧偏角成线性关系。这时，式中，k称为侧偏刚度（N/rad）。为曲线在=0处的斜率。按轮胎坐标系，侧偏力和侧偏角总是反号，故侧偏刚度总是负值。轮胎的侧偏特性kFy侧偏力与侧偏角的关系轮胎结构与侧偏特性的关系*垂直载荷的影响：垂直载荷增大，k增大。但垂直载荷太大k反而减小。*轮胎形式和结构参数的影响：a.子午线胎比斜交胎侧偏刚度高。b.扁平比（=轮胎高度H/宽度B）小的轮胎侧偏刚度大。c.胎压大，则侧偏刚度大，但胎压太大侧偏刚度基本不变。试验时，可能通过改变减少胎压改变稳态试验结果。纵向力与侧偏特性的关系路面对侧偏特性的影响路面干湿程度的影响路面越湿，最大侧偏力越小。薄水层的影响路面有薄水层时，轮胎可能会完全失去侧偏力，这称为“滑水”现象。回正性轮胎不对称受力产生的回正力矩有外倾角时的轮胎滚动轮胎外倾角及产生的原因*车桥因载荷变形*汽车转向时的离心力*路面倾斜*前轮定位参数的需要外倾侧向力与外倾角的关系外倾侧向力式中：为外倾侧向力，它是侧偏角为零、外倾角为时的地面侧向反力。为轮胎外倾角，它为正时为负。为外倾刚度。外倾侧向力是轮胎有外倾角但仍沿x方向前进时地面对轮胎产生的侧向反力。kFYYFkYF有外倾角时的轮胎侧偏特性*小侧偏角时不同外倾角对应的侧偏刚度不变；*侧偏角为零、外倾角不为零时的地面侧向力，即为外倾侧向力。（图中y轴上的值）。*侧偏角不为零、外倾角为零时的地面侧向力，即为侧偏力。（图中0外倾角曲线上的值）*侧偏角和外倾角都不为零且侧偏角较小时kkFFFYYY外倾角对操稳性的影响外倾角增大会影响最大地面侧向反力，降低极限侧向加速度，故高速汽车转弯时应使前外轮尽量垂直于地面。轮胎特性参数的正负规定第3节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应汽车模型的简化*忽略转向系统的影响，直接以前轮转角为输入。*不考虑振动、侧倾、俯仰运动，认为汽车只作平行于地面的运动；*不考虑轮胎切向力、外倾角、空气阻力的影响；*忽略左右轮胎载荷变化引起的侧偏特性变化；*忽略轮胎回正力矩；*认为轮胎侧偏特性处于线性范围；*认为汽车沿x轴速度不变。二自由度汽车模型式中：Fx，Fy为作用在汽车质心上的外力合力在x、y轴上的投影。Mz为绕汽车Z轴的外力矩。上述微分方程待求的两个时间函数为v，r。方程数多一个，故仅考虑第2、3个方程即可。根据牛顿定律)()(rzzryyrxxIMuvmamFvumamF汽车平面运动方程式中：k1，k2为前后轮胎侧偏刚度（已知）；1，2为前后轮胎侧偏角(未知)；a，b为汽车前后轴到质心的水平距离(已知)。b22112211kakMkkFzy汽车受到的y向外力和绕z轴的外力矩为b)(22112211rzrIkakuvmkk式中：k1，k2为前后轮胎侧偏刚度（已知）；1，2为前后轮胎侧偏角(未知)；a，b为汽车前后轴到质心的水平距离(已知)。式中：为前轮转角（已知）；为前轮速度与x轴夹角(未知)。又有)(1式中：u，v为汽车质心速度在x,y轴上的分量；u1x，v1y为前轮轮心速度在x,y轴上的分量为前轮速度与x轴夹角(现在已知)。又有11uauvuavuutgrrxy同理，根据上式，有-)(1uauvrubuvr2代到前式，整理得式中，v和r为待求的时间函数。汽车平面运动方程为rzrrrIakkbkauuvbkakuvmkbkakuuvkk122122112121)(1)()()(1)(汽车稳态响应稳态下汽车平面运动方程为0)(1)()(1)(122122112121akkbkauuvbkakmukbkakuuvkkrrr消去v后，得：式中—稳态横摆角速度增益，也叫转向灵敏度；K—稳定性因数（s2/m2）；—横摆角速度；u—车速；δ—前轮转角；m—汽车质量；L—轴距；a，b—汽车质心到前后轴的距离；k1，k2—前后轮侧偏刚度。1/2KuLu/)(122kbkaLmK汽车稳态横摆角速度增益曲线K=0时，汽车稳态响应为中性转向。这时，即转向半径，但这是在汽车无侧偏时的结果。理由见汽车理论P120。因此，中性转向汽车加速时，转向半径不变。Lu//Lu/LR汽车中性转向K0称为不足转向。不足转向汽车加速时，和中性转向时比，根据稳态横摆角速度增益较小，即较小。但因R=，故不足转向汽车转向半径随车速增大而增大。21/KuLu/u汽车不足转向特征车速0)1(2)1(1)(222KuKuLuKuLdudr02)1(22KuKuuch称为特征车速1/2KuLurKuch1K0称为过多转向。过多转向汽车加速时，和中性转向相比，稳态横摆角速度增益较大，但R=，故转向半径随车速增大而减小。显然，当时，=。这时较小的前轮转角都会导致激转而翻车。为了保持良好的操纵稳定性，汽车都应当具有适度的不足转向。Ku/1/u/汽车过多转向三种稳态响应汽车稳态横摆角速度增益曲线汽车质心位置的影响根据上式，质心靠后，a增大，b减小，K减小（k1，k2为负），故不足转向减小。)(212kakbLmK影响稳态响应特性的因素(1))(212kakbLmK胎压的影响在一定范围内，胎压减小则侧偏刚度减小。根据上式，后轮胎压降低会导致K减小，使不足转向减小。前轮胎压降低会导致K增大，使不足转向增大。影响稳态响应特性的因素(2))(212kakbLmK轮胎结构的影响子午线胎比斜交胎侧偏刚度高。扁平比（=轮胎高度H/宽度B）小的轮胎侧偏刚度大。前轮侧偏刚度增大，则不足转向减小。后轮侧偏刚度增大，则不足转向增加。影响稳态响应特性的因素(3)增加前悬架角刚度或减少后悬架角刚度，会增加汽车不足转向。悬架角刚度对稳态特性的影响第3节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应表征稳态响应的参数1、前后侧偏角绝对值之差如果不知道轮胎侧偏刚度和汽车其他参数，只能通过实验判断汽车稳态特性。测出前后侧偏角绝对值之差，即可求出稳定性因数K来。并注意到)-(1)(1)(1)(12112212122yyyyyyyLakFkFLaLkbmaLkamaLakbkaLmKLFamaLFbmayyyy21,)(121yaLK因ay为正时，Fy1，Fy2为正，1，2为负。ay为负时，Fy1，Fy2为负，1，2为正。故故0时，K0不足转向2121210时，K0过多转向=0时，K=0中性转向当侧向加速度大于0.3-0.4g后，前后侧偏角之差和侧向加速度一般进入非线性区域。在大侧向加速度下，许多汽车稳态特性发生显著变化。前后侧偏角之差与转向半径的关系KLaRLRKLuLLuKuyr22/)1(RuauRyr/,/2)(RL2121/KuLur)(21LR注意到有代入，有得到前后侧偏角绝对值之差与转向半径的关系2、转向半径比0222)1()1(1/uRRKuLKuKuLuur此即车速为u时的转向半径R与初始半径（车速极低时的转向半径）R0之比。根据前式有201RRKu显然有：若RR0时，K0不足转向若R=R0时，K=0中性转向若RR0时，K0过多转向3、静态贮备系数1）中性转向点及其位置的确定从前式可知，如前后轮侧偏角相等，则K=0。设想汽车质心逐渐移动，转向时前后轮产生的侧向力分配将逐渐变化，侧偏角也相应变化。如果前后轮产生同一侧偏角，则其对应侧向力的合力作用点称为中性转向点。图中c点是质心位置，cn是中性转向点。汽车向右转向。中性转向点到前轮中心的距离为：LkkkLkkkLkkkFFLFayyy212222122221122212当轮胎和轴距一定时，中性转向点到前轮中心的距离便确定。注意到汽车作稳态圆周运动时，横摆角加速度为0，前后轮实际侧偏力合力作用点即在质心位置。如质心在Cn前，前轮侧偏力增大，侧偏角增大；后轮侧偏力减少，侧偏角减少，即。如质心在Cn后，。2121定义静态贮备系数S.M为：2121当a’=a时，汽车质心和cn重合，S.M.=0,,K=0当a’a时，汽车质心在cn前，S.M.0,,K0当aa’时，汽车质心在cn后，S.M.0,,K021LakkkLaaMS212..)(121yaLK瞬态响应汽车平面运动方程为rzrrrIakkbkauuvbkakuvmkbkakuuvkk122122112121)(1)()()(1)(式中0、、B1、B0是与车速u和汽车参数有关的常数，详见p124。为输入（前轮转角），设其为阶跃函数：012002BBrrr0000tt00t其解为：02002Brrr只考虑t0的情况，上式变为：式中1/2KuLur201表征瞬态响应的几个参数小轿车的固有频率f0(=0/2)在0.8-1.2Hz之间。固有频率高些较好。1、波动的固有频率02、阻尼比小了超调量大，故大些较好。3、反应时间反应时间指r第一次到达稳定值的时间。小些较好。4、达到第一峰值的时间达到第一峰值的时间小些较好。瞬态响应的稳定条件02200rrr瞬态响应对应的齐次方程为对应的特征方程为022002ss根为：方程稳定性理论指出，上式中s的实部如为正数，则方程的解不稳定，因为解中总是有一项ereal(s)