汽车理论：汽车侧向动力学

汽车理论2009年11月汽车侧向动力学(汽车的操纵稳定性)同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案汽车操纵稳定性的含义定义:在驾驶员不感觉过分紧张、疲劳的条件下，汽车能按照驾驶员通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当受到外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。“高速汽车行驶的生命线”(汽车主动安全的主要内容)1、操纵性：汽车能确切地按驾驶员通过方向盘给定的转向指令行驶的能力。反映汽车实际行驶轨迹与驾驶员主观意图在时间及空间上吻合程度。2、稳定性：汽车受外界干扰后，汽车能抵抗干扰，恢复和保持稳定行驶的能力。反映汽车运行状态的稳定程度。同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案汽车操纵稳定性的内容•操纵稳定性中，常把汽车作为一个控制系统，求汽车曲线行驶的时域响应与频域响应。.....（横摆、侧倾汽车运动汽车路面不平侧风的手脚驾驶员驾驶员路面条件交通状况气候驾驶员－汽车闭环系统•方向盘输入：1、角位移输入（角输入）2、力矩输入（力输入）方向盘输入同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案汽车操纵稳定性的内容及评价参量基本内容评价参量转向盘角阶跃输入下的稳态响应稳态横摆角速度增益—转向灵敏度﹑前﹑后轮侧偏角之差﹑转向半径的比﹑静态储备系数转向盘角阶跃输入下的瞬态响应横摆角速度波动的固有频率﹑阻尼比﹑反应时间﹑达到第一峰值的时间横摆角速度频率响应特性共振峰频率﹑共振时振幅比﹑相位滞后角﹑稳态增益转向盘中间位置时的操纵稳定性转向灵敏度﹑转向盘力特性—转向盘转矩梯度﹑转向功灵敏度转向轻便性转向力﹑转向功转弯半经最小转弯半经直线行驶性转向盘转角（维持直线行驶所需的转向盘累计转角）典型行驶工况（蛇行﹑移线﹑双移线—回避障碍）性能转向盘转角﹑转向力﹑侧向加速度﹑横摆角速度﹑侧偏角﹑车速等极限行驶能力极限侧向加速度﹑极限车速操纵性同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案汽车操纵稳定性的内容及评价方法基本内容评价参量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直线行驶性（侧向风敏感性﹑路面不平敏感性）侧向偏移稳定性汽车操纵稳定性的实验评价方法：•客观评价方法：通过实验仪器测量出表征性能的物理量的评价方法。•主观评价方法：通过实验评价员根据实验时自己的感觉，按规定的项目和评估办法进行评分的评价方法。和转向力等侧倾角、、)(pyraαω同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案汽车操纵稳定性的主要实验一、低速行驶转向轻便性试验二、稳态转向特性试验三、瞬态横摆响应试验四、汽车回正能力试验五、转向盘角脉冲试验六、转向盘中间位置操纵稳定性试验汽车操纵稳定性的内容及评价方法前进速度侧倾角速度urollp)(ω侧向速度俯仰角速度υω)(pitchq垂直速度横摆角速度wyawr)(ω同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案汽车操纵稳定性的时域响应汽车时域响应分为稳态响应和瞬态响应。„转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应：等速直线行驶，急剧转动转向盘，然后维持转角不变，即对汽车施以转向盘角阶跃输入，汽车经短暂的过渡过程后进入等速圆周行驶工况。„转向盘角阶跃输入下的瞬态响应：等速直线行驶和等速圆周行驶两个稳态运动之间的过渡过程所对应的瞬间运动响应。„稳态转向特性：不足转向、中性转向、过度转向。转向盘保持一个固定转角不变，缓慢加速或以不同车速等速行驶时，不足转向的汽车转向半径逐渐增大，中性转向的汽车转向半径不变，而过度转向的汽车转向半径逐渐减小。同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案汽车操纵稳定性的时域响应稳态转向特性：不足转向、中性转向、过度转向。转向角不变，随车速增大不足转向过多转向中性转向ngoversteeriingundersteersteeringneutral−R同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案汽车操纵稳定性的时域响应„瞬态响应：同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案汽车轮胎的侧偏特性（复习）α⋅=yyKF„当侧偏角不超过4~5度时，侧偏角和侧偏力成线性关系，汽车正常行驶驶时，侧向加速度不超过0.4g，侧偏角不超过4~5度。同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案汽车轮胎的侧偏特性（复习）同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案汽车轮胎的侧偏特性（复习）eFTyy⋅=„轮胎拖距同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案汽车转向系统力学分析转向系统等效动力学模型汽车转向系转向轮绕主销的等转动惯转向盘及转向管柱绕主销的等转动惯转向盘相对转向轮等效刚同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案转向侧偏力绕转向主销的回正力矩汽车转向系统力学分析()ffffcnskkTβξβξξ⋅=⋅⋅+=2•转向轮的侧偏力绕主销的回正力矩：nξ：轮胎拖距cξ：主稍后倾距fkξ2：转向系统回正力矩系数•转向轮和转向盘绕主销的力学方程：rω：汽车转向时的横摆角速度同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案汽车线性两自由度模型汽车模型的假设：☆忽略转向系的影响，以前轮转角作为输入；☆汽车只进行平行于地面的平面运动，而忽略悬架的作用；☆汽车前进（纵轴）速度不变，只有沿y轴的侧向速度和绕z轴的横摆运动(ay0.4g)；☆驱动力不大，对侧偏特性无影响；☆忽略空气阻力；☆忽略左右轮胎因载荷变化引起轮胎特性的变化；☆忽略回正力矩的变化。同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案汽车线性两自由度模型汽车模型的简化：同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案汽车线性两自由度模型汽车质心加速度分析：υωυθυωθυ&&＋＋和rtyrtxutuautua=ΔΔΔ=−≈ΔΔ−Δ=→Δ→Δlimlim00汽车力学平衡方程分析（小转向角）)()(cos2121υωυωδ&&＋＋rYYrYYumFFumFF≈+⇒=+对质心取矩rzYYrzYYIFLFLIFLFLωY向力平衡ωδ&&=−⇒=−22112211cos同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案汽车线性两自由度模型汽车质心侧偏角：uυβ=uLuLuLrrrωβωυαδωβξδα22211)(−=−=−+=−−=前轮前进方向与x轴夹角：uLrωυξ1+=前轮和后轮侧偏角：222111ααkFkFYY==前轮和后轮侧偏力：同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案汽车线性两自由度模型:)()(222112221112211代入，则将⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧−=−=−+=−−=⎩⎨⎧=−+=+uLuLuLIkLkLumkkrrrrzrωβωυαδωβξδαωααυωαα&&⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=−−+−+=−−++rzrrrIkLukLkLkLkLumkukLkLkkωδωβωυδωβ&&1122212122111221121)()()()()(汽车侧向动力学两自由度模型：同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案前轮角阶跃作用下的汽车稳态响应⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=−−+−+=−−++rzrrrIkLukLkLkLkLumkukLkLkkωδωβωυδωβ&&1122212122111221121)()()()()(汽车侧向动力学两自由度模型：获得：稳态响应的评价指标：稳态横摆角速度增益或转向灵敏度汽车作等速圆周运动⎪⎩⎪⎨⎧==0,0,＝此时，rrconstωυω&&Sr⎟⎠⎞δω代入两自由度模型，并消除υ同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案前轮角阶跃作用下的汽车稳态响应稳态响应的评价指标：稳态横摆角速度增益或转向灵敏度22122121/)(1/KuLuukLkLLmLuSr+=−+=⎟⎠⎞δωSr⎟⎠⎞δω其中：)(12212kLkLLmK−=稳定性因素（s2/m2）德国的测量统计：轿车的稳态横摆角速度增益：0.16~0.33s-1实验工况：车速２２.35m/s；侧向加速度0.4g同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案前轮角阶跃作用下的汽车稳态响应稳态响应的三种类型：22122121/)(1/KuLuukLkLLmLuSr+=−+=⎟⎠⎞δωLuSr=⎟⎠⎞δω0=K１、中性转向Rur=ωδω⋅=LurLRδ=（与速度无关）横摆角速度：横摆角速度增益：δω⋅=LurLuSr=⎟⎠⎞δω汽车作与速度无关的圆周运动稳态横摆角速度益或转向灵敏度同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案前轮角阶跃作用下的汽车稳态响应稳态响应的三种类型：22122121/)(1/KuLuukLkLLmLuSr+=−+=⎟⎠⎞δω21uKLuSr⋅+=⎟⎠⎞δω0K２、不足转向在转向盘角一定时，若要增加车速并维持转向半径不变，侧原有的转向盘角显得不足，需要增大转向盘转角。不足转向()δωLuKuRr21⋅+==()RLuK⋅⋅+=21δ稳态横摆角速度益或转向灵敏度同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案前轮角阶跃作用下的汽车稳态响应稳态响应的三种类型：0K２、不足转向↓⎟⎠⎞↑⎟⎠⎞↑⇒⎟⎠⎞δωδωδωrraruuK然后向下弯曲的曲线，是随不足转向时，,0LuKuLuSr+=⎟⎠⎞21/δω对转向灵敏度公式取极值(求导为零):012=−⋅uKKuch1=00212)(1=⎟⎠⎞=⋅=⎟⎠⎞=KrKrchLuKuδωδω，特征车速时当同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案前轮角阶跃作用下的汽车稳态响应稳态响应的三种类型：22122121/)(1/KuLuukLkLLmLuSr+=−+=⎟⎠⎞δω21uKLuSr⋅+=⎟⎠⎞δω0K3、过多转向在转向盘角一定时，若要增加车速并维持转向半径不变，侧原有的转向盘角显得过大，需要减小转向盘转角。过多转向()δωLuKuRr21⋅+==()RLuK⋅⋅+=21δ稳态横摆角速度益或转向灵敏度同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案前轮角阶跃作用下的汽车稳态响应稳态响应的三种类型：0K3、过多转向∞↑→⎟⎠⎞↑⇒⎟⎠⎞δωδωraruuK向上弯曲的曲线，是随过多转向时，,0LuKuLuSr+=⎟⎠⎞21/δω对转向灵敏度公式取极值(求导为零):012=+⋅uKKuch1−=∞=⎟⎠⎞−=0)(1KrchKuδω，临界车速时当过多转向越大↓↑chuK,侧滑和翻车产生急转也会很小的时、，uurch),(∞→ωδ同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案前轮角阶跃作用下的汽车稳态响应稳态响应的三种类型：21/KuLuSr+=⎟⎠⎞δω()RLuK⋅⋅+=21δ保持半径不变0K0=K0Kδ22220026.05.00024.03.0ms，Kgms，Kg，≈≈时侧向加速度时侧向加速度现代轿车不足转向、中性转向、过度转向同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案几个表征稳态响应的参数1、前后轮侧偏角之差()21αα−000000212121⇒−=⇒=−⇒−KKKααααααLKay=−21αα)(1)(1)()(2111221221212212αα−=−=−=−=yYYyyyLakFkFLakLkLaLmakLkLLmKyYyYaLmLFaLmLF1221==同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案几个表征稳态响应的参数1、前后轮侧偏角之差LKay=−21αα反之，则为过度转向不足转向关系用斜率表示，斜率对速增加或减小的现象。急剧变化，出现半径迅和不再为线性关系与，⇒−−04.0~3.02121ααωαααyryyaaga21uKLuSr⋅+=⎟⎠⎞δ