車輛操縱穩(wěn)定性整理學習教案

1、會計學1車輛車輛(chling)操縱穩(wěn)定性整理操縱穩(wěn)定性整理第一頁，共42頁。輪胎側(cè)偏輪胎側(cè)偏特性特性線性二自線性二自由度汽車由度汽車模型對前模型對前輪角輸入輪角輸入的響應的響應第1頁/共42頁第二頁，共42頁。一、輪胎(lnti)的側(cè)偏特性第2頁/共42頁第三頁，共42頁。側(cè)偏力 ：當路面傾斜、曲線行駛(xngsh)離心力時，車輪中心沿Y方向作用一個側(cè)向力，相應地地面產(chǎn)生一個側(cè)向反作用力，稱為側(cè)偏力。YF剛性輪情況:當車輪有側(cè)向力作用時，當FY 沒有達到附著極限(jxin)時，車輪與地面沒有滑動，車輪仍沿自身平面cc的方向行駛。當FY 達到附著極限(jxin)時，車輪與地面有滑動，車輪有側(cè)向

2、行駛。第3頁/共42頁第四頁，共42頁。側(cè)偏現(xiàn)象：當車輪有側(cè)向力作用(zuyng)時，F(xiàn)Y 沒有達到附著極限，車輪行駛方向亦將偏離車輪平面的方向。輪胎接地印跡中心線與輪胎平面的夾角稱為側(cè)偏角。側(cè)偏力 ：當路面傾斜、曲線行駛(xngsh)離心力時，車輪中心沿Y方向作用一個側(cè)向力，相應地地面產(chǎn)生一個側(cè)向反作用力，稱為側(cè)偏力。YF第4頁/共42頁第五頁，共42頁。側(cè)偏現(xiàn)象：當車輪有側(cè)向力作用時，F(xiàn)Y 沒有達到附著極限，車輪行駛方向(fngxing)亦將偏離車輪平面的方向(fngxing)。輪胎接地印跡中心線與輪胎平面的夾角稱為側(cè)偏角。kFY在曲線(qxin)線性段： 輪胎的最大側(cè)偏力取決于附著(fz

3、hu)條件，即垂直載荷，輪胎花紋、材料、結(jié)構(gòu)尺寸角等。 一般而言，最大側(cè)偏力越大，汽車的極限性能越好。第5頁/共42頁第六頁，共42頁。側(cè)偏現(xiàn)象：當車輪有側(cè)向力作用時，F(xiàn)Y 沒有(mi yu)達到附著極限，車輪行駛方向亦將偏離車輪平面的方向。輪胎接地印跡中心線與輪胎平面的夾角稱為側(cè)偏角。有側(cè)偏現(xiàn)象時，輪胎印跡前端離車輪平面近，側(cè)向變形(bin xng)小；后端變形(bin xng)大。地面微元側(cè)向反作用力合力在接地印跡幾何中心的后方，偏移的距離稱為拖距eZYTF e第6頁/共42頁第七頁，共42頁。二、線性二自由度汽車模型對前輪角輸入二、線性二自由度汽車模型對前輪角輸入(shr)(shr)的響

4、應的響應前輪角階躍輸入(shr)下進入的穩(wěn)態(tài)響應前輪角階躍輸入(shr)下的瞬態(tài)響應橫擺角速度頻率響應特性第7頁/共42頁第八頁，共42頁。二、線性二自由度汽車模型對前輪角輸入二、線性二自由度汽車模型對前輪角輸入(shr)(shr)的響的響應應前輪角階躍輸入(shr)下進入的穩(wěn)態(tài)響應前輪角階躍輸入(shr)下的瞬態(tài)響應橫擺角速度頻率響應特性第8頁/共42頁第九頁，共42頁。二、線性二自由度汽車模型對前輪角輸入二、線性二自由度汽車模型對前輪角輸入(shr)(shr)的的響應響應前輪角階躍輸入(shr)下進入的穩(wěn)態(tài)響應前輪角階躍輸入(shr)下的瞬態(tài)響應橫擺角速度頻率響應特性第9頁/共42頁第十頁

5、，共42頁。汽車(qch)被簡化為只有側(cè)向和橫擺兩個自由度的兩輪汽車(qch)模型。假設(jish)2.1 二自由度汽車模型二自由度汽車模型第10頁/共42頁第十一頁，共42頁。第11頁/共42頁第十二頁，共42頁。二自由度汽車(qch)動力學分析11221122YZFkkMakbkr1au rr2vbbuurr12YabFkkuurr12ZabMakbkuu沿y軸的合力(hl)及繞z軸的合力(hl)矩為：其中(qzhng)：第12頁/共42頁第十三頁，共42頁。二自由度汽車(qch)動力學分析 由rYyZZFmaMI 其中(qzhng)，沿Oy軸加速度：ryavu1212r1r221212r

6、1r11Zkkakbkkm vuuakbka kb kakIu第13頁/共42頁第十四頁，共42頁。穩(wěn)態(tài)時橫擺角速度r為定值，即 、聯(lián)立兩式消去(xio q)v，可得穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益2.2 前輪角階躍輸入前輪角階躍輸入(shr)下汽車的穩(wěn)態(tài)響應下汽車的穩(wěn)態(tài)響應0vr01212r1r221212r1110vkkakbkkmuuuvakbka kb kakuursr2s222111u Lu LKumabuLkk221mabKLkk 其中其中(qzhng)第14頁/共42頁第十五頁，共42頁。16221mabKLkk K的大小的大小(dxio)是與車輛自身的質(zhì)量，車是與車輛自身的質(zhì)量，車長，各輪胎

7、側(cè)偏剛度等因素相關(guān)的。長，各輪胎側(cè)偏剛度等因素相關(guān)的。第15頁/共42頁第十六頁，共42頁。即橫擺角速度增益(zngy)與車速成線性關(guān)系，斜率為 ，1）中性(zhngxng)轉(zhuǎn)向當 K=0 時，由穩(wěn)態(tài)響應的三種(sn zhn)類型r2s1u LuKuL1/ L2）不足轉(zhuǎn)向3）過多轉(zhuǎn)向第16頁/共42頁第十七頁，共42頁。即橫擺角速度增益(zngy)與車速成線性關(guān)系，斜率為 ，1）中性(zhngxng)轉(zhuǎn)向當 K=0 時，由穩(wěn)態(tài)響應(xingyng)的三種類型r2s1u LuKuL1/ Lr2s1u LuKuLruLR2）不足轉(zhuǎn)向3）過多轉(zhuǎn)向即當車速增加時，轉(zhuǎn)向半徑不會發(fā)生改變，這是一種理想的狀

8、態(tài)。第17頁/共42頁第十八頁，共42頁。即橫擺角速度增益會小于同等(tngdng)車速下中性轉(zhuǎn)向的橫擺角速度增益。1）中性(zhngxng)轉(zhuǎn)向當 K0 時，由穩(wěn)態(tài)響應(xingyng)的三種類型r2s1u LKu2）不足轉(zhuǎn)向3）過多轉(zhuǎn)向ch1uK當，chu 稱為特征車速，當k值增加，相應的特征車速將會降低rs取到最大值第18頁/共42頁第十九頁，共42頁。即橫擺角速度增益會小于同等(tngdng)車速下中性轉(zhuǎn)向的橫擺角速度增益。1）中性(zhngxng)轉(zhuǎn)向當 K0 時，由穩(wěn)態(tài)響應(xingyng)的三種類型r2s1u LKur2s1u LKu2）不足轉(zhuǎn)向3）過多轉(zhuǎn)向201RRKu即當車速

9、增加時，轉(zhuǎn)向半徑會隨車速增加而增大，這是實際應用中所追求的轉(zhuǎn)向方式。第19頁/共42頁第二十頁，共42頁。 稱為(chn wi)臨界車速，臨界車速越低，過多轉(zhuǎn)向量越大。即橫擺角速度增益會大于同等(tngdng)車速下中性轉(zhuǎn)向的橫擺角速度增益。1）中性(zhngxng)轉(zhuǎn)向當 K0 時，由穩(wěn)態(tài)響應的三種類型r2s1u LKu2）不足轉(zhuǎn)向3）過多轉(zhuǎn)向cr-1uK當，crurs趨于無窮大第20頁/共42頁第二十一頁，共42頁。即橫擺角速度增益會大于同等(tngdng)車速下中性轉(zhuǎn)向的橫擺角速度增益。1）中性(zhngxng)轉(zhuǎn)向當 K0，不足轉(zhuǎn)向K=0，中性轉(zhuǎn)向K1，K0 ，不足轉(zhuǎn)向；R/R01，

10、K0，過多轉(zhuǎn)向。第24頁/共42頁第二十五頁，共42頁。2）轉(zhuǎn)向(zhunxing)半徑的比R/R01）前、后輪側(cè)偏角絕對值之差1-23）靜態(tài)儲備(chbi)系數(shù)S.M.幾個表征(bio zhn)穩(wěn)態(tài)響應的參數(shù)中中性性轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向向點點汽汽車車質(zhì)質(zhì)心心2YF1YF靜態(tài)儲備系數(shù) S.M.：中性轉(zhuǎn)向點到前輪的距離 與汽車質(zhì)心到前軸距離 a 之差與軸距L之比。a212S.M.kaaaLkkL中性轉(zhuǎn)向aa S.M.012不足轉(zhuǎn)向aa S.M.012過多轉(zhuǎn)向aaS.M.012第25頁/共42頁第二十六頁，共42頁。消去 得：二自由度汽車二自由度汽車(qch)運動微分運動微分方程式方程式2.3 前輪角階躍輸入(

11、shr)下的瞬態(tài)響應1212r1r1kkakbkkm vuu221212r1r1Zakbka kb kakIuvv、 、rrr10mhcbb式中式中：ZmmuI 221212Zhm a kb kIkk 2221212121221212kka kb kakbkcmu akbkuuL k kmu akbku11bmuak 012bLk k第26頁/共42頁第二十七頁，共42頁。式中式中阻尼比阻尼比rrr10mhcbb2r0r0r102BB 20cm02hm11bBm00bBm0固有固有(gyu)(gyu)圓頻率圓頻率第27頁/共42頁第二十八頁，共42頁。前輪角階躍輸入(shr)：討論：汽車前輪角

12、階躍輸入討論：汽車前輪角階躍輸入(shr)情況情況00,00,0,0ttt2r0r0r102BB 2r0r0r002B 00rr00220s1Bu LKu即穩(wěn)態(tài)橫擺角速度rr00s特解為：0t 當時0012222120121BbLk ku LL k kcKumu akbku第28頁/共42頁第二十九頁，共42頁。對應對應(duyng)的齊次方程的齊次方程為：為：2r0r0r20 220020ss200020011111siss 一對共軛復根兩個不同實根特征方程為：特征方程為：002200002rr00rr01211rr0341+ esin11+e1+eettttCtCC tCC小阻尼臨界阻尼大

13、阻尼第29頁/共42頁第三十頁，共42頁。由于正常(zhngchng)的汽車都具有小阻尼的瞬態(tài)響應，當1時 0200r020esin1tBtCt201令 0000r1220ecos tesin tttBtAA由運動起始條件確定積分(jfn)常數(shù)C、A1、A2第30頁/共42頁第三十一頁，共42頁。1001000,0,rrZaktwvwBI 時，00120BA 20001r200022s002111BmuaBABLk2220r1202s2220r002s221112111muaCAALkmuamuaLkLk210221arctanarctanAmuaALk第31頁/共42頁第三十二頁，共42頁。

14、 000r20esintBtCt 0220rr002s222111esin1tmuamuattLkLk 0rr0r0se0tt 當時，第32頁/共42頁第三十三頁，共42頁。在達到穩(wěn)態(tài)的之前， 是衰減的正弦(zhngxin)函數(shù)，汽車的瞬態(tài)響應汽車二階慣性環(huán)節(jié)特點： 時間上的滯后； 橫擺角速度超調(diào)； 橫擺角速度的波動； 進入穩(wěn)態(tài)要經(jīng)歷時間。rt（ ） 0220rr002s222111esin1tmuamuattLkLk第33頁/共42頁第三十四頁，共42頁。表征響應表征響應(xingyng)品質(zhì)好壞的品質(zhì)好壞的4個瞬態(tài)響應個瞬態(tài)響應(xingyng)的參數(shù)的參數(shù)1）固有圓頻率(pnl)02）阻

15、尼比3）反應時間4）達到第一個峰值r1的時間第34頁/共42頁第三十五頁，共42頁。當當1時，只要時，只要 為正值，就收斂，否則發(fā)散為正值，就收斂，否則發(fā)散(fsn)而不穩(wěn)定。而不穩(wěn)定。 式中k1、k2為負值(f zh)， 恒為正值。當當11時，齊次微分方程時，齊次微分方程(wi fn fn chn)(wi fn fn chn)的解均收斂而趨于的解均收斂而趨于0 0。 穩(wěn)態(tài)響應的穩(wěn)定條件穩(wěn)態(tài)響應的穩(wěn)定條件022121202ZZm a kb kkkImuI0002200002rr00rr01211rr0341+ esin11+e1+eettttCtCC tCC小阻尼臨界阻尼大阻尼第35頁/共42

16、頁第三十六頁，共42頁。當1時，特征根必須為負值，齊次微分方程(wi fn fn chn)的解才收斂趨于0。應為負值(f zh)才收斂，即 應為正值。220002021221202ZZakbkk k LImu I221mabKLkk21212Kk k Lakbkm22000011rr0341+eettCC大阻尼222121202ZZKk k Lk k LmImu I第36頁/共42頁第三十七頁，共42頁。 的第二項恒為正，當車速很低時，它是很大的值，均為正值， r（t）收斂，汽車穩(wěn)定(wndng)； 隨著車速的增加， 第二項越來越小；在過多轉(zhuǎn)向條件下 ， 就可能為負值，r（t）發(fā)散，汽車不穩(wěn)定

17、(wndng)202020的第一項為正的第一項為正的第一項為負的第一項為負不足不足(bz)轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向時過多過多(u du)轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向時0K 0K 2020222121202ZZKk k Lk k LmImu I第37頁/共42頁第三十八頁，共42頁。 在轉(zhuǎn)向(zhunxing)盤正弦輸入下，頻率由0時，汽車橫擺角速度與轉(zhuǎn)向(zhunxing)盤的振幅比以及相位差的變化規(guī)律稱為頻率特性。 輸出、輸入的幅值比是頻率 f 的函數(shù)，稱為幅頻特性。相位差也是 f 的函數(shù)，稱為相頻特性。的傅里葉變換(binhun)；的傅里葉變換(binhun)。 22r0r0r102jjBB 2r0r0r102BB 2.4 橫擺角速度頻率響應特性rr( ) 為( ) 為第38頁/共42頁第三十九頁，共42頁。幅頻特性為幅頻特性為 相頻特性為相頻特性為 rr1022002210002222000022222100010102222222222220000jj2jj2j2j2j22j44jBBHBBBBBBBC 22ABC arctanCB 第39頁/共42頁第四十頁，共42頁。 幅頻特性反映了駕駛員以不同頻率輸入指令時，汽車執(zhí)行駕駛員指令失真的(zhn de)程度。 相頻特性反映了汽車橫擺角速度 滯后于轉(zhuǎn)向(zhunxing)盤