汽車理論-第五章 汽車操縱穩(wěn)定性（5.1-5.2）

第五章汽車操縱穩(wěn)定性manuevereabilityhandlingperformance5汽車操縱穩(wěn)定性5.1

概述5.2輪胎側(cè)偏特性5.3線性二自由度汽車模型對前輪角輸入響應5.4汽車操縱穩(wěn)定性與懸架、轉(zhuǎn)向系的關系5.5

汽車行駛時的翻傾和整車側(cè)滑1、飄：無指令時，汽車行駛飄??；2、賊：不聽指令，左右亂闖，賊頭賊腦；3、晃：轉(zhuǎn)向時，行駛不穩(wěn)；4、反映遲鈍：接到指令時，半天才反響；5、喪失路感：人員操縱車，無法感覺路面狀況；6、失去控制：指令失控。操縱系統(tǒng)欠佳的種種表現(xiàn)：定義：在駕駛員不感覺過分緊張、疲勞的條件下，汽車能按照駕駛員通過轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向行駛，且當受到外界干擾時，汽車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力。意義操縱方便性高速安全性行駛方向直線轉(zhuǎn)彎干擾路不平側(cè)風貨物或乘客偏載內(nèi)容輸入：角輸入、力輸入響應：時域響應、頻域響應。橫擺角速度頻率響應特性回正性轉(zhuǎn)向半徑轉(zhuǎn)向輕便性直線行駛性（側(cè)向風穩(wěn)定性、路面不平穩(wěn)定性、彎道行駛性）典型行駛工況極限行駛性能5.1概述

汽車在轉(zhuǎn)向盤輸入或外界干擾輸入下的側(cè)向運動響應隨時間而變化的特性稱為時域響應特性。

轉(zhuǎn)向盤輸入有角位移輸入和力矩輸入。

外界干擾輸入主要是指側(cè)向風和路面不平產(chǎn)生的側(cè)向力。第一節(jié)操縱穩(wěn)定性概述一、操縱穩(wěn)定性包含的內(nèi)容1.轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的響應穩(wěn)態(tài)響應瞬態(tài)響應

橫擺角速度增益—轉(zhuǎn)向靈敏度。評價參量反響時間。橫擺角速度波動的無阻尼圓頻率。評價參量第一節(jié)操縱穩(wěn)定性概述操縱穩(wěn)定性包含的內(nèi)容

轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角正弦輸入下，頻率由0→∞變化時，汽車橫擺角速度與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的振幅比及相位差的變化規(guī)律。

共振峰頻率。

共振時振幅比。

相位滯后角。

穩(wěn)態(tài)增益。評價參量第一節(jié)操縱穩(wěn)定性概述2.橫擺角速度頻率響應特性操縱穩(wěn)定性包含的內(nèi)容3.轉(zhuǎn)向盤中間位置操縱穩(wěn)定性

轉(zhuǎn)向靈敏度。

轉(zhuǎn)向盤力特性。

轉(zhuǎn)向功靈敏度。評價參量第一節(jié)操縱穩(wěn)定性概述

轉(zhuǎn)向盤力輸入下的時域響應?；卣笫Ｓ鄼M擺角速度與剩余橫擺角。到達剩余橫擺角速度的時間。評價參量4.回正性操縱穩(wěn)定性包含的內(nèi)容

轉(zhuǎn)向盤小轉(zhuǎn)角、低頻正弦輸入下，汽車高速行駛時的操縱穩(wěn)定性。車型最小轉(zhuǎn)向半徑/m（左/右）AudiA45.6/5.6（軸距2650mm）寶馬520i5.65/5.65（軸距2830mm）雷克薩斯LS4305.4/5.3（軸距2925mm）一些常見車型的最小轉(zhuǎn)向半徑評價參量：最小轉(zhuǎn)向半徑。第一節(jié)操縱穩(wěn)定性概述5.轉(zhuǎn)向半徑操縱穩(wěn)定性包含的內(nèi)容

評價轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤輕便程度的特性。

包括原地轉(zhuǎn)向輕便性、低速行駛轉(zhuǎn)向輕便性和高速行駛轉(zhuǎn)向輕便性。

轉(zhuǎn)向力。

轉(zhuǎn)向功。目前局部轎車上使用的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)〔EPS〕，能很好地兼顧各種車速下行駛時的轉(zhuǎn)向輕便性。評價參量第一節(jié)操縱穩(wěn)定性概述6.轉(zhuǎn)向輕便性操縱穩(wěn)定性包含的內(nèi)容直線行駛性轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和〔累計值〕側(cè)向風敏感性路面不平敏感性側(cè)向偏移評價參量評價參量第一節(jié)操縱穩(wěn)定性概述7.直線行駛性能操縱穩(wěn)定性包含的內(nèi)容

蛇行性能

移線性能

雙移線性能—回避障礙性能

轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向力、側(cè)向加速度、橫擺角速度、側(cè)偏角、車速等。在汽車性能參數(shù)里，往往以應急性能給出。主要包括：蛇行繞樁速度〔滿載/空載〕、緊急變線速度〔滿載/空載〕。評價參量第一節(jié)操縱穩(wěn)定性概述8.典型行駛工況性能操縱穩(wěn)定性包含的內(nèi)容三輛轎車在做蛇形繞樁性能比照測試。第一節(jié)操縱穩(wěn)定性概述第一節(jié)操縱穩(wěn)定性概述汽車在繞樁〔轉(zhuǎn)向〕時車身總有一定的傾斜第一節(jié)操縱穩(wěn)定性概述有些轎車的車身側(cè)傾比較嚴重第一節(jié)操縱穩(wěn)定性概述車身外傾駕駛艙內(nèi)傾設計的理念是駕駛艙永不傾斜第一節(jié)操縱穩(wěn)定性概述第一節(jié)操縱穩(wěn)定性概述車型緊急變線速度/（km·

h－1）（空載）

新雅閣97.3

馬自達6120AudiA4124.9AudiA8131.6一些常見轎車的緊急變線速度第一節(jié)操縱穩(wěn)定性概述操縱穩(wěn)定性包含的內(nèi)容極限側(cè)向加速度抗側(cè)翻能力極限車速

回至原來路徑所需時間評價參量評價參量評價參量

圓周行駛極限側(cè)向加速度第一節(jié)操縱穩(wěn)定性概述9.極限行駛能力

發(fā)生側(cè)滑時的控制能力操縱穩(wěn)定性包含的內(nèi)容第一節(jié)操縱穩(wěn)定性概述1.車輛坐標系二、車輛坐標系與轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的時域響應汽車時域響應分為穩(wěn)態(tài)響應和瞬態(tài)響應。轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應：等速直線行駛，急劇轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，然后維持轉(zhuǎn)角不變，即對汽車施以轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入，汽車經(jīng)短暫的過渡過程后進入等速圓周行駛工況。轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應：等速直線行駛和等速圓周行駛兩個穩(wěn)態(tài)運動之間的過渡過程所對應的瞬間運動響應。穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性：缺乏轉(zhuǎn)向、中性轉(zhuǎn)向、過多轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向盤保持一個固定轉(zhuǎn)角不變，緩慢加速或以不同車速等速行駛時，缺乏轉(zhuǎn)向的汽車轉(zhuǎn)向半徑逐漸增大，中性轉(zhuǎn)向的汽車轉(zhuǎn)向半徑不變，而過多轉(zhuǎn)向的汽車轉(zhuǎn)向半徑逐漸減小。

汽車直線行駛時，急速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤至某一轉(zhuǎn)角時，停止轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤并維持此轉(zhuǎn)角不變，即給汽車以轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入。時間t轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角第一節(jié)操縱穩(wěn)定性概述2.穩(wěn)態(tài)響應特性

轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入經(jīng)短暫時間后，汽車進入等速圓周行駛，稱為轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應。缺乏轉(zhuǎn)向；中性轉(zhuǎn)向不變；過多轉(zhuǎn)向。穩(wěn)態(tài)響應特性有三種類型第一節(jié)操縱穩(wěn)定性概述

轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入前后，直線行駛與等速圓周行駛這兩個穩(wěn)態(tài)運動之間的過渡過程是一種瞬態(tài)，相應的瞬態(tài)運動響應稱為轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應。第一節(jié)操縱穩(wěn)定性概述3.瞬態(tài)響應特性瞬態(tài)響應與汽車的操縱穩(wěn)定性好壞有密切關系，汽車方向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應，常用來表征汽車的操縱穩(wěn)定性。急速轉(zhuǎn)動方向盤，給定一轉(zhuǎn)角δsw0，并維持此轉(zhuǎn)角不變時的瞬間響應特性曲線，可表征瞬態(tài)響應的品質(zhì)。瞬態(tài)響應：波動周期T或波動頻率ω

：〔1〕時間上的滯后：汽車橫擺角速度在接到信號后，不能立即到達Wro，而是要有一個時間τ后，才能第一次到達Wro，這段滯后時間稱為反響時間。τ越短，駕駛者感到反映迅速，否那么遲鈍，也有用到達第一峰值的時間——滯后時間ε來表示反響時時間的；〔2〕執(zhí)行上的誤差：最大橫擺角速度Wr1常大于穩(wěn)態(tài)值Wro，Wr1/Wro×100%稱為超調(diào)量，它表示執(zhí)行指令誤差的大?。弧?〕橫擺角速度的波動：在瞬態(tài)響應中，橫擺角速度Wr以頻率ω在Wro值上下波動，波動周期T或頻率ω決定于汽車動力學系統(tǒng)的參數(shù)，Wr值波動也會使轉(zhuǎn)向半徑R時大時小，給駕駛帶來困難；(4)穩(wěn)定時間σ：當Wr值到達穩(wěn)態(tài)值Wro的95%-105%之間的時間稱為穩(wěn)定時間σ，這段時間應盡是短些。個別汽車也可能出現(xiàn)Wr不收劍的情況，即Wr越來越大轉(zhuǎn)向半徑R愈來愈小，而導致汽車產(chǎn)生側(cè)滑或翻車由此可見，瞬態(tài)響應包括兩方面的問題：一是行駛方向的穩(wěn)定性，即給汽車以方向盤角階躍輸入后，汽車能否到達新的穩(wěn)態(tài)狀況的問題；二是響應品質(zhì)的問題，即到達新的穩(wěn)態(tài)之前，其瞬態(tài)響應的特性如何。汽車時域響應是把汽車作為開環(huán)控制系統(tǒng)的控制特性。所謂開環(huán)控制系統(tǒng)是指我們研究汽車操縱穩(wěn)定性時，對于駕駛者而言，只能機械地急速轉(zhuǎn)動方向，并維持此角度不變，而不允許其根據(jù)汽車的轉(zhuǎn)向運動作出任何主觀地操縱修正動作。即：輸入信號傳遞給汽車，再輸出信號，其反響完全由汽車本身結(jié)構與參數(shù)決定。此種方法完全反映的是汽車本身的固有特性，它可以通過建立數(shù)學模型，也可以使用測試設備在試驗中客觀進行測量。但實際駕駛中，駕駛員－汽車系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)：在汽車行駛過程中，駕駛員根據(jù)需要，操縱轉(zhuǎn)向盤使汽車做轉(zhuǎn)向運動。路面的凹凸不平、側(cè)風、偏載等影響汽車的行駛。駕駛員根據(jù)道路、交通等情況，通過眼、手及身體感知的汽車運動狀況〔輸出參數(shù)〕，經(jīng)過頭腦的分析、判斷〔反響〕，修正其對轉(zhuǎn)向盤的操縱。如此不斷地反復循環(huán)，操縱汽車行駛前進。主觀評價法:憑借主觀感覺的評價轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應：

3.評價方法

客觀評價法：用測試儀器測物理參數(shù)：36

本節(jié)主要研究輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象和側(cè)偏特性。

側(cè)偏特性是指側(cè)偏力、回正力矩與側(cè)偏角的關系。第五章汽車的操縱穩(wěn)定性第二節(jié)輪胎的側(cè)偏特性返回目錄37車輪平面垂直于車輪旋轉(zhuǎn)軸線的輪胎中分平面稱為車輪平面坐標系的原點O

車輪平面和地平面的交線與車輪旋轉(zhuǎn)軸線在地平面上的投影線的交點車輪平面與地平面的交線取為X軸，規(guī)定向前為正Z軸與地面垂直規(guī)定為正Y軸在地平面上規(guī)定面向車輪前進方向時指向左方為正一、輪胎的坐標系38αOXY車輪平面車輪行駛方向正地面切向反作用力FX正翻轉(zhuǎn)力矩TX正地面法向反作用力FZ正地面?zhèn)认蚍醋饔昧Y車輪旋轉(zhuǎn)軸線正側(cè)偏角正回正力矩TZ正TY正外傾角γZ側(cè)偏角α

輪胎接地印跡中心的位移方向與X軸的夾角外傾角γ

過輪胎坐標系原點的垂線與車輪平面的夾角第二節(jié)輪胎的側(cè)偏特性391.側(cè)偏力FY概念

汽車行駛時，由于路面的側(cè)面傾斜，側(cè)向風或曲線行駛時的離心作用，車輪中心沿Y軸方向有側(cè)向力Fy，相應地面上將產(chǎn)生地面?zhèn)认蚍醋饔昧y，稱為側(cè)偏力FY.二、輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象和側(cè)偏力—側(cè)偏角曲線40uccucc只有當側(cè)向力大于〔或等于〕車輪與路面間的側(cè)向附著力時，車輪的運動方向才會改變。第二節(jié)輪胎的側(cè)偏特性1〕在剛性輪上作用側(cè)向力41當車輪有側(cè)向彈性時，即使Fy沒有到達附著極限，車輪行駛方向亦將偏離車輪平面的方向，此即為為輪胎的側(cè)偏。輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象2〕在彈性輪上作用側(cè)向力421〕車輪靜止時，由于車輪側(cè)向彈性，輪胎發(fā)生側(cè)向變形，輪胎胎面與地面接地印跡的中心線aa與車輪平面不重合錯開Δh，但仍平行于aa；43FY俯視圖第二節(jié)輪胎的側(cè)偏特性車輪靜止44FY第二節(jié)輪胎的側(cè)偏特性2〕在彈性輪上作用側(cè)向力車輪滾動452〕車輪滾動時，接地印跡中心線不只是和車輪平面錯開一定距離，而且是不再與平行，夾角α即為側(cè)偏角。46α0XYFY側(cè)偏力為正時，產(chǎn)生負側(cè)偏角。u-+第二節(jié)輪胎的側(cè)偏特性2.側(cè)偏現(xiàn)象當車輪有側(cè)向彈性時，即使FY沒有到達側(cè)向附著極限，車輪行駛方向也將偏離車輪平面的方向。α側(cè)偏角α

輪胎接地印跡中心的位移方向與X軸的夾角。u47k—側(cè)偏剛度。FY一定時希望側(cè)偏角越小越好，所以|k|越大越好。第二節(jié)輪胎的側(cè)偏特性3.FY－α曲線48在汽車正常行駛時，側(cè)向加速度不不超過0.4g，側(cè)偏角不超過4°－6°可以認為Fy與α成線性關系；Fy－α曲線在α=0的低斜率稱為側(cè)偏剛度k，k單位為N/rad或N/(°)；49側(cè)偏剛度k是決定操縱穩(wěn)定性的重要輪胎參數(shù)，k值〔絕對值〕變化，那么操縱穩(wěn)定性產(chǎn)生相應變化，k值受道路條件限制。小型轎車輪胎的K值約在-28000——-80000N／rad范圍內(nèi)。側(cè)偏剛度是決定操縱穩(wěn)定性的重要輪胎參數(shù)。輪胎應有高的側(cè)偏剛度(指絕對值)，以保證汽車良好的操縱穩(wěn)定性。50最大側(cè)偏力的影響因素附著條件

及垂直載荷FZ輪胎胎面花紋、材料、結(jié)構、充氣壓力路面材料、結(jié)構、潮濕程度車輪外傾角三、輪胎結(jié)構、工作條件對側(cè)偏特性的影響51第二節(jié)輪胎的側(cè)偏特性大尺寸輪胎子午線輪胎斜交輪胎鋼絲子午線輪胎纖維子午線輪胎

輪胎的尺寸、型式和結(jié)構參數(shù)對側(cè)偏剛度有顯著影響。側(cè)偏剛度大側(cè)偏剛度小大尺寸輪胎小尺寸輪胎52同型號，同尺寸輪胎，簾布層簾線與平面夾角越大，氣壓越大，k值越大；氣壓過高，k不再變。53扁平率：H/B×100%：H：輪胎斷面高，B：胎斷面寬；扁平率增加，k減小；反之，k增大。其對側(cè)偏剛度影響很大；采用小扁平率輪胎，已成為k的重要途徑.54第二節(jié)輪胎的側(cè)偏特性扁平率小，k大HB扁平率=(H/B)×100%

55車型輪胎型號扁平率(%)

新雅閣普利斯通205/65R1565

奔馳S320米其林225/60R16W60

奔馳LORINSER

米其林275/30ZR19

30寬度一些車型輪胎的型號及扁平率輪輞直徑第二節(jié)輪胎的側(cè)偏特性56第二節(jié)輪胎的側(cè)偏特性572〕垂直載荷W:W增大時，k隨之增大，但當W增大到一定程度時，W增大，k反而減??；

58第二節(jié)輪胎的側(cè)偏特性59α一定時，W大，F(xiàn)Y大。FY=

，即k大。

垂直載荷過大時，輪胎與地面接觸區(qū)的壓力分布不均勻，使k反而有所減小。第二節(jié)輪胎的側(cè)偏特性60第二節(jié)輪胎的側(cè)偏特性〔3〕輪胎氣壓高，k大61切向力時，對k值影響不大，但對Fy影響較大，因為切向力Fy合成值受路面附著力限制，當切向力較大時，側(cè)偏力下降很快，因此時即將到達FФ,切向力消耗大局部，故而Fy較小；〔4〕FX越大，F(xiàn)Y越小62附著橢圓一定側(cè)偏角下，驅(qū)動力或制動力增加時，側(cè)偏力逐漸有所減小，這是由于輪胎側(cè)向彈性有所改變的關系。當縱向力相當大時，側(cè)偏力顯著下降，接近附著極限時，切向力已耗去大局部附著力，而側(cè)向力能利用的附著力很小。6364FX1FY1FX2FY2第二節(jié)輪胎的側(cè)偏特性65第二節(jié)輪胎的側(cè)偏特性〔5〕路面干濕狀態(tài)路面的潮濕程度對最大側(cè)偏力影響較大，但對k無太大影響.66

路