1、第五章：汽车的操纵稳定性 Vehicle Driving Stability,主讲教师：褚志刚 Mobile Phone:13983615968 QQ：79856634,1 Introduction,What?,前提：驾驶员在不感到过分紧张、疲劳的条件下 能力： 1）汽车能遵询驾驶员通过转向系及转向车轮给定的方向行驶， 2）且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳态行驶的能力,How to Evaluate,出发点：把汽车看成是一个控制系统，求出该系统在作曲线行驶时的时域响应和频域响应 时域响应：是指汽车在转向盘输入或者外界侧向输入下的运动响应 频域响应：是指汽车的操纵性能随着频率的变化关系
2、,Evolution Parameter,1、转向盘角阶跃输入下的稳态响应和瞬态响应 2、横摆角速度频率响应特性 3、回正性能 4、转向半径 5、转向轻便性 6、直线行驶能力 7、蛇行单移线双移线等典型工况的性能 8、极限工况行驶能力,How to Study,实际汽车总是“人车路”闭环系统 开环系统只有驾驶员的操纵指令和汽车本身，而无人的反馈控制作用 闭环系统的客观性和再现能力不如开环系统,2 轮胎的侧偏特性,轮胎坐标系,车轮平面：垂直于轮轴的轮胎中分平面 坐标原点：车轮平面与地面的交线与轮轴在地面的投影线的交点 X轴：车轮平面与地面的交线，向前为正 Z轴：过原点的地面垂直线，向上为正 Y轴
3、：右手法则确定,轮胎的受力,Fx：地面切向反作用力 Fy：地面侧向反作用力(即侧偏力) Fz：地面法向反作用力 Tz：回正力矩,侧偏角和外倾角,侧偏角：接地印迹中心与x轴的夹角，由x轴向y轴旋转为正外倾角：垂直平面与车轮平面的夹角，由y轴向z轴旋转为正,轮胎简化为刚性时,Fy附着极限，有滑动，沿u方向行驶,没有侧滑,实际轮胎必然具有弹性,在受到侧偏力Fy下 静止时：轮胎侧向变形，接地印迹中心线aa与车轮平面cc平行错开 滚动时：接地印迹中心线aa与车轮平面cc成一角度，即侧偏角,轮胎侧偏现象和侧偏特性,产生机理：由于实际的车轮具有侧向弹性，在有侧偏力Fy作用下，即使Fy未达到车轮的侧向附着极限
4、，车轮行驶方向也将偏离车轮平面cc的方向，即轮胎产生了侧偏现象，该特性称为轮胎的侧偏特性,侧偏特性的表示方法,侧偏特性曲线来表示，即侧偏力与侧偏角之间的关系曲线 具有明显的非线性 在侧偏角小于4度时基本成线性关系 实际汽车在侧向加速度不超过0.4g时，侧偏角一般不超过5度 侧偏刚度：侧偏力与侧偏角关系曲线中侧偏角为0度时的斜率，单位N/rad，为负值,轮胎应该具有怎样的侧偏特性呢？,轮胎应该具有较高的侧偏刚度，以保证良好的操纵稳定性 轮胎应该具有足够的最大侧偏力，最大侧偏力越大，极限性能越好 侧偏特性取决于附着条件，如垂直载荷、胎面花纹、轮胎材料、轮胎结构、轮胎气压、路面及车轮外倾角等等,轮胎
5、侧偏特性的影响因素 扁平率的影响,扁平率：轮胎横截断面的高度与宽度之比 扁平率越小，即轮胎越宽，则侧偏刚度越高 减少轮胎扁平率是提高侧偏刚度的主要措施（采用加宽轮胎）,轮胎侧偏特性的影响因素 垂直载荷的影响,垂直载荷增加，侧偏刚度提高 垂直载荷过大，侧偏刚度反而下降，主要是由于轮胎与地面接触区的压力变得极不均匀,轮胎侧偏特性的影响因素 轮胎气压的影响,轮胎气压增加，侧偏刚度增加 轮胎气压增加过高后，侧偏刚度将不再增加 所以实际汽车应该在厂家额定的气压范围内工作,轮胎侧偏特性的影响因素 轮胎切向力的影响,在一定侧偏角下，当切向力增加时，侧偏力逐渐下降，即侧偏刚度下降 主要原因时轮胎的侧向弹性发生
6、变化 当切向力相当大时，侧偏力显著下降，因为此时切向力接近附着极限，切向力消耗掉了大部分附着力，而侧向能利用的附着力就很小了，因此，高速危险,附着椭圆,轮胎侧偏特性的影响因素 其他因素的影响,路面及其粗糙程度、干湿状况对轮胎侧偏特性有显著影响（滑水现象：当路面有薄水层时，会出现完全丧失侧偏力的情况，此时转向不起作用，雨天路滑，慢速行驶） 轮胎胎面花纹有显著影响 行驶车速对侧偏特性影响较小,回正力矩（绕z轴的力矩）,a：静止时，车轮平面平行偏离接地印迹中心线，各点变形相同，侧向反作用力均匀分布 b：滚动时，印迹前端离车轮平面近，变形小后端远，变形大，而微元作用力的分布与变形成正比，故合力作用点移
7、后一个拖距e，并产生了回正力矩Fye c：Fy继续增加至接地印迹的后端达到附着极限 d： Fy继续增大，Fy将沿345分布，当再增加到所有部分均达到附着极限时，便发生了侧滑,往侧向力 方向回正,回正力矩的影响因素,轮胎的结构形式及结构参数：尺寸大的轮胎回正力矩大，子午线轮胎的回正力矩比斜交胎大 轮胎气压的影响：轮胎的气压低，接地印迹长，轮胎拖距大，回正力矩大（漏气后气压低转向很难） 地面切向反作用力的影响：切向力为驱动力时，随着驱动力的增加，回正力矩达到最大后下降；当为制动力时，随着制动力增加回正力矩减小，到一定制动力后下降为零，其后变为负值,有外倾时轮胎的滚动,外倾侧向力：由于车轮有外倾，则
8、汽车前进时车轮有绕车轮轴线与地面交点o行驶的趋势，若不受约束，则车轮将偏离汽车前进方向向外滚动；实际上，由于轮轴的作用，使汽车只能沿前进方向向前行驶，因此，车轮中心受到一个来自于轮轴的侧向力Fy，以把车轮拉回至前进方向，与此同时，地面必作用有一反向侧向力。该力就是外倾侧向力,正的外倾角 产生负的 外倾侧向力,外倾刚度,外倾刚度：外倾侧向力与外倾角之比,FyK* 侧偏角为零时的地面侧向反作用力就是外倾侧向力 显然，外倾也将产生回正力矩 侧偏特性在不同的外倾角下具有平移的特点FyFyFy K*+ K*,轮胎动力学特性实验台,3 线性二自由度汽车模型对前轮角阶域输入下的响应,车辆坐标系,固结于车辆上
9、的动坐标系 xoz平面为汽车的左右对称面 原点为汽车的质心 x轴平行于地面指向前方 z轴通过质心指向上方 y轴右手法则确定，驾驶员左侧 横摆角速度r,绕z轴的角速度 前进速度u 侧向速度v 侧倾角速度p 俯仰角速度q 侧向加速度ay,线性二自由度汽车模型的建立,模型假设： 忽略转向系统的影响，直接以前轮转角为输入 忽略悬架的作用，认为汽车车厢只作平行于地面的平面运动 汽车沿x轴的前进速度u为常数，即u的一阶导数为0，或切向加速度为0 侧向加速度处于0.4g以下，轮胎侧偏特性处于线性范围 驱动力不大，不考虑切向力对轮胎侧偏特性的影响 没有空气动力的作用 忽略左右车轮由于载荷变化而引起轮胎特性的变
10、化，以及回正力矩的作用二自由度： 1）侧向运动自由度 2）横摆运动自由度,线性二自由度模型的运动微分方程,利用固结于汽车的车辆坐标系进行分析 确定ax 确定ay 运用牛二定律列方程 对侧向平动： 对横摆运动：,角阶跃输入下的稳态响应微分方程,稳态： 匀速直线行驶 等速圆周行驶 稳态响应 指在转向盘角阶跃输入下，经过一定时间后进入的等速圆周行驶；此时，车辆姿态相对于汽车行驶圆轨迹不变，也就是说车辆坐标系相对于圆轨迹不变，则u、v均不变 瞬态响应 由匀速直线行驶向等速圆周行驶的过渡阶段,匀速圆周行驶时：微分方程退化为,角阶跃输入下的稳态响应,根据K，稳态响应分哪些类型呢？,K=0；横摆角速度增益与
11、车速成线性关系,中性转向，与轮胎为刚性时转向特性一致 K0；存在临界转速，使横摆角速度增益出现最大值，不足转向 K0；存在临界转速，使横摆角速度增益出现无穷大，过多转向,实际汽车应该具有怎样的特性呢？,过多转向汽车当达到临界车速时，横摆角速度增益达到无穷大，即使只有很小的转角输入也会产生极大的横摆角速度，这就意味着转向半径极小，汽车将发生激转而侧滑或者翻车。而中性转向的汽车在使用条件等略有变化的情况下将可能转变为过多转向，因此，通常汽车应该具有一定的不足转向特性,其他表征稳态响应的参数有哪些？,前后轮侧偏角绝对值之差：,其他表征稳态响应的参数有哪些？,转向半径比R/R0,其他表征稳态响应的参数
12、有哪些？,中性转向点：使前后轮产生同一侧偏角的侧向力作用点； 由于前后轮产生同一侧偏角，因此转弯半径比为1，中性转向； 中性转向点不是侧向力作用的点，侧向力作用的点一般是汽车质心位置，但中性转向点客观存在且唯一 中性转向点距离前轴的距离为：,其他表征稳态响应的参数有哪些？,静态储备系数（S.M）：定义为中性转向点距离前轴的距离与汽车质心距离前轴的距离之差与轴距的比值当质心与中性转向点重合时，S.M0，在质心位置上作用的侧向力引起前后轮的侧偏角相等，中性转向 当质心与中性转向点之前时，S.M0，在质心位置上作用的侧向力引起前轮侧偏角大于后轮侧偏角，不足转向，反之S.M0，过多转向,角阶跃输入下的
13、瞬态响应,把第二式求及其一阶导数代入第一式得,角阶跃输入下的瞬态响应,进一步令：,并考虑到角阶跃输入条件下有： （t0） 则方程变为： 它的解齐次通解非齐次特解 非齐次方程特解为：,角阶跃输入下的瞬态响应,齐次方程为： 其特征方程为： 特征根为：则齐次方程的通解为：,其中c1 c2 c3 c4 c5 c6 由初始条件确定,角阶跃输入下的瞬态响应,实际系统都是欠阻尼状态，即1由于已知t=0时刻， 并且由运动微分方程知： 最后得微分方程的解为：,瞬态响应的评价指标,时间历程曲线，显然有：,主要评价指标： 横摆角速度波动的固有频率0固有频率应该高一些好,瞬态响应的评价指标,阻尼比：应该大些好 反应时
14、间：是指横摆角速度第一次达到稳定值的时间应该小些好 第一峰值时间：是指横摆角速度第一峰值的时间应该小些好,横摆角速度的频率响应特性,频率特性：系统输出与输入随频率的变化关系，包括幅频特性和相频特性 汽车横摆角速度的频率特性：是指汽车在前轮转角或者转向盘转角输入下，汽车的横摆角速度随频率的变化关系两边做傅立叶变换得：,横摆角速度的频率响应特性,汽车应该具有什么样的频率特性呢,目标： 幅频特性应尽量平坦，共振频率应高，通频带应很宽，保证失真度小 相位差应该很小，保证灵活快速 评价指标： 稳态增益，即频率为零处的幅值比 共振频率fr， fr越高越好 共振振幅比，b/ 应尽量接近1 F0.1Hz时的相
15、位滞后角0.1，应该接近0 F0.6Hz时的相位滞后角0.6，应该接近0,4 汽车的操纵稳定性与悬架的关系,哪些总成对汽车的操纵稳定性有影响呢？,汽车的侧倾,车厢侧倾轴线：车辆相对于地面转动时的瞬时轴线 侧倾中心：车厢侧倾轴线通过车厢在前后轴处横断面上的瞬时转动中心，是车厢侧倾轴线上的点 侧倾中心的联线就是车厢侧倾轴线 求侧倾中心通常采用基于可逆原理的图解法。即假设车厢不动，地面相对于车厢发生转动，则地面相对于车厢的瞬时转动中心就是侧倾中心,典型悬架结构的车厢侧倾中心,悬架的侧倾角刚度,定义：悬架侧倾角刚度是指单位车厢转角下，悬架系统给车厢总的弹性恢复力耦矩 数学描述：其中T为悬架系统作用于车
16、厢的总弹性恢复力耦矩，r车厢转角通常，悬架的侧倾角刚度通过悬架的线刚度来计算,悬架的线刚度,定义：车轮保持在地面上而车厢作垂直运动时，悬架系统给车厢的总弹性恢复力 负责系统采用虚位移原理,悬架的侧倾角刚度,车厢的侧倾角,定义：车厢在侧向力作用下绕侧倾轴线的车厢倾角，他严重的影响了汽车的操纵稳定性和行驶平顺性,侧倾时垂直载荷在左右侧车轮上的重新分配及其对稳态转向特性的影响,结论：1，侧倾时，垂直载荷在左右侧车轮之间重新分配，前后轴侧偏刚度将发生变化，通常侧偏刚度减少 2，在侧向力作用下，若汽车前轴垂直载荷变化较大，则汽车通常有利于增加不足转向量 3，在侧向力作用下，若汽车后轴垂直载荷变化较大，则
17、汽车通常减少不足转向量（为什么货车比轿车更容易侧翻）,侧倾外倾侧倾时车轮外倾角的变化,产生机理：汽车在侧向力作用下会使车厢出现侧倾，由于悬架及其导向杆系与车厢的结构约束关系，车轮外倾角必然发生变化，进而会引起外倾地面侧向反作用力的变化，又由地面侧向反作用力等于外倾地面侧向反作用力和地面侧偏力之和可知，轮胎侧偏角必然发生变化，引起，汽车的转向特性也随之发生变化。车厢侧倾引起车轮外倾角的变化利用下式确定：,侧倾（干涉）转向 / 轴转向,产生机理：在侧向力作用下，车厢发生侧倾，由于车厢侧倾引起前转向车轮绕主销的转动，即车轮转向角发生变化，称为侧倾转向。对于非转向轴而言，它是指车厢侧倾时由于悬架导向杆
18、系的运动学关系产生的车轮转向角；对于转向轴而言还包括悬架导向杆系与转向系相互作用的运动学关系所产生的车轮转向角，后者可以看成是悬架导向杆系与转向系之间的运动学不协调而发生干涉所产生的车轮转向角，因此，又称为侧倾干涉转向。 特别的，对于非独立悬架而言，车厢侧倾时，非独立悬架的车轴发生绕垂直轴线的转动，所以侧倾转向也称为轴转向,悬架导向装置变形转向和变形外倾,产生机理：悬架导向杆系各元件（最主要的受影响元件通常是橡胶元件）在各种力、力矩的作用下发生的变形，引起车轮绕主销轴线或者垂直于地面轴线的转动，其转角称为变形转向角。同时，独立悬架导向装置的变形还会引起车轮外倾角的变化，即引起了变形外倾。它同侧
19、倾转向一样，变形转向是使车辆具有恰当不足转向量的有效手段之一。见书图552，553,5、汽车操纵稳定性与转向系的关系,转向系的功能与转向盘力特性,转向系的功能： 驾驶员通过转向盘控制前轮绕主销的转角操纵汽车的运动方向，驾驶员操纵转向盘时对转向盘的输入通常有角输入和力输入两种 凭借转向盘给驾驶员的反作用力将整车及轮胎的运动受力状况反馈给驾驶员，即给驾驶员提供路感 转向盘力特性：转向盘力随汽车运动状况而变化的规律,转向盘力特性的典型评价方法 及影响因素,典型评价方法 正弦曲线行驶大侧向加速度下的转向盘力 正弦曲线行驶转向盘中间位置或小转角下的转向盘力 固定转向盘回转行驶时的转向盘力特性,主要影响因
20、素： 转向系传动比及其变化规律 转向器效率 动力转向系的转向盘操作力特性 转向杆系传动比 转向杆系效率 由悬架导向杆系决定的主销位置 轮胎上的载荷 轮胎气压及力学特性 地面附着条件 转向盘转动惯量 转向柱摩擦阻力 整车动力学特性,不同行驶工况对操纵稳定性的要求,低速低侧向加速度的情况下，汽车应有适度的转向盘力和转向盘总回转角，还应具有良好的回正性能 在高车速、转向盘小转角、低侧向加速度范围内，汽车应具有良好的横摆角度频率特性、直线行驶能力与回正能力 汽车应具有良好的转向盘力特性，一般要求汽车以中高速行驶时转向盘力最好与侧向加速度成线性关系，图中C线最好,转向盘中间位置操纵稳定性试验,目的：汽车
21、在高速行驶时，即使转向盘转角很小，但汽车仍作用有一定的侧向惯性力，这时主要通过力输入来控制汽车，即驾驶员以力输入和转向盘反作用力为主要信息源来控制汽车试验方法：汽车以100km/h的速度作近似于正弦曲线的蛇行行驶，正弦周期为5s，最大侧向加速度为0.2g。利用直接测量得到的横摆角速度与车速进行乘积得到侧向加速度，最终得到转向盘转矩与侧向加速度的关系曲线评价参数：五个典型评价参数见图,转向系与侧倾转向和变形转向,转向车轮干涉转向，即悬架的侧倾干涉转向。它是由转向系和悬架在运动学上不协调导致的。应该尽量小！转向系变形转向。是指实际的转向盘到转向车轮之间的转向机、转向杆系、与转向机固定处都存在弹性，
22、即转向系存在刚度。因此，地面作用于作用于转向车轮的回正力矩必然造成转向系发生弹性变形，即转向轮产生了变形转向角,6 汽车的操纵稳定性与传动系的关系,地面切向反作用力与“不足过多”转向特性的关系,以前驱动汽车为例： 当汽车在弯道上以大驱动力加速行驶时，前轴垂直载荷明显减轻，后轴垂直载荷相应增加。一般载荷范围内，轮胎侧偏刚度是随载荷的增大、减少而增减的，因此，加速时前轴侧偏角增加，后轴侧偏角减少，汽车有增加不足转向特性的趋势,由于附着椭圆效应，随着驱动力的增加，同一侧偏角下的侧 偏力力下降，因此，为了提供相应的侧偏力（来平衡侧向外力），前轮侧偏角必然增加，有增加不足转向特性的趋势前轮受到半轴驱动转
23、矩的影响会产生不足转向变形，有增加 汽车不足转向的趋势随着驱动力的增加，轮胎回正力矩有所增加，有增加不足转向趋势,驱动行驶对汽车转向特性的影响,条件：冰雪路面，初速度一定，方向盘转角一定，不同加速度加速行驶1s 前轮驱动，强不足转向特性 后轮驱动，过多转向 4轮驱动力等分驱动，适当不足转向特性 提示，能否对四轮分配的切向反作用力进行分配控制，提高汽车的转向特性呢？,中性转向,切向反作用力控制的三种类型,总切向反作用力控制，如ABS/TCS/ASR 前后轮间切向力分配比例控制，如ETS 内外侧车轮间切向力分配控制，如DYCS/,7 提高汽车操纵稳定性的电子控制系统,提高操纵稳定的常用措施,被动措
24、施：改进轮胎、悬架、转向与传动系 主动措施：电子控制系统，包括四轮转向系统（4WS）、驱动控制系统（TCS，ASR）、车辆稳定性控制系统（VSC）、防抱死制动系统（ABS）、车辆动力学控制系统（VDC）,四轮转向系统,目标：车厢侧偏角横接近零，车厢与行驶轨迹一致，汽车自然流畅的作曲线运动，驾驶员能方便的作出判断和操作，显著的改善操纵稳定性,车辆稳定性系统,该系统是基于ABS系统的，系统主要在大侧向加速度、大侧偏力作用下工作，它利用左右两侧制动力之差产生的横摆力耦矩来防止出现危险工况，如汽车在弯道行驶中因前轴侧滑而失去路径跟踪能力的驶出现象及后轴侧滑甩尾的激转现象,典型控制系统的有效工作区域,4
25、WS，附着圆中心区域，即侧向力、纵向力较小的轮胎特性线性区域 TCS，大驱动力附近的极限区域 ABS，大制动力附近的极限区域 VSC，大侧偏力附近的极限区域,8 汽车的侧翻,侧翻的定义及其分类,定义：汽车侧翻是指汽车在行驶过程中绕其纵轴线转动90度或者更大的角度，以致车身和地面相接触的一种极其危险的侧向运动分类：曲线运动引起的侧翻（侧向加速度超过一定限值，内侧车轮的垂直反力为零引起）；绊倒侧翻（汽车行驶时产生侧向滑移，与路面上的障碍物侧向相撞引起的侧翻）,汽车的准静态侧翻,=0 悬架柔性,汽车的瞬态侧翻,超调量的存在，使汽车存在比准静态更小的侧翻临界侧向加速度,9 汽车操纵稳定性的路上试验,所
26、需的测量参数和检测仪器,车速：车速仪、五轮仪 转矩和转角：测力转向盘 加速度计：侧向加速度 横摆角速度：二自由度角速度陀螺 汽车的航向角：三自由度航向陀螺 车厢侧倾角：垂直陀螺 时间：计时器,低速行驶转向轻便性试验,试验方法： 参见汽车操纵稳定性试验方法转向轻便性试验 评价指标： 转向盘最大转矩 转向盘最大作用力 转向盘作用功 转向盘最大操舵力 转向盘平均操舵力 试验结果 转向盘转矩转向盘转角曲线,稳态转向特性试验,试验方法： 参见汽车操纵稳定性试验稳态回转试验 评价指标： 中性转向点的侧向加速度 不足转向度 车厢侧倾度 试验结果： 转向半径比侧向加速度曲线 前后轴侧偏角差侧向加速度曲线,其他
27、试验,瞬态横摆响应曲线/转向盘角阶跃输入 汽车回正性能试验 转向盘角脉冲试验 蛇行试验 转向盘中间位置操纵稳定性试验 最小转弯半径试验 抗侧滑能力试验 抗侧翻能力试验,10 现代分析设计方法,传统的分析手段及局限性,传统的以线性二自由度单轨横向摆动为基础的动力学模型，无法真实反映实际汽车系统的复杂结构和受力状况，导致对影响转向特性的许多重要因素无法进行定量分析，更无法定量分析转向特性改进措施对行驶平顺性等其他动力学性能的影响。 以经典力学为依托的分析方法已不能应付像汽车这种复杂受力情况下多自由度系统的分析模型建立和求解问题， 为此，不得不对模型大量简化，从而难以得到精确的分析结果。,现代设计分析方法,多体动力学方法 虚拟样机技术,基于虚拟样机的转向特性研究,不同的后悬架刚度下汽车的轨迹,动画,不同的后悬架刚度下汽车质心的侧向加速度,不同的后悬架刚度下汽车转向半径比随车速的平方的变化曲线,
