1、汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的情况下，汽车能遵循驾驶者通过转向系统及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。 汽车的操纵稳定性是汽车主动安全性的重要评价指标。,第五章汽车的操纵稳定性,汽车在转向盘输入或外界干扰输入下的侧向运动响应随时间而变化的特性称为时域响应特性。 转向盘输入有角位移输入和力矩输入。 外界干扰输入主要是指侧向风和路面不平产生的侧向力。,一、操纵稳定性包含的内容,1.转向盘角阶跃输入下的响应,稳态响应,瞬态响应,横摆角速度增益转向灵敏度。,评价参量,反应时间。 横摆角速度波动的无阻尼圆频率。,评价参量,操纵稳定性包含的
2、内容,转向盘转角正弦输入下，频率由0变化时，汽车横摆角速度与转向盘转角的振幅比及相位差的变化规律。,共振峰频率。共振时振幅比。相位滞后角。稳态增益。,评价参量,2.横摆角速度频率响应特性,操纵稳定性包含的内容,3.转向盘中间位置操纵稳定性,转向灵敏度。转向盘力特性。转向功灵敏度。,评价参量,转向盘力输入下的时域响应。,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。,评价参量,4.回正性,操纵稳定性包含的内容,转向盘小转角、低频正弦输入下，汽车高速行驶时的操纵稳定性。,一些常见车型的最小转向半径,评价参量：最小转向半径。,5.转向半径,操纵稳定性包含的内容,评价转动转向盘轻便程度
3、的特性。 包括原地转向轻便性、低速行驶转向轻便性和高速行驶转向轻便性。,转向力。转向功。,目前部分轿车上使用的电动助力转向系统（EPS），能很好地兼顾各种车速下行驶时的转向轻便性。,评价参量,6.转向轻便性,操纵稳定性包含的内容,直线行驶性,转向盘转角和（累计值）,侧向风敏感性,路面不平敏感性,侧向偏移,评价参量,评价参量,7.直线行驶性能,操纵稳定性包含的内容,蛇行性能 移线性能 双移线性能回避障碍性能,转向盘转角、转向力、侧向加速度、横摆角速度、侧偏角、车速等。,在汽车性能参数里，往往以应急性能给出。主要包括：蛇行绕桩速度（满载/空载）、紧急变线速度（满载/空载）。,评价参量,8.典型行驶
4、工况性能,操纵稳定性包含的内容,三辆轿车在做蛇形绕桩性能对比测试。,汽车在绕桩（转向）时车身总有一定的倾斜,有些轿车的车身侧倾比较严重,车身外倾,驾驶舱内倾,设计的理念是驾驶舱永不倾斜,一些常见轿车的紧急变线速度,操纵稳定性包含的内容,蛇形绕桩测试（视频）,极限侧向加速度,抗侧翻能力,极限车速,回至原来路径所需时间,评价参量,评价参量,评价参量,圆周行驶极限侧向加速度,9.极限行驶能力,发生侧滑时的控制能力,操纵稳定性包含的内容,1.车辆坐标系,二、车辆坐标系与转向盘角阶跃输入下的时域响应,汽车直线行驶时，急速转动转向盘至某一转角时，停止转动转向盘并维持此转角不变，即给汽车以转向盘角阶跃输入。
5、,时间 t,转向盘转角,2.稳态响应特性,转向盘角阶跃输入经短暂时间后，汽车进入等速圆周行驶，称为转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应。,不足转向 ；中性转向 不变；过多转向 。,稳态响应特性有三种类型,转向盘角阶跃输入前后，直线行驶与等速圆周行驶这两个稳态运动之间的过渡过程是一种瞬态，相应的瞬态运动响应称为转向盘角阶跃输入下的瞬态响应。,3.瞬态响应特性,1）时间上的滞后,瞬态响应的评价指标,2）执行上的误差（r1/r0）100 称为超调量,3）横摆角速度的波动 波动的 2/T , 取决于汽车的结构参数,4）进入稳态所经历的时间,将汽车作为开路控制系统,人汽车系统作为闭路系统,三、操纵稳定性的研
6、究方法,通过仪器测出横摆角速度、侧向加速度、侧倾角及转向力。,让试验评价人员根据试验时自己的感觉进行评价。,人汽车闭路系统,四、操纵稳定性的两种试验评价方法,开路系统,主观评价法,客观评价法,本节主要研究轮胎的侧偏现象和侧偏特性。侧偏特性是指侧偏力、回正力矩与侧偏角的关系。,第二节轮胎的侧偏特性,O,X,Y,车轮平面,车轮行驶方向,正地面切向反作用力FX,正翻转力矩 TX,正地面法向反作用力FZ,正地面侧向反作用力FY,车轮旋转轴线,正侧偏角,正回正力矩TZ,正TY,正外倾角,Z,侧偏角轮胎接地印迹中心的位移方向与X轴的夹角,外倾角过轮胎坐标系原点的垂线与车轮平面的夹角,一、轮胎的坐标系,地面
7、作用于车轮的侧向反作用力。,二、轮胎的侧偏现象和侧偏力侧偏角曲线,1.侧偏力FY,u,c,c,u,c,c,只有当侧向力 大于（或等于）车轮与路面间的侧向附着力时，车轮的运动方向才会改变。,1）在刚性轮上作用侧向力,FY,俯视图,车轮静止,2）在弹性轮上作用侧向力,FY,2）在弹性轮上作用侧向力,车轮滚动,0,X,Y,FY,侧偏力为正时，产生负侧偏角。,u,-,+,2.侧偏现象,当车轮有侧向弹性时，即使FY没有达到侧向附着极限，车轮行驶方向也将偏离车轮平面的方向。,侧偏角 轮胎接地印迹中心的位移方向与X轴的夹角。,u,k侧偏刚度。,FY一定时希望侧偏角越小越好，所以 |k| 越大越好。,3.FY
8、曲线,三、轮胎结构、工作条件对侧偏特性的影响,大尺寸轮胎,子午线轮胎,斜交轮胎,钢丝子午线轮胎,纤维子午线轮胎,轮胎的尺寸、型式和结构参数对侧偏刚度有显著影响。,侧偏刚度大,侧偏刚度小,大尺寸轮胎,小尺寸轮胎,（1）扁平率小，k大,H,B,扁平率=(H/B)100%,宽度,一些车型轮胎的型号及扁平率,轮辋直径,（2）垂直载荷大，k大,一定时，W大，FY大。 FY = ，即k大。,垂直载荷过大时，轮胎与地面接触区的压力分布不均匀，使 k反而有所减小。,（3）轮胎气压高，k大,FX1,FY1,FX2,FY2,（4）FX 越大，FY 越小,（5）路面干湿状态,路面有薄水层时，由于滑水现象，会出现完全
9、丧失侧偏力的情况。,轮胎胎面、路面粗糙程度、水层厚度与滑水现象的关系,轮胎发生侧偏时，会产生作用于轮胎绕OZ轴的力矩，该力矩称为回正力矩。,车轮静止时受到侧向力,车轮运动时受到侧向力（侧向力较小）,车轮运动时受到侧向力（侧向力较大）,FY,e,FY,e轮胎拖距。,e,FY,轮胎拖距变大,四、回正力矩TZ,四、回正力矩TZ,轮胎发生侧偏时，会产生作用于轮胎绕OZ轴的力矩，该力矩称为回正力矩。,车轮运动时受到侧向力（侧向力很大）,FY,TZ,u,X,Y,+,-,+,-,-,0,FY,e,轮胎拖距反而变小,+,O,X,Y,Z,-,向外滚开的趋势,五、有外倾时轮胎的FY与外倾角、侧偏角的关系,k外倾刚
10、度。,+,-,-,1.外倾侧向力FY,一定时， 越大，FY越大。增加的FY是由作用的结果。,1）=0,2）0,3）有，FY=0，即a点,2.有外倾时FY与、的关系,5）外倾时产生的回正力矩,4）过大对汽车产生不良影响,影响轮胎与路面的良好接触,汽车轮胎,摩托车轮胎,本节将首先建立线性二自由度汽车模型，在此基础上，分析汽车的稳态响应特性、瞬态响应特性和频率响应特性。,第三节 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应,一、线性二自由度汽车模型运动微分方程,1.建模中假设,2）忽略悬架的作用；车身只作平行于地面的平面运动，绕 z 轴的位移、绕 y 轴的俯仰角和绕 x 轴的侧倾角均为零，且 ；,3）汽车
11、前进速度不变。,思考：车辆坐标系中，汽车共有多少个自由度？,在上述假设下，汽车被简化为只有侧向和横摆两个自由度的两轮汽车模型。,1）忽略转向系统的影响，直接以前轮转角作为输入；,假定汽车 ay0.4g，轮胎侧偏特性处于线性范围内；不计地面切向力FX、外倾侧向力 、回正力矩 TZ、垂直载荷的变化对轮胎侧偏刚度的影响。,x,y,2.两轮汽车模型及车辆坐标系,确定汽车质心（绝对）加速度在车辆坐标系的分量ax和ay。,3.运动学分析,沿Ox轴速度分量的变化为,上式除以t并取极限得,考虑到 很小并忽略二阶微量,同理可得,考虑到角较小,4.二自由度汽车动力学分析,图放大,4.二自由度汽车动力学分析,质心侧
12、偏角,由于,整理后得二自由度汽车运动微分方程式,代入运动微分方程式得,1.稳态响应,稳态时r为定值,消去v,二、前轮角阶跃输入下汽车的稳态响应等速圆周行驶,称为稳态横摆角速度增益，也称转向灵敏度。,K稳定性因数。, R 与 u 无关，汽车具有中性转向的特性。,1）中性转向,当 K=0 时，由,2.稳态响应的三种类型,L,R0,u,O,当汽车低速转向时，离心力很小，FY1和FY2也很小。,中性转向汽车的转向半径R等于汽车以极低车速转向（忽略侧偏角）时的转向半径R0。,由于 K0，所以RR0且 u R 汽车具有不足转向特性,横摆角速度增益为与轴距L相等的中性转向汽车横摆角速度增益的一半。, 称为特
13、征车速。当不足转向量增加时，K 增大，特征车速降低。,2）不足转向,当 K0 时，由,横摆角速度增益比中性转向时要小。,横摆角速度增益 比中性转向时要大。,由,R 0,由于 k10 , k20，不足转向,K=0，中性转向,K0， R/R01，汽车具有不足转向特点；,K0， R/R0 0时,这是二阶常系数非齐次微分方程,前轮角阶跃输入的数学表达式为,即稳态横摆角速度,对应的齐次方程为,其特解为,根据的数值，特征方程的根为,其通解可由如下特征方程求得,齐次方程的根为, 1，称为大阻尼，r（t）单调上升；r（t）趋于r0 ，但当u ，r趋于无穷大； =1，称为临界阻尼， r（t）单调上升趋于r 0；
14、 1，称为小阻尼， r（t）是一条收敛于r 0的减幅正弦曲线。,当 以后， ，汽车不稳定, 的第二项恒为正，当车速很低时，它是很大的值，均为正值，r（t）收敛，汽车稳定； 随着车速的增加， 第二项越来越小； 当汽车为过多转向，且 为负值时， 就可能为负值，r（t）发散，汽车不稳定。,的车速称为临界车速,四、横摆角速度频率响应特性,一个线性系统，当输入为一正弦函数，达到稳定状态时的输出也为具有相同频率的正弦函数，但两者的幅值不同，相位也要发生变化。 输出、输入的幅值比是频率 f 的函数，称为幅频特性。 相位差也是 f 的函数，称为相频特性。 两者统称为频率特性。,对上式进行傅里叶变换，得,频率响
15、应函数为,的傅里叶变换；,的傅里叶变换。,幅频特性为,相频特性为,1）频率为零时的幅值比，即稳态增益（图中以 a 表示）；,评价横摆角速度频率响应的五个参数,）共振峰频率 fr ，fr 值越高，操纵稳定性越好；,）共振时的增幅比 b/a，b/a 应小一点；,）f =0.1Hz 时的相位滞后角， 这个数值应该接近于零；,），f = 0.6Hz 时的相位滞后角，其数值应当小些。,第四节汽车操纵稳定性与悬架的关系,本节将学习弹性侧偏角、 侧倾转向角和变形转向角等基本概念，分析不同悬架及参数对汽车操纵稳定性的影响，了解改善汽车操纵稳定性的方法。,1）前、后轴左、右两侧车轮的垂直载荷要发生变化； 2）车
16、轮有外倾角，由于悬架导向杆系的运动及变形，外倾角将随之变化； 3）车轮上有切向反作用力； 4）车身侧倾时悬架变形，悬架导向杆系和转向杆系将产生相应运动及变形。,综上，汽车侧偏角还应该包括以下三个部分： 1）弹性侧偏角（FZ变化和的变化引起的侧偏角的变化）； 2）侧倾转向角（车厢侧倾而导致前后轮转角的变化）； 3）变形转向角（悬架导向杆系变形引起的车轮转角的变化）。,线性二自由度汽车模型对汽车进行了较多简化，汽车行驶过程中，还应考虑以下因素对轮胎侧偏角的影响。,侧倾轴线是侧倾中心的连线。,1）侧倾轴线：车厢相对于地面转动时的瞬时轴线； 2）侧倾中心：侧倾轴线通过前、后轴处横断面上的瞬时转动中心；
17、其位置由悬架导向机构决定，常用图解法确定。,一、车厢侧倾,1.车厢侧倾轴线,想一想：先确定侧倾轴线再确定侧倾中心，还是先确定侧倾中心再确定侧倾轴线？,1,2,3,4,O24,O13,假定车厢不动，地面和车轮相对车厢转动； 假定车轮与地面间无相对滑动； 对四连杆机构会用到三心定理。,确定侧倾中心时,四连杆机构中相对两杆的相对运动瞬心是相邻两杆延长线的交点。,Om,1）单横臂独立悬架车厢的侧倾中心,D,G,Ol,Or,Om,2）双横臂独立悬架的侧倾中心,双横臂独立悬架的等效单横臂悬架,定义：车厢侧倾时，单位车厢转角下，悬架系统给车厢总的弹性恢复力偶矩：,1）悬架的线刚度,定义：车轮保持在地面上而车
18、厢作垂直运动时，单位车厢位移下，悬架系统给车厢的总弹性恢复力：,2.悬架的侧倾角刚度,（1）非独立悬架,（2）独立悬架,恢复力,弹性元件,导向杆系约束反力,m,n,用虚位移原理确定悬架侧倾角刚度,m,n,ss,st,用虚位移原理确定悬架侧倾角刚度,m,n,2）悬架的侧倾角刚度,r大，水平晃动大，乘客不稳定，无安全感。,r小， 地面不平时有冲击感。,4.车厢侧倾角及侧倾力矩,操纵稳定性,平顺性,侧倾角改变了外倾角； 侧倾角改变了内外车轮的垂直载荷FZ，从而改变侧偏角。,在确定悬架总侧倾角刚度 时，要综合考虑对操纵稳定性和平顺性的影响。,r,1）悬挂质量的离心力引起的侧倾力矩Mr,2）侧倾后悬挂质
19、量重力引起的侧倾力矩Mr,3）独立悬架中非悬挂质量的离心力引起的侧倾力矩Mr,悬架总侧倾刚度等于 前、后悬架及横向稳定杆的侧倾角刚度之和。,二、侧倾时垂直载荷在左右轮上的重新分配及其对稳态响应的影响,1.侧倾时垂直载荷在左右轮上的重新分配,工字形车架代表车厢，悬挂质量为Ms。 工字形车架分别通过前、后悬架的侧倾中心m01和m02 与前后轴相铰接，同时又通过前后悬架的弹性元件分别与前、后轴相连接。,车身不侧倾时,车身侧倾后,2.左右轮垂直载荷再分配时轮胎的侧偏刚度,当车身侧倾严重时，是增大还是减小？,汽车趋于增加不足转向,汽车趋于减少不足转向,用以上结论分析，如何通过改变前后轴左、右侧车轮垂直载
20、荷的变化量来提高汽车的不足转向量？横向稳定杆用在前后悬架对汽车稳态响应特性所起到的作用是否相同？为什么？,思考,FY,不变,沿FY侧倾,FY,-,-,+,-,减小,增大,三、侧倾外倾侧倾时车轮外倾角的变化,侧倾时的变化有三种可能,沿FY相反方向侧倾,地面转过r确定车轮相对于车厢外倾角 。,地面回到水平位置确定车厢相对于地面产生侧倾角r时，轮胎外倾角 。,车轮外倾角的确定,车厢侧倾时不同形式悬架所引起的车轮外倾角的变化,非独立悬架车身侧倾时，前轮外倾角不变。,车厢侧倾时不同形式悬架所引起的车轮外倾角的变化,双横臂悬架前轮外倾角与地面侧向力方向相反，有增大侧偏角（绝对值）的作用。,车厢侧倾时不同形
21、式悬架所引起的车轮外倾角的变化,单纵臂悬架前轮外倾角与地面侧向力方向相反。,车厢侧倾时不同形式悬架所引起的车轮外倾角的变化,单横臂悬架前轮外倾角与地面侧向力方向相同（或相反）。, 侧倾外倾系数。,车厢侧倾所引起的车轮外倾角的变化可由下式计算,四、侧倾转向,车厢侧倾所引起的前转向轮绕主销的转动、后轮绕垂直于地面轴线的转动，即车轮转角的变动，称为侧倾转向。, 侧倾转向系数。,车轮的侧倾转向角与车厢侧倾角的关系可以用下式表示,后悬架的侧倾转向对稳态转向特性的影响,五、变形转向悬架导向装置变形引起的车轮转向角,悬架导向杆系各元件在各种力、力矩作用下发生的变形，引起车轮绕主销或垂直于地面轴线的转动，称为
22、变形转向，其转角叫做变形转向角。 变形转向可以使汽车具有恰当的不足转向。, 变形转向角；, 侧向力变形转向系数。,估算侧向力变形转向角,回正力矩变形转向角a,在回正力矩作用下，悬架和车轮有扭转变形，前、后轴车轮均发生回正力矩变形转向角a。, 回正力矩变形转向系数；, 回正力矩系数。,回正力矩变形转向角a,回正力矩引起的变形转向角,前轴趋于增加不足转向；后轴趋于减少不足转向。,六、变形外倾悬架导向装置变形引起的外倾角的变化,受到侧向力作用的独立悬架杆系的变形会引起车轮外倾角的变化。,习题,汽车的稳态转向特性有哪三种类型？各具有什么特点？对汽车稳态转向特性的要求如何？为保证该转向特性可采取哪些措施
23、？并说明其道理。2.某轿车总重182kg，汽车前轴轴载质量为汽车总质量的53%，轴距3.1m，一个前轮侧偏刚度为31310N/rad，一个后轮侧偏刚度为55095N/rad，该车以36km/h的车速进行稳态圆周行驶时，其转向半径20m，请求：1）前轮侧偏角（绝对值）与后轮侧偏角（绝对值）之差为多少？2）该车的稳态转向特性为何种类型？3）该车的特征车速和临界车速为多少？4）该车静态储备系数为多少？,习题,汽车的稳态转向特性有哪三种类型？各具有什么特点？对汽车稳态转向特性 的要求如何？为保证该转向特性可采取哪些措施？并说明其道理。2.某轿车总重182kg，汽车前轴轴载质量为汽车总质量的53%，轴距3.1m，一个前轮侧偏刚度为31310N/rad，一个后轮侧偏刚度为55095N/rad，该车以36km/h的车速进行稳态圆周行驶时，其转向半径20m，请求：1）前轮侧偏角（绝对值）与后轮侧偏角（绝对值）之差为多少？二自由度轿车模型有关参数如下：总质量m=1818.2kg，绕OZ轴转动惯量IZ=3885kg,
