操纵动力学与控制系统

重庆汽车学院CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY通常认为汽车的操纵稳定性包含互相联系的两个部分，一是操纵性，一是稳定性。操纵性是指汽车能够确切地响应驾驶员转向指令的能力。稳定性是指汽车受到外界扰动(路面扰动或突然阵风扰动)后恢复原来运动状态的能力。两者很难断然分开，稳定性好坏直接影响操纵性的好坏，因此通常只统称为操纵稳定性。CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院基本假设：1、忽略转向系统的影响,直接以前轮转角作为输入2、忽略悬架的作用3、汽车沿x轴的前进速度u视为不变。4、汽车的侧向加速度限定在Ｏ.４ｇ以下，轮胎侧偏特性处于线性范围。5、没有空气动力的作用。6、忽略左右车轮轮胎由于载荷的变化而引起轮胎特性的变化以及轮胎回正力矩的作用。7、车辆坐标系的原点与汽车质心重合。3.1数学模型CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.1数学模型2模型CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院ux=ay=ruvCHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.1数学模型CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.1数学模型汽车前、后轴中点的速度为ｕ1、ｕ2，侧偏角为1、2，质心的侧偏角为，=v/u。是ｕ1与ｘ轴的夹角，其值为：CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.1数学模型汽车前、后轮侧偏角为：CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.1数学模型2．模型rzrrrIakkbkaubkakuvmkbkakukk1221221212111CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院二、稳态响应汽车等速行驶时，在前轮角阶跃输入下进入的稳态响应就是等速圆周行驶。常用输出与输入的比值，如稳态时的横摆角速度与前轮转角之比来评价稳态响应。这个比值称为稳态横摆角速度增益，也称为转向灵敏度，以符号)s表示。rr为定值，则v0´=0;r´=0所以：CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.2稳态响应1．稳态响应（等速圆周行驶）稳态时：，则线、角加速度均为零。解方程可得稳态横摆角速度增益，即转向灵敏度：其中—稳定性因数（s2m-2）constr2212211KuLuukbkaLmLusrKCHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.2稳态响应2．稳态响应的三种类型K=0—中性转向：K0—不足转向：，特征车速K0—过多转向：，临界车速LusrLusrLusrKuch1Kucr1CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院RL3.2稳态响应１．中性转向（K=0)(Neutralsteer)Ru,RLLu)rsr稳定的圆周运动相当于车轮为刚性时的Ru,RLLu)rsrCHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.2稳态响应2．稳态响应的三种类型CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.2稳态响应根据日本汽车研究所发表的试验数据，近年来轿车的稳定性因数Ｋ值约为０．００２～０．００３５ｓ2／ｍ2（在侧向加速度为０．３ｇ时）。德国几个大学的汽车研究所通过对近代小轿车进行试验后统计得出：轿车的稳态横摆角速度增益，即转向灵敏度为0.16~0.33s-1。sw为方向盘转角，其单位为（°）；。r为汽车横摆角速度，其单位为（°)s-1。相应的试验工况为：ｕ=22.35m/s,ay=0.4g。CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.2稳态响应3．表征稳态响应的参数（1）21，过多，中性不足0(0(,0(yyydaddaddadCHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.2稳态响应3．表征稳态响应的参数（2）转向半径的比值当时，0LR00222111RKuLKuKuLuuuRr0RRCHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.2稳态响应3．表征稳态响应的参数（2）转向半径的比值CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.2稳态响应（３）静态储备系数Ｓ.Ｍ．1、使汽车前、后轮产生同一侧偏角的侧向力作用点Cn称为中性转向点。C是重心。2、静态储备系数Ｓ.Ｍ．就是中性转向点至前轴距离ａ和汽车质心C至前轴距离ａ之差（ａ-ａ）与轴距Ｌ之比值现FY2FY1CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.2稳态响应（３）静态储备系数Ｓ.Ｍ．Ｓ.Ｍ．01-20不足转向Ｓ.Ｍ．=01-2=0中性转向Ｓ.Ｍ．01-20过多转向S.M.一般为0.05~0.07现FY2FY1CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.3瞬态响应（一）前轮角阶跃输入下的横摆角速度瞬态响应将二自由度汽车运动微分方程式（５－９）重写如下1）2）CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.3瞬态响应由第二式得CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.3瞬态响应上式写成以r为变量的形式如下式中：•CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.3瞬态响应单自由度一般强迫振动微分方程式，通常写作式中：•CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院三、前轮角阶跃输人下的瞬态响应汽车前轮角阶跃输人时，前轮转角的数学表达式为故当ｔ＞０后，上式进一步简化为CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.3瞬态响应这是二阶常系数非齐次微分方程，其通解等于它的一个特解与对应的齐次微分方程的和显然其特解为对应的齐次方程式为CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.3瞬态响应齐次方程的通解为令则或•显然1时横摆角速度为CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.3瞬态响应下面确定积分常数Ｃ、Ａ1、Ａ2CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.3瞬态响应下面确定积分常数ＣCHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院三、前轮角阶跃输人下的瞬态响应下面确定积分常数ФCHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.3瞬态响应因此CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.3瞬态响应CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.3瞬态响应CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.3瞬态响应CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.3瞬态响应用瞬态响应中的几个参数来表征响应品质的好坏，这些参数是：1、横摆角速度r波动时的固有（圆）频率0。CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.3瞬态响应用瞬态响应中的几个参数来表征响应品质的好坏，这些参数是：1、横摆角速度r波动时的固有（圆）频率0。CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.3瞬态响应用瞬态响应中的几个参数来表征响应品质的好坏，这些参数是：1、横摆角速度r波动时的固有（圆）频率0。CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.3瞬态响应用瞬态响应中的几个参数来表征响应品质的好坏，这些参数是：1、横摆角速度r波动时的固有（圆）频率0。CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.3瞬态响应用瞬态响应中的几个参数来表征响应品质的好坏，这些参数是：2、阻尼比。CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.3瞬态响应用瞬态响应中的几个参数来表征响应品质的好坏，这些参数是：2、阻尼比。(推荐0.5-0.8)CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.3瞬态响应３．反应时间。(横摆角速度第一次达到稳定值的时间。应小一些）CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.3瞬态响应CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.3瞬态响应４．达到第一峰值的时间,又称为峰值反应时间。CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院汽车因数Ｔ.Ｂ:峰值反应时间与质心侧偏角的乘积。德国几个大学的汽车研究所通过方向盘角阶跃试验得出如下统计数值：近代轿车的。＝0.23~0.59s汽车因数Ｔ.Ｂ．=0.25~1.45s(°)，相应的试验工况为ｕ=31.3ｍ／ｓ（70mile/h），ay=0.4g。Ｂｅｎｚ中型货车装备不同轮胎时，在ｕ=20m/s、ay=0.3g的试验条件下，=0.94~1.72s,。T.B．=2.06~4.76s(°)，质心侧偏角=2.05°~3.03°3.3瞬态响应CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.3瞬态响应瞬态响应的稳定条件：（1）时，只要就收敛。（2）时，应为正值，即。过多转向汽车，的车速为临界车速。，不稳定。，与稳态响应的临界车速是一样的。10120020020cru020cruuKucr1=1,0为正值，收敛。CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.4横摆角速度频率响应特性由其运动微分方程两边富氏变换求得012002BBrrr)()()()(2)(012002BjBjrrrCHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.4横摆角速度频率响应特性jCBjBBBBjjjBjBjBjBjHrr)()(4)(2)(4)()(22)(2)(2)()(2)()()(2202222000220122022220220020102200220022001200201CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.4横摆角速度频率响应特性一个线性系统，如输入为一正弦函数，达到稳定状态时的输出亦必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，记为A（ｆ），称为辐频特性。相位差也是f的函数，记为（ｆ），称为相频特性。两者统称为频率特性。CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.4横摆角速度频率响应特性SantanaXi5轿车的频率响应特性货车与高速客车的频率响应特性CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院3.4横摆