汽车操操纵稳定性

5.1汽车操纵稳定性研究的主要内容5.2汽车极限行驶稳定性5.3轮胎的侧偏特性5.4汽车的转向特性5.5汽车转向轮的振动5.6转向轮的稳定效应目录5.1汽车操纵稳定性研究的主要内容操纵性：汽车能够确切地响应驾驶员转向指令的能力。稳定性：汽车行驶中具有抵抗改变行驶方向的各种干扰并保持稳定行驶的能力。1、极限行驶稳定性横向倾翻的最大坡度；横向倾翻的最大车速；纵向行驶稳定性。2、直线行驶性能抗侧风和路面不平度的稳定性。3、转向轻便性原地转向轻便性(静态)行驶转向轻便性(动态)4、转向灵敏性时域响应：稳态响应、瞬态响应；频域响应：振幅比(增益)、相位比。5.2汽车极限行驶稳定性1.横向倾翻的最大坡度2.横向倾翻的最大车速3.纵向行驶稳定性汽车在坡道尤其是横坡上丧失稳定性的表现为汽车的翻倾和滑移：静态受力分析如右图示：当α角增大到重力G通过A点时的α角称为横向倾翻的极限坡度，此时得gghBhBtg22/max实际上，大多数汽车在未达到αmax时就开始滑动，主要是由于驱动轮与地面的附着力Fφ不够造成的。1.横向倾翻的最大坡度hgFzlFzrθGsinθGcosθG下面进一步分析汽车侧滑在翻倾之前的条件：设在坡道上转向，则产生一离心力Fc，在离心力的作用下可能向左翻倾，则向左的力矩必须大于向右的力矩：22maxmaxcossin2cossin.2(2)22,,,.cgcgcgggBBFhFBGGhmvGvFgRRgRBhtgvhBtghtgv＝式中离心力代入上式整理得：若分母为零则任意车速不翻倾a.发生翻倾条件：hgFzlFzrGAFxlFxtθωFcA′b.发生侧滑条件：2maxmax1cossin(sincos):()1,,cccFFGFGGvFgRgRtgvtgtgv将代入式整理当则任意车速不侧滑。c、侧滑在翻倾之前的条件为了保证安全，应使侧滑在翻倾之前，则必须vφmaxvαmax，即先产生侧滑的条件：(2)()21B:,2ggggRBhtggRtghBtgtgh整理即为横向侧滑发生在侧翻之前的条件。故考虑不产生侧滑的最大坡度为：tgαmax=φ如：附着系数为φ=0.3的滑溜路面,不产生侧滑的最大坡度为:αmax=16.7°。2.横向倾翻的最大车速hgFzlFzrGAFxlFxtθωFc图5－1汽车在横坡上转向时的受力简图A′在离心力Fc的作用下，汽车可能以A’为支点向外侧翻，当Fzr=0时，汽车将失去横向稳定性而开始侧翻。汽车绕A’侧翻的条件为：Fc·hg≥G·B/222maxmax::2,,2:cggmvGvFRgRgRBvhBhvgR，根据离心力公式故不发生向外侧翻所允许的极限车速为若附着系数只会产生侧滑不会侧翻。故汽车在弯道上行驶时产生侧滑最大车速为当φB/2hg，说明产生不了侧滑，只得发生倾翻，小轿车的重心低，一般能满足φB/2hg。对于轻抛货物的卡车，容易出现φB/2hg，在弯通高速行驶容易侧翻。若弯道的外侧比内侧高，由于重力的横向分力与转弯中离心力的横向分力相反，可以避免侧翻，可以略提高行驶速度。所以公路在弯道处，路面都是外侧高于内侧。3.纵向行驶稳定性汽车的纵向行驶稳定性决定于重心高度和重心至前轴（或后轴）的距离。tgαmax=a/hgtgαmax=b/hg分析从略，与横向分析方法相同。汽车坐标系及汽车的主要运动形式：前进速度v：质心速度沿X轴的分量；侧倾角速度ωp(rollvelocity)：质心绕X轴旋转角速度。zyx侧倾角速度ωp俯仰角速度ωq横摆角速度ωr垂直速度w图5－2车辆坐标系与汽车的主要运动形式侧向速度v：质心速度沿Y轴的分量；俯仰角速度ωq(pitchvelocity)：质心绕Y轴旋转角速度；垂直速度v：质心速度沿Z轴的分量；横摆角速度ωr(yawvelocity)：质心绕Z轴旋转角速度。zyx侧倾角速度ωp俯仰角速度ωq横摆角速度ωr垂直速度w图5－2车辆坐标系与汽车的主要运动形式5.3轮胎的侧偏特性侧偏特性主要是指侧偏力、回正力矩与侧偏角之间的关系。1）轮胎坐标系(tyreaxissystem)当车轮中心沿Y轴方作用有侧向力FY，地面将产生地面侧向反作用力FY。由于轮胎具有弹性，即使FY没有达到附着极限，车轮行驶方向亦将偏离X轴线方向。这时轮胎出现侧偏特性。由于轮胎侧向变形，轮上的b点将不与支承面上的b1接触，而与b1′接触，c点与c1′接触，如此类推。轮胎在支承面上的运动轨迹af′相对于车轮平面偏离某一角度α。ab1′bcdefd1′c1′e1′f1′bcdefab1c1d1e1f1b1c1d1e1f1ααFYFYW轮胎侧偏角(side-slip-angle)：轮胎接地中心的引进方向与车轮中心平面方向间的夹角。侧向力与产生的侧偏角α的关系曲线，称为车轮的侧偏特性。当α不超过4°~5°时，Fy与α成线性关系Fy∝α，即：Fy=kαFy－α曲线在α=0°处的斜率称为侧偏刚度k(corneringstiffness)，其单位为N/rad(或N/(º)）其值为负值，因负的侧偏力产生正的侧偏角。因此，侧偏刚度为负值，即Fy=-FY，Fk=-kα。2）轮胎的侧偏现象、侧偏特性曲线图5－3轮胎的坐标系与地面作用于轮胎的力和力矩xzyα正外倾角γ正回正力矩Tz车轮行驶方向车轮旋转轴线正地面侧向反作用力FY正地面法向反作用力FZ正地面切向反作用力FX正翻转力矩TX正TY正侧偏角O垂直载荷对k的影响：G↑，Fφ↑，侧滑倾向↓，k↑轮胎结构对k的影响：轮胎宽度↑，k↑；轮胎气压↑，k↑；子午胎：k↑。必须注意：轮胎的侧偏现象的产生是由于轮胎的侧向弹性变形，与轮胎在道路上的侧滑有本质的区别。轮胎的侧偏现象不仅影响车轮的运动轨迹，而且加剧轮胎的磨损；轮胎的侧向变形使滚动阻力增加。3）回正力矩(aligningtorque)由路面作用在轮胎上的力矩矢量，使轮胎绕Z轴旋转的分量，称为回正力矩。ccccccccaaaaaaaavvveFY345附着极限接地印记内地面侧向反作用力的分布与回正力矩的产生图5－45.4汽车的转向特性(steeringcharacteristics)设汽车以中速或高速转向时，在汽车质心上产生一个离心力。为了平衡离心力，路面对轮胎产生相应的侧向反作用力，即侧偏力(corneringforce)。轮胎在侧偏力的作用下将产生侧偏，形成相应的侧偏角。假设：忽略地面切向反力对侧偏特性影响，忽略空气阻力的影响，忽略左右轮受载荷变化的影响，于是汽车简化为由前、后两个轮胎支承，具有侧向和横摆两个自由度汽车模型。OBACRLv2v1α2α1δ0δ0-α1α2ωr图5－5汽车稳态转向运动简图EFycFy1Fy2vc参数说明：设前轮转角δ，转弯半径r，FY1，FY2：前、后轮的侧偏力。v1，vc，v2：A，B，C三点的速度。Fc：质心的离心力FcY：Fc在Y方向上的分力12()tgAEBEtgOEOE两式相加，且AE+BE=L，则tg(δ-α1)+tgα2=L/R。因α2、δ、α1较小，则δ-α1+α2≈L/R，故δ=L/R+α1-α21、计算转向角δ由几何关系：设汽车在水平道路上作等速圆周运动，则作用在汽车上的侧向力为离心力的侧向分力。2、计算α1，α22211122212,coscyYYcycyYYYYFbFaFFLLFFGvbGvaFFgRLgRLmvGvFRgR，当不大时故，22121222121212,YYYGvFgRGvFgRGGvvFkkgRkgR则，又，故汽车看成一个系统，前轮转角δ视为输入，汽车稳态横摆角速度ωr视为输出，ωr=v/R汽车稳态横摆角速度ωr与前轮转角δ之比称为汽车的稳态横摆角速度增益(teadystateyawvelocitygain)。3、计算转向灵敏度22212121212121212///11()1()()rsvRvLvLLGGvKvRkkgLGGKkkgLmgbmgaGGLLmbaKkkL式中故2212221s/m:(),,mabKkkkkL有时也写此时均为负值。rsrs表示在单位前轮转角下的输入下汽车产生的横摆角速度，即绕转向中心旋转角速度的响应值，因此稳态横摆速度增益也称转向灵敏度。4、稳态转向特性0,()rLLKvRLR当相当于转向时纯滚动(1)稳定性因数K：22121212:)()///)11()rrvRvLvLLGGvKvRkkgL评价参数横摆角速度增益转向灵敏度轴距L＝3m中性转向K＝0过多转向K＝0.0019s2/m2不足转向K＝－0.0006s2/m20501001501020vchvcr)rva/(km·h-1)22222()/()01:1(1)/01(1)1-0rnertralsteervLKvKvdvLLdvKvKvKv令此时的转向特性为中性转向，其横摆角速度增益，线性关系通过原点。当，其增益分母大于，比中性转向时的增益要小，将增益对求导并令一阶导数为零。即，则。中性转向K＝0过多转向K＝0.0019s2/m2不足转向K＝－0.0006s2/m20501001501020vchvcr)rva/(km·h-1)轴距L＝3m1()~()rchvcharacteristicspeedvkundersteer称为特征车速，其是一条低于中性转向增益的曲线，此时转向特性为不足转向。0,1~,rKv当其增益分母小于，比中性转向时的增益要大，其曲线是随速度的增加向上弯曲的曲线当达到某一特定车速使增益的分母趋近于零。中性转向K＝0过多转向K＝0.0019s2/m2不足转向K＝－0.0006s2/m20501001501020vchvcr)rva/(km·h-1)轴距L＝3m210,1-,()()crcrKvvvcriticalspeedKoversteer即其增益为无穷大,则：称为临界车速，此时转向特性为过多转向。K0不足转向K=0中性转向K0过多转向22212122121212112:K()()1()()1()1()yycccyyyyyyammababLKKaLkkFFaFbabaLkkaLLkLkFFaLkkaL由稳定性因数式可知(2)前后轮侧偏角绝对值之差（α1－α2）a.（α1－α2）与K的关系α1-α20，则K0为不足转向；α1-α2=0，则K=0为中性转向；α1-α20，则K0为过多转向；不足转向过多转向中性转向K0K=0K00α1-α2ay图5－6表示汽车稳态响应的（α1-α2）—ay曲线1212/:()LRLR由转角得I：O点：钢性轮，前、后轮的交点，保证前后轮纯滚动，则R0=L/δ。b.（α1－α2）与R的关系：由以上分析可知，α1-α2也可作为表征汽车稳定响应的评价指标。III：若α1α2，α1-α20，则R’’Ro，转向半径减小，说明转向效果加强，成为过多转向。II：若是弹性轮胎，转向时，由于离心力的作用，使车轮产生侧偏角，若：α1α2，α1-α20，则R’Ro，转向半径变大，说明转向效果受到抑制，成为不足转向。2222(1)(1)(1)1orrrooLvRRvvKvLRKvLRKvRRKvR又有：K=0R/Ro=1K0R/Ro1说明不足转向汽车的转向半径总是大于Ro。K0R/Ro1说明过多转向汽车的转向半径总是小于Ro。(3)转向半径的比值R/R0(ratioofturningradil)(4)静态储备系数S·M(staticmargin)a.中性转向点(neutralsteerpoint)：使汽车前、后轮产生同一侧