汽车转向系统动力学课件

第四章汽车转向系统动力学机械与交通学院王丽萍20120511500724-1概述“贼”反应迟钝汽车的操纵稳定性问题:“飘”失去控制丧失路感汽车转向系统动力学:是研究驾驶员给系统以转向指令后汽车在曲线行驶中的运动学和动力学特性转向盘输入有两种形式：给转向盘作用一个角位移—角位移输入（角输入）给转向盘作用一个力矩—力矩输入（力输入）4-1概述时域响应:汽车在转向盘输入或外界侧向干扰输入下的侧向运动响应。频域响应:车辆在转向角为正弦输入下的响应。时域响应频域响应表征汽车的操纵稳定性时域响应不随时间变化的稳态响应随时间变化的瞬态响应4-1概述汽车路面不平侧风的手脚驾驶员驾驶员路面条件交通状况气候驾驶员---汽车系统驾驶员---汽车系统54-2汽车转向系统数学模型数学模型车辆坐标系与汽车的运动形式64-2汽车转向系统数学模型假设条件汽车无垂直方向运动，也无绕y轴和x轴的俯仰和侧倾运动；汽车作等速运动，不考虑切向力和空气动力的作用；忽略转向系统影响，直接以前轮转角作为输入；不考虑左右车轮由于载荷变化引起轮胎特性变化和回正力矩的作用。L2L1L21ruxy22YF1YFxxyyuuuVV二自由度汽车模型o′u2VCVCxyuu＋＋＋和其中和uuuuuuuuuuuuuu]cos)(sin)[()sin1cos(]sin)(cos)[(00uuuY向力平衡对质心取矩4-2汽车转向系统数学模型4-2汽车转向系统数学模型4-2汽车转向系统数学模型力输入角位移输入转向力轮胎汽车稳态响应瞬态响应134-3稳态响应（稳态转向特性）稳态响应：前轮角阶跃输入下进入的汽车稳态响应---等速圆周运动评价指标：稳态横摆角速度增益（转向灵敏度）)(12212kLkLLmK154-3稳态响应（稳态转向特性）稳态响应的三种类型：过度转向Over-Steering不足转向Under-Steering中性转向Neutral-Steeringk﹤0K=0k﹥0Luur轮胎无侧偏时的转向特性ruLu21/KuLuchurLu21/KuLucru汽车的稳态横摆角速度增益曲线4-3稳态响应（稳态转向特性）不足转向0K中性转向＝0K过度转向0K214-3稳态响应（稳态转向特性）)(12212kLkLLmKLKay2114-3稳态响应（稳态转向特性）试验测得的（α1-α2）与ay的关系4-3稳态响应（稳态转向特性）转向半径R:从瞬时回转中心O至汽车纵轴线AB之间的距离4-3稳态响应（稳态转向特性）1、无侧向偏离LRLR00tan4-3稳态响应（稳态转向特性）2、有侧向偏离)(tan)tan(2121LRLRR=u/ωr=(1+Ku2)L/δ=(1+Ku2)R04-3稳态响应（稳态转向特性）稳态转向特性分析)(21LR，过多转向性能则）如（，不足转向性能则）如（，中性转向性能，则如OOORRRRRR,3,2)1(21212120Ku1RR4-3稳态响应（稳态转向特性）静态储备系数SMcnca′-abab′a′L汽车的中性转向点FY2FY1214-3稳态响应（稳态转向特性）当中性转向作用点与质心重合时,a=a′SM=0中性转向特性当质心在中性转向作用点之前时，a〈a′SM〉0不足转向特性当质心在中性转向作用点之后时，a〉a′SM〈0过多转向特性212'..kaaaSMLkkL4-4瞬态响应瞬态响应：等速直线行驶和等速圆周行驶两个稳态运动之间的过渡过程所对应的瞬间运动响应。4-4瞬态响应瞬态响应的品质参数固有频率ω02212122101)(KumIkkuLmuIukkLbkakmuzz阻尼比ζ)1(2221212212KukkmILkkIkbkamzz反应时间τ202021/1Lkmuaarctg过摆量过摆量%100)11()1(22e314-4瞬态响应评价指标固有频率ω02212122101)(KumIkkuLmuIukkLbkakmuzz上式表明，ω0随以下因素而变：轮胎侧偏刚度↑ω0↑汽车质量↑ω0↓转动惯量↑ω0↓汽车车速↑ω0↓4-4瞬态响应一些欧洲与日本轿车的ω0值与K值334-4瞬态响应阻尼比ζ)1(2221212212KukkmILkkIkbkamzz上式表明，ζ随以下因素而变：轮胎侧偏刚度↑ζ↑汽车质量↓ζ↑转动惯量↓ζ↑轴距↓ζ↑汽车车速↓ζ↑4-4瞬态响应不同阻尼比时汽车的横摆角速度瞬态响应曲线354-4瞬态响应反应时间τ：角输入后横摆角速度第一次到达稳态值所需的时间202021/1Lkmuaarctg上式表明，τ随以下因素而变：轮胎侧偏刚度↑τ↓汽车质量↑τ↓转动惯量↑τ↑轴距↑τ↓汽车车速↑τ↓4-4瞬态响应过摆量（超调量）：横摆角速度第一个最大值与稳态值的百分比，它表明瞬态响应中振荡时可能出现的最大偏差，这一值小些好。过摆量可见，过摆量大小与阻尼比ζ关系密切，增大ζ可使过摆量减少。%100)11()1(22e4-4瞬态响应转向盘角阶跃输入下的瞬态响应曲线4-5横摆角速度频率响应特性横摆角速度频率响应特性：以前轮转角δ为输入、汽车横摆角速度ωr为输出频率响应函数222221000100022222222222200002244rrHjBBBBjBcj4-5横摆角速度频率响应特性幅频特性:输入与输出的幅值比是频率的函数相频特性：输入与输出的相位差是频率的函数22cBABCarctg4-5横摆角速度频率响应特性1、f=0时的幅值比--稳态增益2、共振峰值所对应的频率fr和其之前，幅频特性接近水平线，fr高这一段水平区就长一些，响应特性就好。3、幅值比小---平坦，响应特性好4、f=0.1Hz时的相位滞后角--缓慢转向时响应的快慢---应接近于零5、f=0.5Hz时的相位滞后角---快速转向时响应的快慢---应小些4-6侧风作用时的转向特性在侧风作用下直线行驶的汽车受到由行驶速度v产生的行驶风和侧风W的合成作用，通过几何叠加，得到合成的风速vr,这里主要研究侧风与行驶风垂直时的工况。如下图，τ表示合成风与汽车纵轴夹角----流入角424-6侧风作用时的转向特性侧风力：侧风产生的气动阻力，用Fyw表示，横摆风力矩:侧风力作用在风压中心上，由于风压中心不在质心上，所以侧风力作用点与质心相隔距离e，这便引起了横摆风力矩Mzw22)(ryywvACFeFvLACMywrMzw22)(即：即：434-6侧风作用时的转向特性侧风力系数横摆风力矩系数yyCCMMCC2ACKy常数概括为系数侧向风力系数Cy和侧风力矩系数Cm与流入角τ之间的关系444-6侧风作用时的转向特性侧风力：横摆风力矩Mzw=Fywe2rywvKF2rveKMyMCLCe即：454-6侧风作用时的转向特性如计侧风及横摆风力矩，则整车的运动微分方程直线行驶时:ωr=0,,β=0(k1+k2)β-k1δ+kwτvr2=0(L1k1-L2k2)β-L1k1δ+kweτvr2=0464-6侧风作用时的转向特性受侧风时驾驶员为保持直线行驶所需调整的转向角δ=0所需的风压中心距4-7全轮转向特性全轮转向特性：是在转向时除前轮转向外，再附加后轮转向，这种附加后轮转向角是有限的，与前轮转向角有一定的比例关系----改善整车的转向特性和响应特性。Mazda-全轮转向：总系统示意图4-7全轮转向特性转向角比KL：后轮转向角与前轮转向角之比,即KL=δh/δv前轮转向，后轮不转向时KL=0前轮转向，后轮同向转向KL〉0前轮转向，后轮反向转向KL〈0494-7全轮转向特性对转弯半径的影响LRctgvvvvLLRsincos纯前轮转向时附加后轮转向后)1()]1(sin[cos*LvLvvKLKLR可见，反向转向时KL为负，R*〈R，转弯变得容易，机动性好，同向转向时，KL为正，R*〉R，转弯困难，具有不足转向性。4-7全轮转向特性阶跃转向时的汽车上的作用力、前轮转向与全轮转向对比4-7全轮转向特性)1()1(maxmaxLhLLLhgKLKKKLR极限转弯半径：后轮最大转角一般受到限制，即有一最大值δhmax《40，极限转弯半径Rg如下:)1()]1(sin[cos*LvLvvKLKLRKL=δh/δv524-7全轮转向特性全轮转向特性534-7全轮转向特性全轮转向特性频率特性