汽车操纵稳定性

汽车操纵稳定性汽车的主要性能之一第五章汽车操纵稳定性第一节概述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。1、“飘”—汽车自己改变方向。升力或转向系、轮胎、悬架等问题。2、“反应迟钝”—转向反映慢。传动比太大。3、“晃”—左右摇摆，行驶方向难于稳定。4、“丧失路感”—操纵稳定性不好的汽车在高速或急剧转向时会丧失路感，导致驾驶员判断的困难。5、“失控”—某些工况下汽车不能控制方向。制动时无法转向,甩尾，侧滑，侧翻。操纵稳定性不好的具体表现第一节概述赛车负升力翼第一节概述制动跑偏第一节概述ABS系统对比试验第一节概述第一节概述车辆稳定性控制系统（VSC）作用第一节概述四轮转向系统4WS作用第一节概述成都南充汽车操稳性引起的事故4.29交通事故轨迹图第一节概述汽车在绕桩（转向）时车身总有一定的倾斜第一节概述有些轿车的车身侧倾比较严重第一节概述设计的理念是驾驶舱永不倾斜第一节概述第一节概述错误地在前、后轴混装子午线轮胎和斜交轮胎。具有过多转向特性的汽车，在转向时达到一定车速(称为“临界车速”)时，将会出乎意外地向转向内侧激转，造成事故。该车转向系统相关零部件间累计间隙过大，方向盘自由行程严重超差，而又未及时维修(或维修质量不佳)，未排除故障，带病运行，导致该车行驶中前束值或大或小不断变化，使汽车行驶处于极不稳定状态，这也加剧了过多转向的趋势。该车左后轮制动器因左后半轴油封损坏，齿轮油漏入左后轮制动器而导致该轮制动器工作失效。不均衡制动力造成的回转力矩。第一节概述车辆坐标系和汽车主要运动形式第一节概述汽车操纵稳定性评价方法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。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内容第一节概述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第一节概述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。第一节概述车型最小转向半径/m（左/右）AudiA45.6/5.6（轴距2650mm）宝马520i5.65/5.65（轴距2830mm）雷克萨斯LS4305.4/5.3（轴距2925mm）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第一节概述评价转动转向盘轻便程度的特性。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第一节概述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第一节概述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.典型行驶工况性能操纵稳定性包含的内容第一节概述不足转向；中性转向不变；过多转向。auRauRauR第一节概述稳态响应特性有三种类型稳态响应特性第一节概述汽车瞬态响应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。1）时间上的滞后瞬态响应的评价指标2）执行上的误差（ωr1/ωr0）×100％称为超调量3）横摆角速度的波动波动的ω＝2π/T,取决于汽车的结构参数4）进入稳态所经历的时间σ第一节概述将汽车作为开路控制系统人—汽车系统作为闭路系统操纵稳定性的研究方法第一节概述第一节概述汽车试验的两种评价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因轮胎侧向弹性，车轮受侧向力的作用使轮心速度方向偏离车轮平面的现象。侧向力因转向、路面倾斜、风力等引起。转向引起的侧向力总是指向汽车内侧。侧偏角总是位于和侧偏力指向相反的一侧。轮胎的侧偏现象第二节轮胎的侧偏特性第二节轮胎的侧偏特性αOXY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γZ外倾角γ过轮胎坐标系原点的垂线与车轮平面的夹角轮胎的坐标系在侧偏角5时，侧偏力和侧偏角成线性关系。这时，式中，k称为侧偏刚度（N/rad）。为曲线在=0处的斜率。按轮胎坐标系，侧偏力和侧偏角总是反号，故侧偏刚度总是负值。轮胎的侧偏特性第二节轮胎的侧偏特性kFy地面作用于车轮的侧向反作用力。轮胎的侧偏现象和侧偏力—侧偏角曲线1.侧偏力FY第二节轮胎的侧偏特性FY俯视图车轮静止yF第二节轮胎的侧偏特性2）在弹性轮上作用侧向力yF第二节轮胎的侧偏特性lyZFFuccucclyZFFu'u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yFyFFY车轮滚动yF2）在弹性轮上作用侧向力yF第二节轮胎的侧偏特性2）在弹性轮上作用侧向力yFα0XYFY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。α侧偏角α轮胎接地印迹中心的位移方向与X轴的夹角。u第二节轮胎的侧偏特性kFYFY一定时希望侧偏角越小越好，所以|k|越大越好。3.FY－α曲线第二节轮胎的侧偏特性k—侧偏刚度。大尺寸轮胎子午线轮胎斜交轮胎钢丝子午线轮纤维子午线轮胎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第二节轮胎的侧偏特性胎第二节轮胎的侧偏特性扁平率小，k大HB扁平率=(H/B)×100%轮胎结构与侧偏特性的关系第二节轮胎的侧偏特性第二节轮胎的侧偏特性轮胎气压高，k大第二节轮胎的侧偏特性轮胎气压的影响垂直载荷大，k大第二节轮胎的侧偏特性垂直载荷的影响α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。k第二节轮胎的侧偏特性FX1FY1FX2FY2FX越大，FY越小纵向力与侧偏特性的关系第二节轮胎的侧偏特性第二节轮胎的侧偏特性路面干湿状况对侧偏特性的影响路面有薄水层时，由于滑水现象，会出现完全丧失侧偏力的情况。轮胎胎面、路面粗糙程度、水层厚度与滑水现象的关系第二节轮胎的侧偏特性第二节轮胎的侧偏特性第二节轮胎的侧偏特性回正力矩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）FYeFYe—轮胎拖距。eFY轮胎拖距变大第二节轮胎的侧偏特性第二节轮胎的侧偏特性轮胎的回正力矩与侧偏特性有外倾角时的轮胎滚动第二节轮胎的侧偏特性γYFyF+OXYZ-向外滚开的趋势第二节轮胎的侧偏特性轮胎外倾角及产生的原因*车桥因载荷变形*汽车转向时的离心力*路面倾斜*前轮定位参数的需要γγkFYkγ－外倾刚度。+--外倾侧向力FYγ第二节轮胎的侧偏特性α一定时，γ越大，FY越大。增加的FY是由γ作用的结果。第二节轮胎的侧偏特性1）α=0γγkFFYY2）α≠0γαYYYFFFγkk0γkk3）有γ，FY=0，即a点kkγ有外倾时FY与γ、α的关系第二节轮胎的侧偏特性外倾时产生的回正力矩γ过大对汽车产生不良影响汽车轮胎摩托车轮胎第二节轮胎的侧偏特性第二节轮胎的侧偏特性轮胎特性参数的正负规定第二节轮胎的侧偏特性外倾角对操稳性的影响外倾角增大会影响最大地面侧向反力，降低极限侧向加速度，故高速汽车转弯时应使前外轮尽量垂直于地面。汽车模型的简化*忽略转向系统的影响，直接以前轮转角为输入。*不考虑振动、侧倾、俯仰运动，认为汽车只作平行于地面的运动；*不考虑轮胎切向力、外倾角、空气阻力的影响；*忽略左右轮胎载荷变化引起的侧偏特性变化；*忽略轮胎回正力矩；*认为轮胎侧偏特性处于线性范围；*认为汽车沿x轴速度不变。第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应xy两轮汽车模型及车辆坐标系第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应确定汽车质心（绝对）加速度在车辆坐标系的分量ax和ay。sincosvvuuusinsincoscosvvuuu沿Ox轴速度分量的变化为运动学分析第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应sinsincoscosvvuuuvu上式除以Δt并取极限得rddddvutvtuax考虑到很小并忽略二阶微量同理可得ruvayθ第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应2121coscosYYZYYYbFaFMFFF考虑到δ角较小1cos111kFY222kFY22112211bkakMkkFZY二自由度汽车动力学分析第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应ubkuakFYr2r1ubbkuaakMZr2r1yYmaFrZZIM由于rr2r1uvmubkuakrr12rZabakbkIuu1212r1r221212r1r11ZkkakbkkmvuuakbkakbkakIu整理后得二自由度汽车运动微分方程式汽车稳态响应稳态下汽车平面运动方程为:0)(1)()(1)(122122112121akkbkauuvbkakmukbkakuuvkkrrr消去v后，得：第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应式中—稳态横摆角速度增益，也叫转向灵敏度；K—稳定性因数（s2/m2）；—横摆角速度；u—车速；δ—前轮转角；m—汽车质量；L—轴距；a，b—汽车质心到前后轴的距离；k1，k2—前后轮侧偏刚度。1/2KuLu/)(122kbkaLmK第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应汽车稳态横摆角速度增益曲线K=0时，汽车稳态响应为中性转向。这时，即转向半径，但这是在汽车无侧偏时的结果。理由见汽车理论P120。因此，中性转向汽车加速时，转向半径不变。Lu//Lu/LR汽车中性转向第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应K0称为不足转向。不足转向汽车加速时，和中性转向时比，根据稳态横摆角速度增益较小，即较小。但因R=，故不足转向汽车转向