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1、第四章 目 录4.14.1 汽车转向与操纵动力学综述汽车转向与操纵动力学综述4.1.1 汽车转向和操纵稳定性定义汽车转向和操纵稳定性定义4.1.2 转向和操纵动力学研究内容转向和操纵动力学研究内容4.2 4.2 汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学4.2.1 转向系统等效动力学模型转向系统等效动力学模型4.2.2 汽车转向行驶动力学方程汽车转向行驶动力学方程4.3 4.3 汽车操纵动力学汽车操纵动力学4.3.1 汽车操纵稳定性的研究方法与内容汽车操纵稳定性的研究方法与内容4.3.2 汽车操纵稳定性模型建立的坐标系汽车操纵稳定性模型建立的坐标系4.3.3 两自由度模型的操纵稳定性分析两自由度模型
2、的操纵稳定性分析4.3.4 二自由度操纵稳定性仿真参数二自由度操纵稳定性仿真参数 1.汽车转向性能 汽车转向性能是指汽车能遵循驾驶者转向盘的输入,通过转向系及转向车轮给定的方向,按预定轨迹行驶的能力。4.1 4.1 汽车转向与操纵动力学概述汽车转向与操纵动力学概述2.汽车操纵稳定性 驾驶员不感到过度紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车抡给定的方向行驶，且遇到外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力，汽车的这种性能称为操纵稳定性。4.1.1 汽车转向和操纵稳定性定义汽车转向和操纵稳定性定义4.1.2 转向和操纵系统动力学研究内容转向和操纵系统动力学研究内容 汽车转向系统动
3、力学汽车转向系统动力学汽车操纵动力学汽车操纵动力学 转向系统等效动力学模型汽车操纵稳定性模型建立与坐标系 汽车转向动力学方程基于两自由度模型的操纵稳定性分析转向系统对汽车转向性能的影响汽车操纵稳定性的稳态、瞬态响应 汽车电动助力转向系统（EPS）汽车操纵稳定性的频率响应特性表表4-1 汽汽车车操操纵纵性和性和稳稳定性的基本内容及定性的基本内容及评评价参量价参量 基本内容评价参量操纵性转向盘角阶跃输入下的稳态响应稳态横摆角速度增益转向灵敏度前后轮侧偏角之差转向半径的比静态储备系数。转向盘角阶跃输入下的瞬态响应横摆角速度波动的固有频率阻尼比反应时间达到第一峰值的时间。横摆角速度频率响应特性共振峰频
4、率共振时振幅比相位滞后角稳态增益。转向盘中间位置时的操纵稳定性转向灵敏度转向盘力特性转向盘转矩梯度转向功灵敏度。转向轻便性转向力转向功。转弯半经最小转弯半经。直线行驶性转向盘转角（维持直线行驶所需的转向盘累计转角）。典型行驶工况（蛇行移线双移线回避障碍）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。极限行驶能力极限侧向加速度极限车速。稳定性回正性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。直线行驶性（侧向风敏感性、路面不平敏感性）侧向偏移。4.2 4.2 汽车转向系统动力学汽车转向系统动力学4.2.1 转向系向系统等效等效动力学模型力学模型图图4-1 汽车转向系统汽车转向
5、系统图图4-2 绕转向主销的转向系统等效动力学模型绕转向主销的转向系统等效动力学模型等效转化当汽车行驶时,若给转向盘某一角度，则转向轮产生的侧偏力将绕转向主销形成回正力矩，如图4-3：图图4-3 转向侧偏力绕转转向侧偏力绕转 向主销的回正力矩向主销的回正力矩 转向盘和转向轮绕转向主销的等效动力学方程式：图图4-4 汽车在地面固汽车在地面固定坐标系中的运动描述定坐标系中的运动描述 质心速度 C点加速度 汽车质心侧偏角4.2.2 汽车转向行驶动力学方程汽车转向行驶动力学方程图图4-5 单位向量的时间微分单位向量的时间微分 4.2.2 汽车转向行驶动力学方程汽车转向行驶动力学方程代入(1)(2)(1
6、)、(2)可分别改写为4-6 a)车轮侧偏力车轮侧偏力 汽车在水平面内的运动汽车在水平面内的运动汽车运动方程式当V一定时,有汽车在水平面内的运动汽车在水平面内的运动4-6 b)车轮速度车轮速度各车轮侧偏角为：前后轮的左右轮侧偏角分别相等，可表示为：图图4-7 四轮汽车的等效二轮模型四轮汽车的等效二轮模型 前后车轮被分别集中于汽 车前后轴中点而构成一假 想二轮车。运动方程式 设前后轮侧偏刚度分 别为kf、k r，则有：经过整理后得到研究汽车操纵稳定性的基本方程式：（4-15）（4-16）4.3.1 汽车操纵稳定性的研究方法与内容汽车操纵稳定性的研究方法与内容图图4-8 人人汽车闭环系统框图汽车闭
7、环系统框图4.3 汽车操纵动力学汽车操纵动力学 4.3.2 汽车操纵稳定性模型建立的坐标系汽车操纵稳定性模型建立的坐标系4.3.2.1 轮胎与胎与车轮的坐的坐标系系图图4-9 轮胎与车轮轴坐标系轮胎与车轮轴坐标系 4.3.2.2 车辆的坐的坐标系系图图4-10 车辆坐标系车辆坐标系 4.3.2.3 惯性、车辆及中间坐标系惯性、车辆及中间坐标系说明：1.Z轴平行于ZE轴2.X轴位于包含XV轴的铅垂平面内3.XE轴与X轴的夹角为图图4-11 惯性惯性、车辆及中间坐标系车辆及中间坐标系4.3.3 基于两自由度模型的操纵稳定性分析基于两自由度模型的操纵稳定性分析将转向角作为控制输入，因此可以将方程写成
8、下面的状态空间形式 则可得 4.3.3.1 汽车汽车两自由度模型的状态空间表达两自由度模型的状态空间表达 4.3.3.2 汽汽车操操纵稳定性的定性的稳态响响应 在稳态情况下 ，可以结合车辆的过度转向和不足转向特性来进行解释：1）质心侧偏角 如果用质心侧偏角表示汽车操纵稳定性的稳态特性，则可得到图图4-12 汽车质心侧偏角的稳态特性汽车质心侧偏角的稳态特性 2)质心侧偏角增益 图图4-13 质心侧偏角增益与车速的关系质心侧偏角增益与车速的关系图图4-14 汽车前轮转角的稳态特性汽车前轮转角的稳态特性3)转向盘转角4.3.3.3 汽汽车操操纵稳定性的瞬定性的瞬态响响应1）用横摆角速度表示 设系统的
9、输入为阶跃形式，根据二自由度的汽车运动 微分方程，可以写成以 为变量的形式，通常写作 图图4-15 横摆角速度时域内响应（车速横摆角速度时域内响应（车速20m/s）如用质心侧偏角增益表示，则可得传递函数为：图图4-16 车速车速20m/s下不同下不同K值的质心侧偏角时间历程值的质心侧偏角时间历程 2）用质心侧偏角增益表示 4.3.4 二自由度操二自由度操纵稳定性仿真参数定性仿真参数表表4-3 某某车车型两自由度模型中的参数型两自由度模型中的参数参数名称符 号量 纲参数值整车质量mkg1150车轮半径rm0.287质心至前轴距m1.4质心至后轴距m1.26前轮侧偏刚度kfN/rad18500后轮侧偏刚度krN/rad22500绕z轴转动惯量Izkgm21850