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1、,第四章 汽车转向系统动力学,机械与交通学院王丽萍201205115007,2,4-1 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,驾驶员-汽车系统,驾
2、驶员-汽车系统,5,4-2 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,6,4-2 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。,二自由度汽车模型,o,u2,VC,VC,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,13,4-3 稳态响应（稳态转向特性）,稳态响应：
3、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）,15,4-3 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-Steering,k0,K=0,k0,轮胎无侧偏时的转向特性,特征车速,临界车速,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）,21,4-3 稳态响应（稳态转向特性）,4-3 稳态响应（稳态转向特性）,试验测得的（1-2）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-
4、3 稳态响应（稳态转向特性）,1、无侧向偏离,4-3 稳态响应（稳态转向特性）,2、有侧向偏离,R=u/r=(1+Ku2)L/=(1+Ku2)R0,4-3 稳态响应（稳态转向特性）,稳态转向特性分析,4-3 稳态响应（稳态转向特性）,静态储备系数SM,cn,c,a-a,b,a,b,a,L,汽车的中性转向点,FY2,FY1,4-3 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，aa SM0 不足转向特性 当质心在中性转向作用点之后 时，aa SM0 过多转向 特性,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
5、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0,阻尼比,反应时间,过摆量,过摆量,31,4-4 瞬态响应,评价指标,固有频率0,上式表明，0 随以下因素而变：轮胎侧偏刚度 0 汽车质量 0 转动惯量 0 汽车车速 0,4-4 瞬态响应,一些欧洲与日本轿车的0值与K值,33,4-4 瞬态响应,阻尼比,上式表明，随以下因素而变：轮胎侧偏刚度 汽车质量 转动惯量 轴距 汽车车速,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,35,4-4 瞬态响应,反应时间：角输入后横摆角速度第一次到达稳态值所需的时间,上式表明，随以下因素而变：轮胎侧偏刚度
6、 汽车质量 转动惯量 轴距 汽车车速,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关系密切，增大可使过摆量减少。,4-4 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 为输入、汽车横摆角速度r为输出,频率响应函数,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,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
7、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，表示合成风与汽车纵轴夹角-流入角,42,4-6 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
8、侧风力作用点与质心相隔距离e，这便引起了横摆风力矩Mzw,即：,即：,43,4-6 侧风作用时的转向特性,侧风力系数,横摆风力矩系数,常数概括为系数,侧向风力系数Cy和侧风力矩系数Cm与流入角之间的关系,44,4-6 侧风作用时的转向特性,侧风力：,横摆风力矩 Mzw=Fywe,即：,45,4-6 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:r=0,=0(k1+k2)-k1+kw vr2=0(L1k1-L2k2)-L1k1+kw evr2=0,46,4-6 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,=0所需的风压中心距,4-7 全轮转
9、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=h/v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 KL0,49,4-7 全轮转向特性,对转弯半径的影响,纯前轮转向时,附加后轮转向后,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,极限转弯半径：后轮最大转角一般受到限制，即有一最大值hmax40，极限转弯半径Rg 如下:,KL=h/v,52,4-7 全轮转向特性,全轮转向特性,53,4-7 全轮转向特性,全轮转向特性,频率特性,
