汽车转向系统动力学12N.pdf
汽车转向系统动力学(一.二)
瞬态响应特征评价参数
横摆角速度响应时间
横摆角速度峰值响应时间 横摆角速度超调量
横摆角速度总方差
侧向加速度响应时间 侧向加速度峰值时间
侧向加速度超调量
侧向加速度总方差 汽车因素TB 稳态横摆角速度增益
- 汽车转向系统动力学
5
4-1 概述
主观评价法：驾驶员根据不同的驾驶任务操纵汽车时， 依据对操纵动作难易程度的感觉来对汽车进行评价
稳态响应的三种类型
- 汽车转向系统动力学
17
4-2 汽车操纵稳定性工程分析方法
评价指标
稳态响应
前后轮车偏角绝对值之差
R R0
1 2 Ka y L
2
转向半径比值
1 Ku
静态储备系数
S .M .
a ' a L
k2 k1 k 2
a L
18
- 汽车转向系统动力学
4-2 汽车操纵稳定性工程分析方法
2
0 1
2
- 汽车转向系统动力学
30
4-2 汽车操纵稳定性工程分析方法
侧风作用时的转向特性
侧风力
F yw C y ( ) A
2
vr
2
横摆风力矩
M C M ( ) A L
汽车系统动力学第13章 转向系统动力学及控制
第二节 转向系统振动分析
1.模型的建立 实际经验表明,通常两转向轮之间的转向梯形机构的刚度对车 轮的摆振影响显著,因此可将左右两轮间转向杆系视为具有一 定阻尼的弹性元件,左、右两轮绕主销的摆振作为两自由度系 统来考虑。仍采用本章第二节中的三个假设条件,对某非独立 悬架汽车建立考虑车辆前轴与前轮耦合振动的摆振模型,如图 13-9所示。模型中包含了前桥绕其纵轴线的侧摆运动ϕf和左 右车轮绕主销摆动ψw,L、ψw,R三个自由度。
第四节 电动助力转向系统
电动助力转向系统示意图 1—转矩传感器 2—减速机构 3—电动机 4—齿轮齿条式转向器
第四节 电动助力转向系统
二、电动助力转向系统建模 从车辆动力学与控制的角度考虑,电动助力转向的核心问题是 助力如何随转向盘转矩和车速的变化而变化。本节中以机械式 齿轮齿条转向器和永磁直流电动机组成的系统为例,其简化模 型如图13-27所示,对系统建模和控制方法进行讨论。图1327所示模型中转向盘固定,以齿条所受地面冲击为输入,并以转 向盘固定不动所需的力矩作为输出。这里,以此模型来分析在 车辆行驶过程中,驾驶人握住转向盘使转向盘固定,转向轮受到 路面冲击时系统的动态特性。根据简化的模型,分别对转向器 和永磁直流电动机写出转矩平衡方程,得到系统的运动微分方 程为:
第二节 转向系统振动分析
二、系统的外界激振 1.周期性变化激励 转向系统受到的周期性变化激励可以是由车轮不平衡质量引 起的离心惯性力,也可以是由悬架与转向杆系运动关系不协调 产生的激励,这里对这两种情况分析如下。 车轮与轮胎可能由于制造上的误差、材料的不均匀性而产生 不平衡质量mg。当车轮转动时,不平衡质量将产生沿车轮半 径方向的离心惯性力Fg,如图所示。
车辆系统动力学pdf
车辆系统动力学
车辆系统动力学是汽车理论的一个重要研究方向，它主要研究汽车的动态性能，包括动力性、燃油经济性、操纵稳定性、形式平顺性和通过性等。运用系统方法及现代控制理论，结合实例分析，可以对车辆动力学模型进行建立、计算机仿真、动态性能分析和控制器设计。此外，汽车系统动力学也会讨论受汽车发动机、传动系统、制动系统影响的驱动动力学和制动动力学。
在研究中，汽车被视为一个动态系统，对其行为进行深入研究，讨论其数学模型和响应。其目的是研究汽车受到的各种力以及这些力与汽车运动之间的相互关系，找出汽车主要性能的内在规律和联系，提出汽车设计参数选取的原则和依据。同时，《汽车系统动力学》这本教材也提供了丰富的理论知识和实践应用案例。
第四章汽车转向操纵系统动力学
显然当 cr (1 K )0.5 时，稳态横摆角速度增
益趋于无穷大(参看图4-3)，cr 称为临界车速。临
界车速愈低，过多转向量愈大。
回主目录
临界车速的物理意义是当具有过多转向特性的汽车车
速到达此值时，只要极其微小的前轮转角便会发生极大
回主目录
1，称为临界阻尼，横摆响应r(t)也是单调
上升，且趋近于稳态横摆角速度。
1 ，称为小阻尼，横摆响应r(t)是一条收敛
于稳态横摆角速度的减幅正弦曲线。
由于汽车一般都是具有小阻尼，所以下面只讨论
在角阶跃输入后， 1 时横摆响应r(t)的变化规律。
将式(4-21)进行拉氏反变换可得
r(t) L1[r(s)] A1 A2e0t cost A4e0t sin t
r 20r02r B1 B0 式中， 02 C m0 ; B1 b1 m0 ;
h 20m0 ; B0 b0 m0 ;
当给以一角阶跃输入时，阶跃输入函数为：
t 0， 0
t 0， 0, 0
代人式(4-18)，当t≥0时，
(4 18)
r 20r 02r B0 0
(4 19)
回主目录
运动初始条件为：t 0，r 0， 0， 0， 0
当质心在中性转向作用点之后，La L'a
汽车转向系统动力学课件
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，
即：
Fyw
C
y
(
)
A
2
vr2
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Mzw
即：
M zw
CM
( )A L
2
vr2
Fywe
42
4-6 侧风作用时的转向特性
侧风力系数
C y Cy
横摆风力矩系数
CM CM
常数概括为系数
K C y A 2
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
43
4-6 侧风作用时的转向特性
侧风力：
Fyw Kvr2
横摆风力矩 Mzw= Fywe 即： M K evr2
e CM L Cy
44
4-6 侧风作用时的转向特性
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
汽车转向系统动力学解析
• 4.2.1 转向系统等效动力学模型
等效转化
图4-1 汽车转向系统
图4-2 绕转向主销的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
代入
(1)
(2)
(1)、(2)可分别改写为
图4-5 单位向量的时间微分
表4-1 汽车操纵性和稳定性的基本内容及评价参量
基本内容 转向盘角阶跃输入下的稳态 响应 转向盘角阶跃输入下的瞬态 响应 横摆角速度频率响应特性 转向盘中间位置时的操纵稳 定性 评价参量 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。 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。 共振峰频率﹑共振时振幅比﹑相位滞后角﹑稳态增益。 转向灵敏度﹑转向盘力特性—转向盘转矩梯度﹑转向功 灵敏度。 转向力﹑转向功。
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：
Ts ( n c )k f f k f f 2
转向盘和转向轮绕转向主销的 等效动力学方程式：
图4-3 转向侧偏力绕转 向主销的回正力矩
4.2.2 汽车转向行驶动力学方程
操 纵 性 稳 定 性
转向轻便性
转弯半经
直线行驶性
最小转弯半经。
转向盘转角（维持直线行驶所需的转向盘累计转角）。
第四节 转向系统动力学
CFrk HYSFrk
SCFs转向系统模型讨论的重点在于转向 器部分的非线性表达，对于转向器输出端到 车轮部分，采用对称结构形式简化，无法表 达左右车轮之间的转角差，使得动态仿真精 度不够。
2014-07-03
吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室
14
NADS
NADS驾驶模拟器是2002年由美国国家公 路交通管理局（NHTSA）建立的高精度驾 驶员在环实时仿真驾驶模拟器
2014-07-03
吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室
5
转向系统模型发展
Vehicle model development
Performance
quality
character
Subsys Vehicle
Model
Theory research
More DOF Body
Steer
2DOF Understee r/Overste
考虑了对转向系统线性区和中心区稳态特 性影响较大的因素，建立了方向盘动力学自 由度和齿条动力学自由度，并描述了转向系 统的弹性环节。 忽略了对转向系统稳态仿真影响较小而对 动态仿真影响较大的转向横拉杆及车轮等具 有高频振动特性的因素。 忽略转向系统的干摩擦。 建立转向间隙对驾驶员的转角输入进行调 整。
2014-07-03
吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室
汽车动力转向系统电子书
1．绪论
1.1转向系统概述
汽车转向系统是指汽车上用来改变或恢复其行驶方向的专设机构称为汽车转向系统。汽车的转向系统是用来改变汽车行驶方向和保持汽车直线行驶的机构。
1.1.1基本组成
转向操纵机构主要由转向盘、转向轴、转向管柱等组成。它的作用是将驾驶员转动转向盘的操纵力传给转向器。
转向器将转向盘的转动变为转向摇臂的摆动或齿条轴的直线往复运动，并对转向操纵力进行放大的机构。转向器一般固定在汽车车架或车身上，转向操纵力通过转向器后一般还会改变传动方向。
转向传动机构将转向器输出的力和运动传给车轮(转向节)，并使左右车轮按一定关系进行偏转的机构。
1.1.2类型
按转向能源的不同，转向系统可分为机械转向系统和动力转向系统两大类。
机械转向系统：由转向器和转向传动机构组成。转向传动机构是由转向臂(转向垂臂)，直拉杆，直拉杆臂，左右梯形臂，横拉杆，若干球头关节组成。
动力转向系统：由机械转向系加转向加力装置构成。
图1.1机械转向系示意图
机械转向系统以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的。机械转向系统由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。
汽车转向时，驾驶员转动转向盘，通过转向轴、万向节和转向传动轴，将转向力矩
输入转向器。从转向盘到转向传动轴这一系列部件即属于转向操纵机构。转向器中有1～2级啮合传动副，具有减速增力作用。经转向器减速后的运动和增大后的力矩传到转向摇臂，再通过转向直拉杆传给固定于左转向节上的转向节臂，使左转向节及装于其上的左转向轮绕主销偏转。左、右梯形臂的一端分别固定在左、右转向节上，另一端则与转向横拉杆作球铰链连接。当左转向节偏转时，经梯形臂1、横拉杆和梯形臂2的传递，右转向节及装于其上的右转向轮随之绕主销同向偏转相应的角度。转向摇臂、转向直拉杆、转向节臂、梯形臂和转向横拉杆总称为转向传动机构。梯形臂以及转向横拉杆和前轴构成转向梯形，其作用是在汽车转向时，使内、外转向轮按一定的规律进行偏转。
汽车转向系统动力学
-汽车转向系统动力学
16
4-3 汽车操纵稳定性与悬架、转向和传动系关系
侧倾力矩
悬挂质量离心力引起的侧倾力矩
Fsy
ms
u2 R
a a
y y
Gs ms
Gs hs h
H
h Om1
1
N
as
bs
L
Om 2
h2
-汽车转向系统动力学
17
4-3 汽车操纵稳定性与悬架、转向和传动系关系
侧倾力矩
侧倾后悬挂质量重力引起的侧倾力矩
F' z1l
Fz 1 l
Fz 1 l
Fz'2
r
Fz 2r
Fz2r
F' z1r
Fz 1 r
Fz1r
F2l
B2
-汽车转向系统动力学
F2r
21
4-3 汽车操纵稳定性与悬架、转向和传动系关系
左右车轮载荷重新分配对轮胎侧偏刚度的影响
k0
kr
k
' 0
kl W W
➢ 车身侧倾轴线：车厢 相对地面转动时瞬时 轴线。
➢ 侧倾中心：侧倾轴线
通过车厢在前后轴处
横断面的瞬时转动中
心。
d
➢ 侧倾中心的位置由悬 架的导向机构所决定
汽车转向系统动力学(五.六)
- 汽车转向系统动力学
4-6 提高操纵稳定性的电子控制系统
各种电子控制系统的有效工作范围
4WS的有效工作范围是附着圆 中心部位，即侧向力，纵向 力较小的轮胎特性线性区域 TCS的有效工作区是大驱动力 附近的极限区域 ABS在大制动力附近的极限区 域 VSC在大侧偏力的极限区域 其余几种系统的有效工作区 域均在较大地面反作用力的 轮胎特性非线性区
后轮驱动：过多转向特性
四轮驱动：不足转向特性
冰雪路面 R=20m V0=20km/h 固定方向盘，加速1s以后的情况
- 汽车转向系统动力学
4-6 提高操纵稳定性的电子控制系统
间接横摆力矩控制
4WD前后轮间切向力分配比例控制
FWD：强不足转向特性 RWD：弱不足转向特性
ac-前轴驱动力与整车驱动力之比
- 汽车转向系统动力学
4-6 提高操纵稳定性的电子控制系统
各个车轮制动力控制的效果
施加小制动力时，可以利 用单个车轮进行控制。右 图是对每个车轮单独施加 500N制动力时转向半径随 时间变化的曲线。可以看 出，在后内轮施加制动力 的效果最好。
- 汽车转向系统动力学
4-6 提高操纵稳定性的电子控制系统
4-5 汽车的侧翻
倾侧翻类型
1. 曲线运动引起的侧翻(maneuver induced rollover)
汽车系统动力学转向系统动力学及控制
KS
KSC KSL is2 KSC KSL
is 为转向盘转角与车轮转角的比值。
称为转向系总转向比。
2)忽略簧载质量的振动，即假设簧载质量也固定不动；
3)轮胎特性仅考虑侧向刚度及侧偏刚度，车轮定位参数只考虑车轮后
倾拖距，而不考虑车轮外倾角和主销内倾角的影响；
3
第4页/共37页
4
16.2转向系统振动分析
转向盘转矩越大，助力电机提供的助力力矩也越大，提高汽车的转向轻便 性；同时，控制单元根据车速的大小来控制路感，车速低时提供较大的助力， 车速高时提供较小的助力，增强驾驶员的路感。
第14页/共37页
14
16.4电动助力转向系统
➢概述
电动助力转向系统具有以下优点： 1) 降低了燃油消耗 2) 提供可变的助力特性 3) 系统结构简单，占用空间小，方便安装 4) 环保性 5) 低温工作性能好
xr rp
m )
Cr
xr (Kr
Ks rp2
Kmgm2 rp2
) xr
Kmgm rp
m
Ftr
第30页/共37页
30
16.4电动助力转向系统
➢控制策略
(1) 比例助力控制
令状态变量为 X (xr xr m m )T
输入为
U Ftr
输出为
Y Ks
X
AX
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sw δ转向盘转角反应时间τ稳定时间
σ稳态横摆角速度0r ω超调量%1000
1
⨯r r ωωt
峰值反应时间
ε最大横摆角速度
1r ω
78910111213 1028361413 9210351312
驾驶员－汽车闭环系统
运动微分方程
υ
ωυ
θυωθ
υ&&＋＋和r t y r
t x u t
u a u t u a =∆∆∆=
-≈∆∆-∆=
→∆→∆lim
lim
)
()(cos 2121υωυωδ&&＋＋r Y Y r Y Y u m F F u m F F ≈+⇒=+Y 向力平衡
r
z Y Y r
z Y Y I F L F L I F L F L ωωδ&&≈-⇒=-22112211cos 对质心取矩
运动微分方程
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨⎧
=--+-+=--++⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧
-=-=-+=--=⎩⎨
⎧=-+=+r z r r r r
r r r z r I k L u k L k L k L k L u m k u k L k L k k u L u L u
L I k L k L u m k k ωδωβωυδωβωβωυαδωβξδαωααυ
ωαα&&&&1122212122111221121222112221112211)()()()()()()(代入，则将∑Y
F ∑
Z T
转向灵敏度
1r S m L
ωδ⎫=⎪⎭+(212k L L m
K =
稳态响应的三种类型
前后轮车偏角绝对值之差
转向半径比值
1R R =静态储备系数
..S M =
固有频率ω
ζ阻尼比ζ=反应时间τ
峰值反应时间ε
频率响应函数
幅频特性()()()
(()1020
2r
r H j B B ωδ
ωωωδωζωωω
ω
ω-=
=
-=+相频特性
()ωA =()ωφ=
前后侧偏柔度
gi
fe ei di ci bi ai i D D D D D D D D ++++++=
D ai −侧向力引起的轮胎弹性侧偏角(º/g)
侧倾外倾引起的侧偏角，(º/g)
γ
φγ
∂∂−侧倾外倾系数−一个g 时的外倾角
g γφg
bi k k D γγ
γγΦΦ∂∂=
侧向力变形外倾引起的侧偏角，(º/g)
E −回正力矩系数( Nm/rad)
轮胎回正力矩引起前、后轮侧偏力的变化而产生的侧偏角D di
)( )(1
1
22211bk E D bk E D D d a d ==−侧向力变形外倾系数y
F ∂∂γ
g Y
Z ci F k k F D γγγ
Φ∂∂=
1000
e 1和e 2−轮胎拖距；
α1＝57.3G(b+e 2)/(k 1L)=57.3Gb(L+e 2/b)/(k 1L) α2=57.3G(a-e 1)/(k 2L)=57.3Ga(L-e 1/a)/(k 2L)
轮胎回正力矩引起前、后轮侧偏力的变化而产生的侧偏角D di mg F y1’F y2’
e 1
e 2
a
b
a-e 1
b+e 2
L
侧倾转向引起的车轮转向角，(º/g)
侧向力变形转向引起的车轮转向角
g
Y
ei D γδΦΦ∂∂=
Y
Z fi F F D ∂∂=
δ1000−侧倾转向系数
γ
δΦ∂∂−侧向力变形转向系数
Y
F ∂∂δ
回正力矩变形转向引起的车轮转向角，(º/g)
U ＝D 1－D 2不足转向量稳定性因数
K ＝U/(57.3 gL)
T
T D Z gi ∂∂=
δ100−回正力矩变形转向系数
T
∂∂δ
固有频率ω
阻尼比ζ
反应时间τ
峰值反应时间ε
ζωζζε-⎥⎥
⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=
2
0211arctg
侧风力
横摆风力矩
22
)(r
y yw v
A C F ρ
τ⋅
=e
F v L A C M yw r
M zw =⋅
⋅=22
)(ρ
τ
侧风力系数
横摆风力矩系数
τ
y y C C '=τM
M C C '=2
ρωA C K y '=常数概括为系数
侧风力
横摆风力矩
2r
yw v K F τω=2r
v
e K M τωω=y
M C L C e '⋅'=
)()()(.
.2121.
21ψτδψ
βαααααv v m v K K K L K L v
K K r
w b a +=+--+
+..
212212.
21)()(ψ
τδψ
βαααααz r
w a b a b a I v e K K L K L K L v
K L K L =+--+
+直线行驶时0
00===⋅
⋅
⋅
⋅βψψ，，02
121=+-+r
w v K K K K τδβααα）（0
2121=+--r
w a b a v e K K L K L K L τδβααα）（