汽车转向系统动力学12N.pdf
车辆系统动力学【可编辑全文】
可编辑修改精选全文完整版车辆系统动力学车辆系统动力学是一门涉及汽车系统的动力性研究的学科，旨在分析和模拟汽车的动力性能。
它是由应用力学和流体力学原理来研究动态特性，从而为汽车开发工程人员提供关键性信息和支持，以实现车辆系统的有效运行。
车辆系统动力学的研究分为两个主要方面:静动力学和结构动力学。
静动力学是研究汽车静力学和动力学系统，以及它们之间的相互作用。
静动力学的研究内容包括汽车的刚性构件的静力学计算，汽车转矩和加速度的动态测定，车辆悬架系统的构造、测量和控制，动力性能的行驶特性测定，以及汽车的操纵和漂移特性的研究。
结构动力学包括研究汽车结构，如悬架、底盘和发动机，以及这些系统的动态特性测定。
车辆系统动力学的研究可以分为三个主要领域：实验动力学、分析动力学和仿真动力学。
实验动力学主要负责试验机械结构以及机械系统的动力特性测定。
它可以分析出机械系统的动力特性，以及机械系统和动力学分析模型之间的关系。
分析动力学是通过数学分析的方法，计算和分析汽车的动力特性。
仿真动力学则使用计算机模拟技术，模拟汽车在不同行驶条件下的性能，并进行动力学和控制分析。
车辆系统动力学是一个复杂的研究领域，需要广泛的原理、理论和技术来支持。
它为车辆开发工程人员提供关键的研究信息，以便更好地了解汽车的动力性能，从而更好地解决汽车发动机、悬架和底盘等系统的限制问题，实现更低排放、更安全的汽车运行。
车辆系统动力学的研究目标是提高汽车的动力性能：提高燃油经济性、排放控制效果，降低汽车维护成本，延长汽车使用寿命，减少汽车故障发生率，并提高汽车在不同地形环境下的行驶质量。
未来，随着新技术的发展，车辆系统动力学的研究将不断进步，为汽车的改进和开发提供可靠的技术支持。
从而，车辆系统动力学是一门跨学科领域的非常重要的研究领域，它不仅涉及传统的汽车工程学科，还涉及力学、控制、物理、流体、电子、计算机等学科，是一门复杂而又有应用前景的学科。
因此，车辆系统动力学是汽车研发、维护和诊断的重要基础，也是汽车系统安全、经济、高效运行的关键。
汽车转向系统动力学(一.二)
前后侧偏柔度
D i D ai D bi D ci D di D ei D fe D gi
评价指标
瞬态响应的品质参数
固有频率ω0
0
mu ( ak 1 bk 2 ) muI
z
L k1k 2 u L u k1k 2 mI
z
2
1 Ku
2
- 汽车转向系统动力学
28
4-2 汽车操纵稳定性工程分析方法
阻尼比ζ
m a k1 b k 2 I z k1 k 2
- 汽车转向系统动力学
22
4-2 汽车操纵稳定性工程分析方法
Dai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)
k
D bi
k
g
侧倾外倾系数
g 一个g时的外倾角
- 汽车转向系统动力学
23
4-2 汽车操纵稳定性工程分析方法
2
2 1 arctg mua 0 / Lk 2
反应时间τ 峰值反应时间ε
0 1
2
1 arctg
2
0 1
2
- 汽车转向系统动力学
19
4-2 汽车操纵稳定性工程分析方法
频率响应特性
- 汽车转向系统动力学
第四章汽车转向操纵系统动力学
m0 h c b1 b0
式中 m0 mIz ；
h [mD Iz A]；
c mB (AD B2 ) ；
(4 16)
b1 mLa K1；
b0 LK1K 2
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如果令 r ，则式(4-16)可写成
m0r hr cr b1 b0
(4 17)
这是一个强迫振动的二阶微分方程，可进一步改写为
K
此时
max ch 2L
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此最大值为轴距L相等的中性转向汽车横摆角
速转代度向轿增量车益增把的加特一时征半，车，即速此设K增时计大为，c6h特5称~征为1车0特0速k征m车/ hch速之。降间当低。不，足当
3. K<0 此时式(4-9)中的分母小于1，横摆角速度增益
比中性转向时大，随着车速的增加，曲线将
回主目录
在国外把这一比值称为静态储备系数S·M(Static
Margin)， S M La La K 2 La (4 13)
L
K1 K 2 L
当中性转向作用点
C
与质心重合时，
n
La
L'a
S M 0 中性转向( a1 a2 )
当质心在中性转向作用点之前， La L'a
S M 0 不足转向( a1 a2 )
先将式(4-5)、(4-6)改写成下式 ：
A BB DK1aK m1(Iz)
式中 A K1 K 2
B (La Ka1 Lb Ka2 )
D (La 2 K1 Lb 2 K 2 )
(4 14)
(4 15)
回主目录
由式(4-15)得
( I z
D
K1
)
B
代人式(4-14)中消去 ，最后可整理成的微分方程：
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。
汽车动力转向系统
12.4 故障诊断
四、直线行驶转向盘发飘或跑偏 1. 现象 汽车直线行驶时，难以保持正前方向而总向一边跑偏。 2. 原因 1) 油液脏污、转向控制阀回位弹簧折断或变软，使转向 控制阀不能及时回位。 2) 转向控制阀阀芯（或滑阀）偏离中间位置，或虽在中 间位置但与阀体槽肩的缝隙大小不一致。 3) 流量控制阀卡滞使油泵流量过大或油压管路布置不合 理，造成油压系统管路节流损失过大，使动力缸左右 腔压力差过大。
12.3 检修
二、转向油泵 1. 转向油泵皮带张紧力的检查和调整 (1) 检查 方法一：汽车停在干燥路面上，运转发动机使油液上 升到正常温度，左右转动转向盘，此时驱动皮带负荷最 大，如果皮带打滑，说明皮带紧度不够或油泵内有机械 损伤。 方法二：关闭发动机，用手以约100N的 力从皮带的中间位置按下，皮带应有约10 mm挠度为合适，否则必须调整。 方法三：用皮带张紧度测量仪。 (2) 调整
常流式
12.1 基本组成和工作原理
常压式
12.2 主要部件
一、转向油罐 功用：储存、滤清、冷却动力转向系统工作油液。 二、转向油泵 1. 功用：将发动机的机械能变为驱动转向动力缸工作的液 压能，再由转向动力缸输出转向力，驱动转向轮 转向 2. 类型：1) 齿轮式；2) 叶片式；3) 转子式
12.2 主要部件
12.1 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ本组成和工作原理
三、组成：机械转向器、转向控制阀、转向动力缸、 转向油泵(或空气压缩机)、转向油罐等 四、分类：
气压式： 前轴最大轴载质量为3~7吨并采用气 压制动的货车或轿车。
介质
液压式： 工作时无噪声，工作滞后时间短， 且能吸收来自不平路面的冲击。 常压式 常流式
12.1 基本组成和工作原理
第四节 转向系统动力学
Engine Vibration Flex Body
Complete steering Friction model
Uneven road dynamics Wheel model …… ……
1930s 1960s
1970s
Linear performance model
1990s
Nonlinear performance model
2014-07-03
吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室
3
对模型的需求
转向系统模型是描述汽车方向盘转角与方向盘回 正力矩、前轮转角之间关系的模型。转向系统模 型建立的合理性和准确性是汽车动力学仿真精度 和可信度的保证
根据驾驶员的指令输入操作车轮的转向，保证汽 车整体的方向控制
需要时刻反馈方向盘的力感的动态响应； 反映左右转向轮的相位关系，实现左右转向轮贯
2014-07-03
吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室
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几种典型转向系统
SCFs NADS Tesis Carsim 华沙 ASCL
2014-07-03
吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室
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SCFs
SCFs转向系统模型是由通用汽车公司 的W. Keith Adams和Richard W. Topping 于2001年提出的，利用一系列特性函数 来描述转向系统特性的模型
转向系统动力学
吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室
转向系统 由转向盘到车轮的传递系统称为转向系统
R
L
2014-07-03
吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室
2
转向系统功能
改变和保持汽车的行驶方向 一方面，驾驶员通过转向系统控制前轮转
汽车动力转向系结构、原理与检修课件
齿轮齿条式转向系统检修
循环球式转向系统的结构
主要由转向盘、转向轴、钢球、螺母、助力电机等组成。
循环球式转向系统的检修
检查转向轴是否有磨损、弯曲或裂纹，钢球是否正常滚动，螺母是否松动，助力电机是否工作正常等。
循环球式转向系统检修
电动助力转向系统的结构
主要由转向盘、转向轴、扭矩传感器、助力电机等组成。
液压助力转向系统故障排除
更换损坏的液压泵或油管，修复漏油或更力转向系统故障诊断与排除
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齿轮的旋转运动将力矩传递到齿条上，推动齿条轴向移动，从而带动转向轮偏转，实现汽车转向。
齿轮齿条式转向系统工作原理
循环球式转向系统主要由转向盘、转向轴、转向管柱、螺母、钢球、传动副轴、传动副蜗杆等组成。
当驾驶员转动转向盘时，力通过转向轴和管柱传递到螺母，螺母在钢球的滚动作用下产生轴向移动，同时带动传动副蜗杆旋转。
液压助力转向系统检修
05
汽车动力转向系统故障诊断与排除
齿轮齿条式转向系统故障诊断与排除
检查齿轮齿条是否磨损、断裂或松动，检查转向拉杆和球头是否松动或损坏，检查转向器是否漏油或损坏。
齿轮齿条式转向系统故障诊断
更换磨损或断裂的齿轮齿条，紧固松动的转向拉杆和球头，更换漏油或损坏的转向器，调整齿轮齿条间隙。
油缸活塞的运动带动齿条轴向移动，推动齿条和齿轮的相对运动，实现汽车转向。
01
02
03
04
液压助力转向系统工作原理
04
汽车动力转向系统检修
主要由转向盘、转向轴、齿条、齿轮、助力电机等组成。
齿轮齿条式转向系统的结构
检查转向轴是否有磨损、弯曲或裂纹，齿条是否有磨损或卡滞，齿轮是否正常啮合，助力电机是否工作正常等。
汽车转向系统动力学
4-1 概述
时域响应 频域响应
表征汽车的操纵稳定性
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
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
路面条件 交通状况
气候
驾驶员
驾驶员 的手脚
侧风 路面不平
4-2 汽车转向系统数学模型
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 角位移输入
力输入
转向力 轮胎 汽车
稳态响应
瞬态响应
4-3 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）
30
4-4 瞬态响应
一些欧洲与日本轿车的ω0值与K值
4-4 瞬态响应
阻尼比ζ
m a2k1 b2k2 Iz k1 k2 2L mIzk1k2 (1 Ku2 )
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 ↑
32Leabharlann 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
4-1 概述
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
汽车的操纵稳定性问题: ➢ “贼”
➢ 反应迟钝
➢ “飘” ➢ 失去控制 ➢ 丧失路感
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）
第二十三章汽车转向系统
2020/12/9
第二十三章汽车转向系统
•对于用第一、第三两车桥转向的三轴汽车（图22-4a），可以第 二桥车轮轴线为基线，分别利用
•
•求出第一桥和第三桥两侧车轮偏转角之间的理想关系式，作为设 计上述两车桥的转向梯形的依据。对于利用第一、第二两车桥转 向的四轴车，可以第三、四两桥轴线之间平行线为基线，分别求 出这两转向桥两侧车轮偏转角的近似理想关系。
• 循环球式转向器的正传动效率很高（可达90%—95%），故操纵轻便， 使用寿命长，工作平稳、可靠。但其逆效率也很高，容易将路面冲击力传 到转向盘。不过，对于前轴轴载质量不大而又经常在平坦路面上行驶的轻、 中型载货汽车而言，这一缺点影响不大。因此，循环球式转向器已广泛应 用于各类各级汽车。
2020/12/9
▪ 图23-7所示为解放CA1040系列轻型载货汽车的循环球---齿条齿扇式转 向器。
2020/12/9
第二十三章汽车转向系统
• 为了减少转向螺杆和转向螺母之间的摩擦，两者之间的螺纹以沿螺 旋槽滚动的许多钢球5代之，以实现滑动摩擦变为滚动摩擦。
• 转向螺杆转动时，通过钢球将力传给螺母， 螺母即沿轴线移动。同 时，在螺杆与螺母两者和钢球间的摩擦力偶作用下，所有钢球便在螺旋管 状通道内滚动，形成“球流”。
▪ 图23-5所示为红旗 CA7220型轿车的齿轮齿 条式转向器。
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第二十三章汽车转向系统
•齿轮齿条式转向器
2020/12/9
第二十三章汽车转向系统
•齿条齿轮转向系的变比操纵
2020/12/9
第二十三章汽车转向系统
• 如图所示，在转向齿条的中部用螺栓（图中未显示出来）与转向拉 杆的托架10联接，转向左、右横拉杆11、9的外侧与转向臂13相连（右 转向节臂图中未显示出来）。当转动转向盘时，转向齿轮转动，使与之 啮合的转向齿条沿轴线移动，从而使左、右横拉杆带动左、右转向节移 动，使转向轮偏转，以实现汽车转向。
车辆转向系统动力学研究
车辆转向系统动力学研究车辆转向系统是汽车中一个非常重要的组成部分。
它通过操纵方向盘，使车辆按照驾驶员的意愿改变行驶方向。
在日常生活中，我们经常可以看到车辆转向的动作，但很少有人关注到这背后涉及到的动力学问题。
本文旨在探讨车辆转向系统的动力学研究，深入了解其中的原理和相关理论。
1.转向系统的基本组成车辆转向系统由多个部件组成，其中最核心的是转向机构。
转向机构通过机械力的传递，将驾驶员的方向盘转变为车轮的转向角度。
在传统的机械转向系统中，通常采用齿轮、皮带等方式进行传递。
而在近年来，电动转向系统的出现，使得传动方式更加灵活和高效。
2.转向系统的动力学原理在车辆转向时，驾驶员施加在方向盘上的力矩通过转向机构传递到车轮上，从而使车辆改变行驶方向。
在转向过程中，需要克服许多外界因素的干扰，如道路摩擦力、悬挂系统的影响等。
因此，转向系统的动力学原理十分复杂。
3.转向系统的稳定性转向系统的稳定性是指车辆在转向过程中是否能够保持平衡，并且稳定地按照驾驶员的意愿行驶。
稳定性问题对于驾驶员的操控能力和行车安全至关重要。
研究表明，车辆稳定性受多个因素影响，包括车辆的质量分布、悬挂系统的刚度以及转向机构的设计等。
4.非线性特性与控制转向系统的非线性特性是指在不同工况下，转向系统的动力学特性表现出不同的行为。
这种非线性特性对汽车控制系统的设计和优化提出了巨大挑战。
为了提高车辆转向系统的控制性能，研究人员通常采用PID控制器、模糊控制等方法来补偿非线性特性，进而实现转向系统的稳定性和灵活性。
5.动力学仿真模型的建立为了更好地理解和研究转向系统的动力学行为，研究人员常常通过建立动力学仿真模型来模拟车辆转向过程。
这些模型可以基于多种理论和方法，如质点模型、刚体模型以及多体动力学模型等。
通过仿真模型的建立，可以研究转向系统在不同工况下的动态响应以及优化设计方案。
6.自动驾驶技术对转向系统的影响随着自动驾驶技术的快速发展，传统的转向系统正面临着巨大的改变和挑战。
汽车系统动力学转向系统动力学及控制
高速行驶时，为防止回正超调。当转向盘转到中间位置时，电控单 元将使电动机电流逐渐减少，电动机将产生一个与转速成正比的阻力矩， 使其对转向轮产生回正阻尼，使汽车获得稳定的转向特性。
(3) 阻尼控制 高速行驶时，如果路面有高频的干扰，转向盘便会在中间位置附近
16.4电动助力转向系统
➢关键技术
• EPS助力特性的曲线特征
EPS的助力特性具有多种曲线形式，下图为三种典 型助力特性曲线。图中助力特性曲线可以分成三个区， 分别为无助力区，助力变化区和助力不变区。
I/A I/A
I/A
Imax
V=0
Imax
V=0
V=Vmax
Td0 Tdmax Td/N·m
a）直线型
1
16.1转向系统结构及转向几何学
□转向系统结构 车辆转向时，为获得左右不等的转向角，转向杆系构成的几何形 状通常设计成不等边四边形，称做“转向梯形”，通过转向梯形 使两侧转向轮绕主销转动，实现车辆转向的目的。
典型转向系统结构
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2
16.1转向系统结构及转向几何学
□转向几何学
阿克曼转向几何原理 cot o cot i tkp / L o 为外侧转向轮转角， i 为内侧转向轮转 角，L 为车辆轴距， tkp 为两主销轴线与
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16.4电动助力转向系统
➢关键技术
• 曲线型助力特性曲线的函数表示
0 I K (V ) f (Td )
I max
0 Td Td 0 Td 0 Td Td max
Td Td max
I/A
第五章 汽车转向系统动力学,文库.
第五章汽车转向系统动力学问题的提出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。
这一特性影响到汽车操纵的方便性和稳定性，所以也是汽车安全性的重要因素之一，因而成为汽车系统动力学中重要研究内容之一。
汽车操纵稳定性是与汽车的车速密不可分的，早期的低速汽车还谈不上稳定性的问题，最早出现稳定性的问题，是在具有较高车速的轿车上或赛车上，目前，随着车速的不断提高，轿车、大客车、载货汽车的设计都离不开汽车操纵稳定性的研究。
近年来，有许多学者研究这一问题，并取得很多成果。
操纵性不好的汽车的主要表现：1.“飘” －有时驾驶员并没有发出转向的指令，而汽车开始自己改编本方向，使人感到汽车漂浮2.“贼”－有时汽车像受惊的马，忽东忽西，汽车不听驾驶员的指令；3.“反应迟钝”－驾驶员虽然发出指令。
但是汽车还没有转向反映，转向过程反应较慢；4.“晃”－驾驶员发出了稳定的转型指令，可使汽车左右摇摆，行驶方向难以稳定，当汽车受到路面不平，或者是侧向风扰动时，汽车就会出现左右摇摆；5.“丧失路感”－正常汽车转弯的程度，会通过转向盘在驾驶员的手上产生相应的感觉，有些汽车操纵性不好的汽车，特别是在汽车车速较高时，或转向急剧时会丧失这种感觉，这会增加驾驶员操纵困难，或影响驾驶员的正确判断6.“失去控制”－某些汽车的车速超过一个临界值以后，驾驶员已经不能控制器行驶的方向。
汽车的操纵稳定性：在驾驶者不感到过分紧张、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。
汽车的操纵性：汽车能及时而准确的反映驾驶员主观操作的能力，也就是按照驾驶员的愿望维持或改变原来的行驶路线的能力。
汽车的稳定性：汽车在外力干扰下，仍能保持或很快恢复原来行驶状态和方向，而不致丧失控制、发生侧滑或翻车的能力。
两者的关系：操纵性的丧失常导致侧滑、回转、甚至翻车；而稳定性的破坏也往往使汽车失去操纵性，处于危险状态。
动力转向系统的工作原理-12页文档资料
(2)动力转向系统的工作原理动力转向系统是在机械式转向系统的基础上加一套动力辅助装置组成的。
如下图，转向油泵6安装在发动机上，由曲轴通过皮带驱动并向外输出液压油。
转向油罐5有进、出油管接头，通过油管分别与转向油泵和转向控制阀2联接。
转向控制阀用以改变油路。
机械转向器和缸体形成左右两个工作腔，它们分别通过油道和转向控制阀联接。
当汽车直线行驶时，转向控制阀2将转向油泵6泵出来的工作液与油罐相通，转向油泵处于卸荷状态，动力转向器不起助力作用。
当汽车需要向右转向时，驾驶员向右转动转向盘，转向控制阀将转向油泵泵出来的工作液与R腔接通，将L腔与油罐接通，在油压的作用下，活塞向下移动，通过传动结构使左、右轮向右偏转，从而实现右转向。
向左转向时，情况与上述相反。
液压动力转向系统示意图l.转向操纵机构2.转向控制阀3.机械转向器与转向动力缸总成4.转向传动结构5.转向油罐6.转向油泵R.转向动力缸右腔L.转向动力缸左腔汽车动力转向器的类型及工作原理作者：admin 来源：不详发布时间：2007-2-7 6:13:45减小字体增大字体采用动力转向系统的汽车转向所需的能量，在正常情况下，只有小部分是驾驶员提供的体能，而大部分是发动机(或电机)驱动的油泵(或空气压缩机)所提供的液压能(或气压能)。
用以将发动机(或电机)输出的部分机械能转化为压力能，并在驾驶员控制下，对转向传动装置或转向器中某一传动件施加不同方向的液压或气压作用力，以助驾驶员施力不足的一系列零部件，总称为动力转向器。
下面介绍动力转向器的类型及工作原理。
(1)动力转向器的类型按传能介质的不同，动力转向器有气压式和液压式两种。
装载质量特大的货车不宜采用气压动力转向器，因为气压系统的工作压力较低(一般不高于0.7MPa)，用于重型汽车上时，其部件尺寸将过于庞大。
液压动力转向器的工作压力可高达10MPa以上，故其部件尺寸很小。
液压系统工作时无噪声，工作滞后时间短，而且能吸收来自不平路面的冲击。
汽车转向系统动力学解析
汽车质心侧偏角
C点加速度
图4-4 汽车在地面固 定坐标系中的运动描述
汽车在水平面内的运动
u V cos V
v V sin V
dv d V dt dt
当V一定时,有
du d V dt dt
dV d d V ( r ) i V ( r ) j dt dt dt
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
图4-10 车辆坐标系
4.3.2.3 惯性、车辆及中间坐标系
图4-11
惯性、车辆及中间坐标系
说明： 1.Z轴平行于ZE轴 •X轴位于包含XV轴的铅垂 平面内 1.XE轴与X轴的夹角为ψ
4.3.3 基于两自由度模型的操纵稳定性分析
4.3.3.1 汽车两自由度模型的状态空间表达
• 将转向角δ作为控制输入，因 此可以将方程写成下面的状态 空间形式 u (t ) x(t ) r 0 则可得
直线行驶性（侧向风敏感性、 侧向偏移。 路面不平敏感性）
4.1.2 转向和操纵系统动力学研究内容
汽车转向系统动力学 汽车操纵动力学
转向系统等效动力学模型 汽车转向动力学方程
汽车操纵稳定性模型建立与坐标系 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
汽车电动助力转向系统（EPS）
4.2 汽车转向系统动力学
• 4.2.1 转向系统等效动力学模型
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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）（
2
1122αααατδK K e L K e L K L K v a b w r
⋅--+⋅
⋅=）（）（δ=0所需的风压中心距
)
()(21210ααααK K L K L K e b a +-=
对转弯半径的影响
L
R ctg v =δv
v v L L R δδδ≈
=sin cos 纯前轮转向时
附加后轮转向后
)
1()]1(sin[cos *
L v L v v K L
K L R -≈
-=δδδ极限转弯半径
)
1()
1(max max
L h L
L L
h g K LK K K L
R -=
-≈
δδ
对转向传动比影响
纯前轮转向时
w
av v i δδ∆=
∆全轮转向时
(1)(1)
w w av
a v h v L L i i K K δδδδδ∆∆===
∆-∆∆--
纯前轮转向时
全轮转向时
稳态横摆角速度增益..
21v w av v L i Kv ψψδδ==+.221()
(1)1(1)
a
L a av v L i K v L Kv i Kv ψδ-==++
瞬态时域响应
频率特性。