汽车转向系统动力学
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
转向系统的工作原理
转向系统的工作原理转向系统是汽车的重要部件之一，它的作用是使车辆能够按照驾驶员的指令改变行驶方向。
在转向系统中，主要包括转向机构、转向传动装置和转向控制装置等组成部分。
下面我们将详细介绍转向系统的工作原理。
首先，转向系统的工作原理涉及到转向机构。
转向机构是转向系统的核心部件，它通过转向传动装置将驾驶员的操纵信号传递给车轮，从而改变车辆的行驶方向。
转向机构通常由齿条、齿轮、齿轮齿条、传动销等组成，当驾驶员转动方向盘时，转向机构会将转动力传递给车轮，实现车辆的转向。
其次，转向系统的工作原理还涉及到转向传动装置。
转向传动装置是将转向机构传递过来的操纵信号转化为车轮的实际转向动作的装置。
它通常由传动齿轮、万向节、传动杆等组成，当转向机构传递信号时，传动装置会将信号传递给车轮，使车辆按照驾驶员的指令改变行驶方向。
最后，转向系统的工作原理还包括转向控制装置。
转向控制装置是用来控制转向系统工作的装置，它通常由转向泵、转向阀、液压油箱等组成，通过液压原理来实现对转向系统的控制。
当驾驶员转动方向盘时，转向控制装置会根据操纵信号来控制转向机构和传动装置，从而实现车辆的转向。
总的来说，转向系统的工作原理是通过转向机构、转向传动装置和转向控制装置相互配合，实现对车辆行驶方向的改变。
驾驶员通过操纵方向盘，传递信号给转向系统，从而使车辆按照指令进行转向。
这样的设计能够确保车辆在行驶过程中能够灵活、准确地改变行驶方向，提高驾驶的安全性和舒适性。
总之，转向系统是汽车行驶过程中不可或缺的重要部件，它的工作原理涉及到转向机构、转向传动装置和转向控制装置的协同工作。
只有这三者相互配合，才能确保车辆能够按照驾驶员的指令灵活、准确地改变行驶方向，从而保障驾驶的安全和舒适。
第五章 汽车转向系统动力学,
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。
101两者的关系：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。
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
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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)
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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：
汽车转向系统工作原理
汽车转向系统工作原理
汽车转向系统是一种用于控制车辆转向方向的系统。
它的工作原理可以简单地描述为以下几个步骤：
1. 方向盘输入：驾驶员通过方向盘输入转向指令。
当驾驶员向左或向右转动方向盘时，转向系统接收到这个输入信号。
2. 增力器：转向系统中的增力器有时也被称为助力器。
它的作用是增加驾驶员在方向盘上的输入力量，使转向更加轻便。
增力器通常使用了液压、电动或电子助力机构。
3. 传动装置：增力器将驾驶员的输入力量传递给车辆转向装置。
传动装置可以是机械的、液压的或电动的，具体取决于汽车的类型和制造商。
4. 轮轴和悬挂系统：转向装置将驾驶员的输入力量转化为操纵车辆转向的力矩。
它通过轮轴和悬挂系统传递这个力矩，使车辆的前轮按照驾驶员的指令进行转向。
5. 前轮转向：当转向装置施加力矩时，车辆的前轮会发生转动。
具体的转向方式和角度取决于转向系统的设计和车辆的悬挂结构。
总的来说，汽车转向系统的工作原理是通过驾驶员的方向盘输入，借助增力器和传动装置将驾驶员的输入力量转化为车辆的转向力矩，然后通过轮轴和悬挂系统将这个力矩传递给车辆的前轮，实现车辆的转向控制。
柔性底盘偏置电动轮转向动力学分析与特性验证
柔性底盘偏置电动轮转向动力学分析与特性验证柔性底盘偏置电动轮转向是一种新型的汽车转向技术，它通过调节车辆的电动轮的转向角度和转速来实现转向。
在柔性底盘偏置电动轮转向系统中，车辆的转向力矩由电动轮提供，而传统的转向系统中则是由传动轴和转向器提供。
因此，柔性底盘偏置电动轮转向系统相比传统转向系统具有更佳的动力学特性和性能。
柔性底盘偏置电动轮转向系统的动力学特性分析是验证该系统设计和性能有效性的重要手段。
首先，需要对柔性底盘偏置电动轮转向系统的工作原理和动力学模型进行建模。
然后，根据建立的模型，可以进行系统的动力学性能分析，包括转向系统的响应时间、稳定性和路感。
最后，通过实际测试和验证来验证模型的准确性和系统的性能。
在柔性底盘偏置电动轮转向系统的动力学特性分析中，需要考虑以下几个方面：1.转向系统的响应时间：转向系统的响应时间是指车辆从方向盘输入转向指令到实际转向效果显现出来的时间。
在柔性底盘偏置电动轮转向系统中，由于电动轮提供转向力矩的能力更强，因此可以显著提高转向系统的响应速度。
2.转向系统的稳定性：转向系统的稳定性是指在不同工况下转向系统的稳定性能。
在柔性底盘偏置电动轮转向系统中，要考虑转向系统的稳定性对于车辆的行驶稳定性和安全性的影响。
3.转向系统的路感：路感是指驾驶员通过方向盘感受到的路面情况和车辆运动状态的信息。
在柔性底盘偏置电动轮转向系统中，可以通过调节电动轮的转向力矩和转速来实现更好的路感效果。
为了验证柔性底盘偏置电动轮转向系统的动力学特性和性能，可以采用以下方法：1.基于仿真模型的分析：通过建立柔性底盘偏置电动轮转向系统的仿真模型，可以对系统的动力学特性进行分析。
通过在不同工况下输入不同的转向指令，可以得到转向系统的响应时间、稳定性和路感等动力学参数。
2.实际测试验证：通过在实际车辆上进行测试来验证柔性底盘偏置电动轮转向系统的性能。
可以通过在不同路况和工况下进行转向测试，来评估转向系统的动力学特性和性能。
04第四章 汽车转向系统动力学
4.3.2 驾驶员对转向盘的操纵作用与汽 车运动稳定性
现实中的k h 只能取兼顾二者的 适当值。 具体表现在，驾驶员在操纵汽车高速行使 时，既不是紧握乃至完全固定转向盘从而 使k h 很大，也不是完全从转向盘撒手而使 k h为0，而是以适当的力度轻轻握住转向 盘，从而获得合适的k h 。可以说，驾驶员 轻轻搭在转向盘上的 手、腕的作用是使汽 车运动更趋稳定。
（4-9）
（4-10）
式中：前轮转向角、前后轮各侧偏角以及各侧偏力 如图4-6a所示；
m,Iz——汽车质量、绕质心C的转动惯量；
lf、lr——质心C至前、后轴的距离。
又参照图4-6b，可以分别确定各车轮侧偏角为：
f 1 tan f 1
f 2 tan f 2
V l f r V d f r 2
lf d Ih 2k f ( r ) Th 2 dt V
（4-2）’’
当 时：
d 2 mV 2(k f kr ) m V (l f k f lr kr )r 2k f 0（4-30） dt V
dr 2(l f k f lr kr ) I Z dt
（4-19）
dr 2(l ek f l k ) 2(l f ek f lr kr ) I Z r 2l f ek f dt V
2 f 2 f r
比较式（4-19）、（4-20）与 （4-15）、（4-16）可知，前者实际上 相当于是用e kf 和a分别代替后者的kf 和 .
r
（4-61）
车速80km/h，1g=9.8m/s2 图4-18 与前轮转角成比例的后轮转向对汽车侧向加速度响应的影响
汽车转向行驶的动力学方程
汽车转向行驶的动力学方程引言：汽车转向是指通过转动方向盘，使车辆改变行进方向的过程。
在汽车转向过程中，涉及到许多力的作用，如转向力、转向阻力、惯性力等。
为了研究汽车转向行驶的动力学特性，需要建立相应的动力学方程。
本文将对汽车转向行驶的动力学方程进行详细介绍。
一、转向力的作用在汽车转向行驶过程中，转向力起着至关重要的作用。
转向力是指由转向机构传递到转向轮的力，它使得转向轮能够改变车辆行进方向。
转向力的大小与方向盘的转动角度成正比，可以用以下公式表示：转向力 = 方向盘转动角度× 转向力系数二、转向阻力的影响除了转向力外，转向阻力也会对汽车转向行驶产生影响。
转向阻力是由转向系统的摩擦力和阻尼力造成的，它会抵消部分转向力，影响车辆的转向灵活性。
转向阻力的大小取决于转向系统的设计和质量，一般情况下，转向阻力可以通过增加液压助力装置来减小。
三、惯性力的作用在汽车转向行驶过程中，惯性力也会对转向产生影响。
惯性力是指车辆由于转向而产生的向外甩出的力，它会阻碍车辆的转向。
惯性力的大小与车辆的质量和转弯半径有关，质量越大、转弯半径越小，惯性力越大。
为了克服惯性力的影响，需要施加更大的转向力。
四、动力学方程的建立为了描述汽车转向行驶的动力学特性，可以建立如下的动力学方程：转向力 - 转向阻力 = 惯性力根据这个动力学方程，可以进一步推导出具体的数学表达式，从而研究汽车转向行驶过程中各种力的变化规律。
五、影响转向行驶的因素除了转向力、转向阻力和惯性力外，还有一些其他因素也会对汽车转向行驶产生影响。
其中包括路面摩擦力、车辆的速度、车轮的转动角度等。
这些因素的变化都会对汽车的转向行驶产生影响，需要进行综合考虑。
六、转向系统的优化设计通过对汽车转向行驶的动力学方程进行研究，可以得出一些优化设计的原则。
例如，提高转向力的传递效率、减小转向阻力、降低惯性力的影响等。
这些原则可以指导转向系统的设计和改进，提高汽车的转向性能和操控稳定性。
汽车系统动力学教学大纲
汽车系统动力学教学大纲汽车系统动力学教学大纲引言：汽车系统动力学是汽车工程领域中的重要学科之一。
它研究汽车的动力学性能，包括车辆的悬挂系统、转向系统、制动系统等。
本文将介绍汽车系统动力学教学的大纲，旨在帮助学生全面了解汽车系统动力学的基本原理和应用。
一、课程概述汽车系统动力学课程是汽车工程专业的核心课程之一，主要介绍汽车的动力学性能与操控特性。
通过本课程的学习，学生将能够掌握汽车系统动力学的基本原理和应用，为日后从事汽车工程相关领域的工作打下坚实的基础。
二、教学目标1. 理解汽车系统动力学的基本概念和原理；2. 掌握汽车悬挂系统、转向系统、制动系统等的设计和调整方法；3. 能够分析汽车动力学性能，并提出相应的改进措施；4. 培养学生的实际动手能力和团队合作精神。
三、教学内容1. 汽车系统动力学基础知识a. 车辆坐标系和参考系b. 汽车运动学和动力学基本方程c. 车辆的质量和惯性特性d. 车辆悬挂系统的结构和工作原理2. 汽车悬挂系统动力学a. 悬挂系统的类型和分类b. 悬挂系统的参数对车辆动力学性能的影响c. 悬挂系统的调整和优化方法3. 汽车转向系统动力学a. 转向系统的结构和工作原理b. 转向系统的参数对车辆操控性能的影响c. 转向系统的调整和优化方法4. 汽车制动系统动力学a. 制动系统的结构和工作原理b. 制动系统的参数对车辆制动性能的影响c. 制动系统的调整和优化方法5. 汽车系统动力学的实验与仿真a. 汽车系统动力学实验的设计和实施b. 汽车系统动力学仿真软件的应用四、教学方法1. 理论授课：通过课堂讲解，向学生传授汽车系统动力学的基本理论知识；2. 实验教学：组织学生进行汽车系统动力学实验，培养学生的动手能力和实践能力；3. 仿真教学：利用计算机仿真软件，模拟汽车系统动力学的运动过程，帮助学生理解和分析实际问题；4. 讨论与案例分析：组织学生进行小组讨论，分析实际案例，培养学生的团队合作和问题解决能力。
转向系工作原理
转向系工作原理
转向系工作原理是指汽车转向过程中转向系统的工作原理。
汽车转向系统分为机械转向系统和液压转向系统两种形式。
机械转向系统主要由转向轴、齿轮、传动杆、转向臂和转向机构组成。
当驾驶者转动方向盘时，通过传动杆将转向力传递给转向臂，再经过转向机构将转动力矩传递给车轮，从而实现车轮的转向。
液压转向系统使用液压力来实现转向。
系统由液压助力泵、液压油箱、液压缸和油管组成。
当驾驶员转动方向盘时，液压助力泵受到驱动装置的驱动，产生压力将液压油推送到液压缸中。
液压缸内的活塞受到液压力的作用，推动转向臂将车轮转向。
无论是机械转向系统还是液压转向系统，都需要驾驶员通过方向盘来输入转向指令。
转向系统通过一系列的机械和液压装置将驾驶员的转动力矩转化为车轮的转向角度，从而控制汽车的转向。
转向系工作原理的关键在于转向装置的设计和构造。
它需要能够传递足够的转动力矩，同时保证转向的灵敏度和准确性。
此外，转向系统还需要具备一定的抗干扰能力，以保证在复杂的行驶条件下能够正常工作。
总而言之，转向系工作原理是通过将驾驶员的转动力矩转化为车轮的转向角度来实现汽车转向的过程，机械转向或液压转向是两种常用的转向系统形式。
它们通过复杂的装置和机构使得
转向能够准确灵敏地响应驾驶员的操作，保证行驶安全和驾驶舒适性。
汽车转向系统的工作原理
汽车转向系统的工作原理
汽车转向系统的工作原理是通过将驾驶员的转向指令传递给车辆的转向机构，从而实现车辆的方向控制。
具体工作原理如下：
1. 转向机构：汽车转向系统通常由转向柱、齿条和齿轮等组成。
转向柱连接驾驶员操作的方向盘和齿条，而齿条与齿轮相连。
当驾驶员转动方向盘时，通过转向柱和齿条的联动，齿轮就会改变方向。
2. 动力助力系统：为了减轻驾驶员的操作力，现代汽车通常配备了动力助力系统。
动力助力系统可以通过压力油液或电机的力量来提供额外的转向力量，使得转向更加轻松。
其中最常见的是液压助力转向系统和电动助力转向系统。
- 液压助力转向系统：该系统由液压助力泵、助力缸和助力
加力器等组成。
当驾驶员转动方向盘时，液压助力泵会产生液压力，将液压油送至助力缸，从而施加额外的力量来帮助转向。
- 电动助力转向系统：该系统使用电动机代替了传统的液压
助力泵。
电动助力转向系统通过感应驾驶员的转向力度和转向角度，由电脑控制电动机的输出力量，实现对转向力的补偿。
3. 转向角传感器：为了确保车辆能够准确地响应驾驶员的转向指令，转向系统通常还配备了角度传感器。
转向角传感器可以实时监测车辆转向角度，并将数据传输给电脑控制单元，以便控制转向力的输出。
4. 电脑控制单元：作为转向系统的核心，电脑控制单元负责接收并处理来自转向角传感器和驾驶员操作的数据。
根据传感器的反馈信息，电脑控制单元计算出所需的转向力量，并通过控制助力系统的工作来实现转向控制。
综上所述，汽车转向系统主要依靠转向机构、动力助力系统、转向角传感器和电脑控制单元等组件的相互配合，将驾驶员的转向指令转化为车辆的方向控制。
汽车转向系统动力学(五.六)
- 汽车转向系统动力学
4-5 汽车的侧翻
刚性汽车的准静态侧翻
ay 1 F zi B g 2 m g hg
1 时,若要使 F zi 2 mg
当
ay 0
则有
ay g
v
2
g
高速公路拐弯处的坡道角就是根据此原理设计的.
- 汽车转向系统动力学
4-5 汽车的侧翻
- 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
Fy1· x2· y2· a＋F B-F b=0
Fx2减小不足转向量
- 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
直接横摆力矩控制（Direct Yaw Moment Control）
（改变内外侧车轮驱动力分配比例提高极限工况下弯道行驶能力）
a:一般行驶 b:有横摆力矩作用，加速行驶，Fy1减小
- 汽车转向系统动力学
D: driving force distribution B: braking force distribution R: roll stiffness distribution
汽车四轮转向四自由度动力学模型
汽车四轮转向四自由度动力学模型一、引言汽车作为现代交通工具的重要组成部分，其行驶稳定性和操控性能成为人们关注的焦点。
为了更好地理解汽车转向过程，研究者提出了汽车四轮转向四自由度动力学模型。
本文将对该模型进行介绍和分析。
二、汽车四轮转向四自由度动力学模型汽车四轮转向四自由度动力学模型是一种理论框架，用于描述汽车在转向过程中的运动规律。
该模型将汽车视为一个具有四个自由度的系统，包括纵向运动、横向运动、横摆运动和侧滑运动。
1. 纵向运动自由度纵向运动自由度是指汽车在纵向方向上的运动。
它受到引擎输出的动力和制动系统的制动力的影响。
在转向过程中，纵向运动自由度的变化可以影响汽车的加速度和制动效果。
2. 横向运动自由度横向运动自由度是指汽车在横向方向上的运动。
它受到转向系统的影响，包括前轮转向角度和转向系统的响应特性。
横向运动自由度的变化会影响汽车的横向加速度和侧向稳定性。
3. 横摆运动自由度横摆运动自由度是指汽车绕垂直轴线旋转的运动。
它受到转向系统和车身结构的影响，包括转向系统的转向角速度和车身的转动惯量。
横摆运动自由度的变化会影响汽车的横摆角度和横摆稳定性。
4. 侧滑运动自由度侧滑运动自由度是指汽车的轮胎与地面之间的相对滑动。
它受到横向运动和横摆运动的影响，包括车轮滑动角度和侧向力的变化。
侧滑运动自由度的变化会影响汽车的侧向力和侧滑稳定性。
三、应用与研究进展汽车四轮转向四自由度动力学模型在汽车工程领域具有广泛的应用价值。
它可以用于汽车设计和操控性能评估，帮助工程师改进汽车的转向系统和悬挂系统，提高汽车的稳定性和操控性能。
研究者们在汽车四轮转向四自由度动力学模型的基础上进行了许多深入的研究。
他们通过理论模拟和实验验证，对汽车转向过程中的动力学特性进行了深入分析，为汽车操控性能的提升提供了重要的理论支持。
随着自动驾驶技术的发展，汽车四轮转向四自由度动力学模型也得到了进一步的应用。
研究者们通过建立更加精确的模型，优化汽车的自动驾驶算法，提高汽车的驾驶安全性和舒适性。
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）
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
轮胎的侧向弹性恢复力与变形的滞后关系及示功图
第二节 转向系统振动分析
三、前轴与前轮的耦合振动 前面我们分别介绍了车辆前轴的侧倾振动和前轮绕主销的摆 振问题。然而,车辆在实际行驶中,前轴侧倾振动和前轮摆振 可能相互耦合,并对车辆操纵性和行驶稳定性的影响很大。 虽然摆振的机理和影响因素很复杂,用于摆振研究的数学模 型也很多,然而为了便于说明摆振现象,可以在模型建立过程 中对一些数学上难于处理的非线性问题进行简化处理,如忽 略悬架弹性和阻尼的非线性特性及一些如零部件的间隙和干 摩擦等次要因素。这里,首先建立考虑前轮和前轴耦合振动 的线性模型,再给出一些典型的分析结果[2,3]。
第二节 转向系统振动分析
某非独立悬架汽车摆振模型参数
第二节 转向系统振动分析
首先考察随横拉杆刚度K0和转向机构刚度Kp的影响,在不同K0 和Kp的条件下,前轮摆振振幅随车速变化的关系分别如图13-11 和图13-12所示。由图可见,前轮摆振的幅值将随横拉杆刚度K0 和转向机构刚度Kp的增加而减小。 此外,考察转向机构刚度对系统的固有频率fns和相对阻尼系数ζ 的影响,如图13-13所示。由图可见,系统的固有频率fns和相对 阻尼系数ζ将随转向机构刚度的增加而提高。当转向机构刚度 Kp低于7kN·m/rad时,前轮摆振系统进入不稳定区。 最后,考察系统可能出现自激型摆振的车速范围。系统的相对阻 尼系数ζ随车速的变化关系如图13-14所示。当车速在 32~69km/h范围内时,系统相对阻尼系数ζ<0,即系统出现负 阻尼而发生自激振动。当车速低于30km/h和高于75km/h时, 系统相对阻尼系数ζ>0,系统为受迫振动系统。
第二节 转向系统振动分析
车辆前轴绕车辆坐标系x轴的自由振动
转向系统工作原理
转向系统工作原理
转向系统是一种用于控制汽车方向的系统，它能够将驾驶员的转向指令转化为车辆的转向动作。
转向系统的工作原理可以简单描述为以下几个步骤：
1. 转向指令传递：当驾驶员转动方向盘时，转向指令通过转向柱传达给转向系统。
转向柱是一根连接方向盘和转向系统的杆，它将驾驶员施加在方向盘上的力或扭矩传输给转向系统。
2. 助力转向：在许多现代汽车中，转向系统通常配备有助力转向装置，以减小驾驶员转动方向盘所需的力量。
助力转向装置通常包括液压助力装置和电动助力装置。
液压助力装置利用液压系统提供增加的力量，而电动助力装置则利用电动机辅助转动方向盘。
3. 转向机构：转向机构是转向系统中的关键部件，它负责将转向指令转化为车辆的转向动作。
常见的转向机构包括齿轮齿条机构和蜗杆蜗轮机构。
通过转向机构，转动方向盘的力或扭矩被传递给车轮，使车辆发生转向。
4. 前轮转向：转向机构通过连接悬挂系统和车轮，使车轮发生转向。
在前轮转向时，转向机构会使左右车轮产生不同的转向角度，从而使车辆完成曲线行驶或转弯动作。
5. 角度传感器：为了确保转向系统的准确性和安全性，角度传感器通常安装在转向柱上，用于监测方向盘的转角，并将转角信息传递给转向系统。
转向系统可以根据这些信息进行相应的
调整和控制。
综上所述，转向系统通过转换驾驶员的转向指令，利用助力转向装置和转向机构，实现了车辆的转向动作。
在整个过程中，角度传感器起到了监测和反馈的作用，保证了转向系统的准确性和安全性。
汽车助力转向工作原理
汽车助力转向工作原理
汽车助力转向系统是为了方便驾驶员操作车辆而设计的一种辅助系统。
其主要工作原理可以概括为以下几个步骤：
1. 助力转向泵工作：当驾驶员转动方向盘时，方向盘轴会传递给助力转向泵。
助力转向泵是一个由皮带驱动的液压泵，它会通过泵送液体来产生助力效果。
2. 液压助力效果：助力转向泵会向助力转向系统提供高压液体。
这些液体通过液压管路被输送到转向系螺杆或齿轮中的液压缸。
3. 感应转向力：在液压转向圆柱或齿轮中，液体的流动会感应并增加转向装置所产生的力。
这可以减轻驾驶员需要施加在方向盘上的力量。
4. 助力偏置：助力转向系统还可根据车速和其他参数提供助力偏置，以使驾驶更加轻松。
例如，在低速行驶时，助力转向系统可以提供更多的助力效果，以便更容易转向。
而在高速行驶时，则可能提供较少的助力效果，以增加稳定性和驾驶操控性。
需要注意的是，助力转向系统并不是完全依赖液压力量工作。
许多现代汽车也采用电子助力转向系统，其中电机会代替液压泵提供助力效果。
这些电子助力转向系统通过感应驾驶员的转向力来提供相应的助力，其工作原理类似于液压助力转向系统。
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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20
25
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
差速转向动力学
差速转向动力学一、引言差速转向是汽车的一个重要部分，它可以让车辆在转弯时更加稳定和灵活。
在本文中，我们将讨论差速转向的动力学原理。
二、差速器的基本原理差速器是汽车传动系统的一个重要组成部分，它通过不同的齿轮比例来实现左右轮胎的旋转速度不同。
当车辆行驶直线时，左右轮胎的旋转速度应该相同。
但是，在转弯时，内侧轮胎需要旋转更慢，而外侧轮胎需要旋转更快。
这就是差速器发挥作用的时候。
三、差速器的工作原理当车辆在直线上行驶时，左右两个半轴上的齿轮会以相同的速度旋转。
但是，在转弯时，内侧半轴上的齿轮需要比外侧半轴上的齿轮旋转得慢一些。
这就是因为内侧半轴所连接的车轮需要绕着一个更小的圆周运动。
为了实现这种不同速度旋转，差速器采用了一种特殊设计。
它由三个主要部分组成：环齿、行星齿轮和太阳齿轮。
当车辆在直线上行驶时，环齿和太阳齿轮的旋转速度相同，而行星齿轮不会旋转。
但是，在转弯时，内侧半轴上的环齿和太阳齿轮之间会有一个相对运动，这样就可以使内侧半轴上的车轮旋转得更慢。
四、差速器的限制差速器虽然可以使车辆在转弯时更加稳定和灵活，但它也有一些限制。
首先，差速器只能控制左右两个半轴上的车轮旋转速度，而无法控制前后两个半轴上的车轮旋转速度。
这意味着当一个车轮失去牵引力时，它会自由旋转，并且可能导致车辆失控。
此外，在某些情况下，差速器可能会因为过度滑动而损坏。
例如，在冰雪路面或泥泞路面行驶时，差速器可能会因为左右两个半轴上的车轮无法牢固地抓住地面而过度滑动。
五、结论总之，差速器是汽车传动系统的一个重要部分，它可以使车辆在转弯时更加稳定和灵活。
但是，差速器也有一些限制，需要注意使用。
在实际驾驶中，我们需要根据路况和天气状况来合理使用差速器，以确保行驶安全。
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汽车操纵稳定性的稳态、瞬态响应
汽车操纵稳定性的频率响应特性
4.1 汽车转向与操纵动力学概述
4.1.1 汽车转向和操纵稳定性定义
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。
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。
参数名称 整车质量 车轮半径 质心至前轴距 符 号 m r 量 纲 kg m m 参数值 1150 0.287 1.4
lf
质心至后轴距 前轮侧偏刚度 后轮侧偏刚度 绕z轴转动惯量
m2
1.26 18500 22500 1850
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）。
典型行驶工况（蛇行﹑移线 ﹑双移线—回避障碍）性能
极限行驶能力 回正性
转向盘转角﹑转向力﹑侧向加速度﹑横摆角速度﹑侧偏 角﹑车速等。
极限侧向加速度﹑极限车速。 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。
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
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。
s0
lr kr l
图4-12 汽车质心侧偏角的稳态特性
• 2) 质心侧偏角增益
s
2 lr m lf u l k 2l 2 1 Ku 2
图4-13 质心侧偏角增益与车速的关系
3) 转向盘转角
(k r l r k f l f )m 2 FS 1 u 2 FS 0 kr k f l
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
质心速度
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
• 汽车运动方程式
4-6 a) 车轮侧偏力
汽车在水平面内的运动
• 各车轮侧偏角为：
4-6 b) 车轮速度
前后轮的左右轮侧偏角分别相等，可表示为：
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：
图4-7 四轮汽车的等效二轮模型
• 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 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
图4-8 人—汽车闭环系统框图
4.3.2 汽车操纵稳定性模型建立的坐标系
• 4.3.2.1 轮胎与车轮的坐标系
图4-9
轮胎与车轮轴坐标系
4.3.2.2 车辆的坐标系
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）
图4-14 汽车前轮转角的稳态特性
4.3.3.3 汽车操纵稳定性的瞬态响应
1）用横摆角速度表示
设系统的输入δ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r 为变量的形式，通常写作
m'r hr cr b1 b0
图4-15 横摆角速度时域内响应（车速20m/s）
2） 用质心侧偏角增益表示
• 如用质心侧偏角增益表示，则可得传递函数为： s 1 Ts F s s s 1 2 s 1 s 2
H H
图4-16 车速20m/s下不同K值的质心侧偏角时间历程
4.3.4 二自由度操纵稳定性仿真参数
表4-3 某车型两自由度模型中的参数
x(t ) Ax(t ) Bu(t )
x(t 0 ) x0
4.3.3.2 汽车操纵稳定性的稳态响应
s r 0 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 lf m s 的稳态特性，则可得到 1 V2