汽车转向系统动力学(一.二)
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。
汽车系统动力学第二版
汽车系统动力学第二版《汽车系统动力学第二版》是一本关于汽车系统动力学的专业书籍，旨在为读者提供关于汽车动力学的全面理解。
本书通过详细介绍汽车动力学的基本概念、原理和数学模型，帮助读者深入了解汽车系统的运行原理，并掌握相关的分析和设计方法。
第一章介绍了汽车系统动力学的基本概念和研究对象。
汽车系统动力学是研究汽车运动和力学特性的学科，涉及到车辆的加速、制动、转向和悬挂等方面。
本书强调了汽车系统动力学的重要性，指出了它对汽车性能和安全性的影响。
第二章详细介绍了汽车的运动学特性。
运动学是研究物体运动规律的学科，而汽车的运动学特性则包括车辆的速度、加速度和位移等参数。
本章通过引入几何学和向量分析的知识，解释了汽车运动学的基本原理，并给出了相关的计算方法。
第三章讨论了汽车的轮胎力学特性。
轮胎是汽车与地面之间的唯一接触点，它对车辆的牵引、制动和操纵性能起着至关重要的作用。
本章介绍了轮胎的结构和工作原理，并详细阐述了轮胎与地面之间的力学相互作用。
第四章介绍了汽车的悬挂系统。
悬挂系统是连接车身和车轮的重要组成部分，它对车辆的舒适性、稳定性和操控性起着重要作用。
本章从悬挂系统的基本原理入手，介绍了常见的悬挂结构和悬挂元件的设计原则，并讨论了悬挂系统对车辆动力学性能的影响。
第五章讨论了汽车的转向系统。
转向系统是控制车辆转向运动的关键部件，它对车辆的操纵性和稳定性有着重要影响。
本章介绍了转向系统的工作原理和组成部分，并讨论了转向系统的设计和调整方法。
第六章介绍了汽车的制动系统。
制动系统是保证车辆安全的重要组成部分，它对车辆的制动性能和稳定性起着至关重要的作用。
本章详细介绍了制动系统的原理、结构和工作过程，并讨论了制动系统的设计和优化方法。
最后一章总结了全书的内容，并展望了汽车系统动力学领域的未来发展方向。
本书通过详细的理论分析和实例应用，帮助读者深入了解汽车系统动力学的原理和方法，并为汽车工程师和研究人员提供了有价值的参考资料。
汽车系统动力学习题答案
汽车系统动⼒学习题答案1.汽车系统动⼒学发展趋势随着汽车⼯业的飞速发展，⼈们对汽车的舒适性、可靠性以及安全性也提出越来越⾼的要求，这些要求的实现都与汽车系统动⼒学相关。
汽车系统动⼒学是研究所有与汽车系统运动有关的学科，它涉及的范围较⼴，除了影响车辆纵向运动及其⼦系统的动⼒学响应，还有车辆在垂向和横向两个⽅⾯的动⼒学内容，随着多体动⼒学的发展及计算机技术的发展，使汽车系统动⼒学成为汽车CAE技术的重要组成部分，并逐渐朝着与电⼦和液压控制、有限元分析技术集成的⽅向发展，主要有三个⼤的发展⽅向：（1）车辆主动控制车辆控制系统的构成都将包括三⼤组成部分，即控制算法、传感器技术和执⾏机构的开发。
⽽控制系统的关键，控制律则需要控制理论与车辆动⼒学的紧密结合。
（2）多体系统动⼒学多体系统动⼒学的基本⽅法是，⾸先对⼀个由不同质量和⼏何尺⼨组成的系统施加⼀些不同类型的连接元件，从⽽建⽴起⼀个具有合适⾃由度的模型；然后，软件包会⾃动产⽣相应的时域⾮线性⽅程，并在给定的系统输⼊下进⾏求解。
汽车是⼀个⾮常庞⼤的⾮线性系统，其动⼒学的分析研究需要依靠多体动⼒学的辅助。
（3）“⼈—车—路”闭环系统和主观与客观的评价采⽤⼈—车闭环系统是未来汽车系统动⼒学研究的趋势。
作为驾驶者，⼈既起着控制器的作⽤，⼜是汽车系统品质的最终评价者。
假如表达驾驶员驾驶特性的驾驶员模型问题得到解决后，“开环评价”与“闭环评价”的价值差别也许就不存在了。
因此，在⼈—车闭环系统中的驾驶员模型研究，也是今后汽车系统动⼒学研究的难题和挑战之⼀。
除驾驶员模型的不确定因素外，就车辆本⾝的⼀些动⼒学问题也未必能完全通过建模来解决。
⽬前，⼈们对车辆性能的客观测量和主观之间的复杂关系还缺乏了解，⽽车辆的最终⽤户是⼈。
因此，对车辆系统动⼒学研究者⽽⾔，今后⼀个重要的研究领域可能会是对主观评价与客观评价关系的认识2.⽬前汽车系统动⼒学的研究现状汽车系统动⼒学研究内容范围很⼴，包括车辆纵向运动及其⼦系统的动⼒学响应，还有车辆垂向和横向动⼒学内容。
车辆系统动力学
2. 系统具有整体性
系统虽是由多种元素组成，但系统的性能不 是各元素性能的简单组合，而是相互影响的，所 以这种组合使系统的整体功能获得新的内容，具 有更高的价值。例如一辆汽车是由发动机、传动 系、车轮、车身、操纵系统组成。单有发动机只 能发出动力，不会自己行走，但当发动机装在具 有车轮的汽车底盘上，就成为可以行走的汽车， 成为一种交通工具，其功能就与一台发动机大不 相同。由此可见，研究系统特性应从整体的观点 来看。系统的性能是由其整体性能为代表，而不 是由某一个元素所能代替的。
4. 系统具有功能共性
系统中存在着物质、能量和信息的流动， 并与外界(环境)进行物质、能量和信息的交 流，既可以从外界环境向系统输入或从系统向 外界环境输出物质、能量和信息。这是任何系 统都具有的功能，称为系统的功能共性。如汽 车系统中把燃料的燃烧热能转换为汽车的行驶 动能，在这一过程中，发动机吸收氧气，而排 除废气。这一过程有能量的交流，也有物质的 交流。
第一章 绪论
• 1.1 系统与系统动力学的概念 • 1.2 汽车系统动力学的研究内容和特点 • 1.3 汽车系统动力学的研究方法
1.1 系统与系统动力学的概念
在我们真实的大千世界中，存在着许多由一组物 件构成，以一定规律相互联系起来的实体，这就是系 统，自然界就有太阳系、银河系这样的大系统，这种 系统是脱离人的影响而自然存在，称为自然系统，还 有如生物、原子内部也构成了自然系统，还有一种系 统是通过人的设计而形成的系统，称为人工系统，如 生产系统、交通运输系统、通信系统；人工组合和自 然合成的组合系统,如导航系统。 本文主要是研究人工的物理系统及其特性。 如果把汽车的构成看成是一大系统，那么这一系 统应表示为(如图1-1)：
一个系统可能由若干个环节组成，画出各环节的 方框图，然后将这些方框图联系起来，就构成了系 统的方框图。因此，方框图是数学模型－传递函数 的图解化 。
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。
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
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吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室
12
几种典型转向系统
SCFs NADS Tesis Carsim 华沙 ASCL
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吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室
13
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
汽车系统动力学 (1)
第一章车辆动力学概述（1学时）
第一节研究内容和范围
第二节车辆特性和设计方法，及发展趋势
第二章车辆动力学建模方法及基础理论（2学时）
第一节动力学方程的建立方法
第二节多体系统运动学，动力学
第三章轮胎动力学（3学时）
第一节轮胎模型
第二节轮胎纵向力学特性
第三节轮胎垂向力学特性
第二节基于matlab的车辆系统建模、仿真与控制器设计实例
第三节应用adams软件的多体动力学实例分析（课外上机）
三、教材和参考书
教材：
喻凡，林逸编著，汽车系统动力学，机械工业出版社，2005.9
Rajesh Rajamani，Vehicle Dynamics And Control，Birkhäuser, 2006
作业安排：要求学生自学几个主流的汽车动力学软件，布置几个相关的大作业（车辆动力学建模与仿真分析），加深了解相关的学习内容。
考核安排及成绩评定方法：以平时的上课出勤率，提交计算分析报告的情况，以及最后的考试为依据，进行本课程成绩的最终评定。
五、拟任课教师情况
申焱华（主讲），副教授，博士，近3年的任课情况：（本科）车辆人机工程，现代设计方法概论；（研究生）多体动力学；
参考书：
（1）Thomas D.Gillespie著，赵六奇，金达锋译，车辆动力学基础，清华大学出版社，2006.12
（2）Manfred Mitschke, Henning Wallentowitz著，陈荫三，余强译汽车动力学（第四版）清华大学出版社，2009.12
（3）Dave Crolla,喻凡著，车辆动力学及其控制，人民交通出版社，2004。1
第一节车辆扩展操纵模型的推导
汽车系统动力学-kejian
5.发展趋势：
车辆动力学研究由被动元件设计转变为采用主动控制 来改变车辆动态性能。随着多体动力学的发展及计算机技 术的发展，使汽车系统动力学成为汽车 CAE技术的重要组 成部分，并逐渐朝着与电子和液压控制、有限元分析技术 集成的方向发展。
一、车辆主动控制
车辆控制系统的构成都将包括三大组成部分，即控制 算法、传感器技术和执行机构的开发。而控制系统的关键， 控制律则需要控制理论与车辆动力学的紧密结合。
动力学的发展过程分为三个阶段：
阶段一（20世纪30年代） 1.对车辆动态性能的经验性的观察 2.开始注意到车轮摆振的问题 3.认识到车辆舒适性是车辆性能的一个重要方面 阶段二（30年代—50年代） 1.了解了简单的轮胎力学，给出了轮胎侧偏角的定义 2.定义不足转向和过度转向 3.建立了简单的两自由度操纵动力学方程 4.开展了行驶平顺性研究，建立了K2实验台， 5.引入前独立悬架
③数学等效模型：动态行为的数学形式是相同 的，可用等效的常系数微分方程来描述 数学模型有理论建模和试验建模两类： a.理论建模是指从机械结构的设计图样出发，作出必要的 假定和简化，根据力学原理建模。
系统分析法 理论方法： 状态空间法
健合图法 b.试验建模包括系统识别和参数识别。
模态分析法 实验方法:
第一章 概述
阶段三（1952 年以后） 1.通过试验结果和建模，加深了对轮胎特性的了解 2.在两自由度操纵模型的基础上，建立了包括侧倾的三自由 度操纵动力学方程 3.扩展了对操纵动力学的分析，包括稳定性和转向响应特性 分析 4.开始采用随机振动理论对行驶平顺性进行性能预测
随后几十年，汽车制造商意识到行驶平顺性和操纵稳定 性在产品中的重要作用。随着计算机技术的发展 ADMAS,ABS,
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。
汽车转向行驶的动力学方程
汽车转向行驶的动力学方程转向是汽车行驶中的一个重要操作，通过转动方向盘，驱动轮将发生转向，从而改变汽车的行驶方向。
转向行驶的动力学方程是描述转向过程的数学模型，可以帮助我们理解汽车转向的原理和行为。
在转向行驶的动力学方程中，涉及到几个重要的力和力矩。
首先是转向力矩，它是由驾驶员通过方向盘施加在前轮上的力矩。
这个力矩将使前轮发生转向，从而改变汽车的行驶方向。
转向力矩的大小和方向取决于驾驶员的操作力和方向盘的转动角度。
另一个重要的力是前轮与地面之间的摩擦力。
当前轮发生转向时，转弯半径会改变，而摩擦力将提供一个向心力，使汽车保持在曲线轨道上。
摩擦力的大小取决于前轮与地面的摩擦系数以及前轮与地面之间的接触面积。
还有惯性力和离心力。
惯性力是由于汽车在转弯过程中的惯性而产生的，它的方向与转弯方向相反。
离心力是由于转弯过程中汽车的加速度而产生的，它的方向指向转弯中心。
这两个力的大小取决于汽车的质量、速度和转弯半径。
综合考虑以上力和力矩，可以得到汽车转向行驶的动力学方程。
这个方程可以用来计算汽车在转弯过程中的加速度、转角和转弯半径等参数。
根据这个方程，可以优化汽车的转向系统设计，提高转向的精确度和稳定性。
除了动力学方程，还有其他因素会影响汽车的转向行驶。
例如，前轮的悬挂系统和轮胎的特性会对转向行为产生影响。
悬挂系统的硬度和轮胎的摩擦系数会改变转向的灵敏度和稳定性。
此外，路面的条件也会对转向行驶产生影响，如路面的摩擦系数和坡度等。
在实际驾驶中，驾驶员需要根据转向行驶的动力学方程和其他因素进行判断和操作。
通过合理地施加转向力矩和控制速度，驾驶员可以实现安全、稳定的转向行驶。
理解和掌握转向行驶的动力学方程，对驾驶员来说是非常重要的。
汽车转向行驶的动力学方程是描述转向过程的数学模型，可以帮助我们理解转向的原理和行为。
通过合理地施加转向力矩和控制速度，驾驶员可以实现安全、稳定的转向行驶。
掌握转向行驶的动力学方程，对于驾驶员来说具有重要意义。
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。
动力转向系统工作原理
动力转向系统工作原理
动力转向系统是车辆的一个关键部件，其主要作用是增加驾驶员的转向力，将驾驶员所施加的转向力转化为车轮的转向转矩，从而使车辆能够顺利转弯。
具体工作原理如下：
1. 动力转向系统主要由转向列、液压助力装置和转向泵组成。
转向泵通过发动机带动，将发动机的动力转化为液压能，并通过液压管路将液压能传递给液压助力装置。
2. 液压助力装置位于转向杆和转向齿轮之间，其内部有油腔和活塞。
当驾驶员转动方向盘时，转向杆会带动液压助力装置内的活塞运动，从而改变油腔的体积。
3. 当驾驶员转动方向盘时，液压泵会将液压油压入液压助力装置的一侧油腔，同时将另一侧油腔的液压油排出。
这种液压油的进出导致了液压助力装置内部产生了一个力差。
4. 这个力差将会影响液压助力装置内的活塞运动，从而改变液压助力装置的力输出，使转向杆和车轮转动。
5. 当驾驶员停止转动方向盘时，液压泵将不会再继续供压，液压助力装置会处于自动回中的状态，即车轮会回复到直行方向。
通过以上工作原理，动力转向系统能够有效地减少驾驶员所需的转向力，增加了驾驶的舒适性和便利性，提高了车辆的驾驶性能。
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）
乘用车底盘的转向系统的动力学特性分析与优化
乘用车底盘的转向系统的动力学特性分析与优化转向系统是乘用车底盘的重要组成部分之一，其性能对车辆的操控和行驶稳定性起着至关重要的作用。
本文将对乘用车底盘的转向系统的动力学特性进行分析，并提出优化方案。
在乘用车底盘的转向系统中，主要包括转向柱、转向机构、转向齿轮、转向销、转向阻尼器等部件。
这些部件的协作使得车辆能够实现转向动作，保证驾驶员可以准确、灵活地控制车辆的行驶方向。
首先，我们需要分析乘用车底盘的转向系统的动力学特性。
转向系统的动力学特性反映了车辆操控性能以及操纵稳定性。
主要包括以下几个方面：1. 转向系统的转向比：转向比是描述转向系统输入角度与输出角度之间关系的参数。
转向比的大小直接影响到车辆的操控性能。
较小的转向比可以提供较大的转向力矩，使车辆操控更为灵活。
而较大的转向比则可以提供较小的转向力矩，提高驾驶舒适性。
因此，在优化转向系统的动力学特性时，需要综合考虑转向比与操控性能之间的平衡。
2. 转向系统的稳定性：转向系统的稳定性是指在车辆行驶过程中，转向系统是否能够保持稳定。
若转向系统出现瞬时失稳或非线性特性，将会对车辆的操纵稳定性产生不利影响。
因此，必须对转向系统的稳定性进行分析和优化，保证在不同的行驶条件下，车辆的转向系统保持稳定。
3. 转向系统的灵敏度：转向系统的灵敏度主要是指驾驶员对于方向盘的转动所产生的转向力矩的感知能力。
灵敏度较高的转向系统可以使驾驶员对车辆的操控更为精确、准确。
在优化转向系统的动力学特性时，需要适度提升转向系统的灵敏度，以便驾驶员更好地感知车辆的转向情况。
针对上述动力学特性，我们可以采取以下优化措施：1. 优化转向系统的传动机构：转向系统的传动机构包括转向柱、转向齿轮等部件。
通过优化传动机构的设计和材料选择，可以减小转向系统的传动损失和摩擦，提高转向系统的效率和灵敏度。
2. 优化转向系统的阻尼器：转向系统的阻尼器起到减震和稳定转向系统的作用。
通过优化阻尼器的设计和调整阻尼力的大小，可以提高转向系统的稳定性和舒适性。
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
第2页/共37页
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
第26页/共37页
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
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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
2
4-1 概述
ISO 试验
steady-state circular driving behaviour open-loop test procedure lateral transient response tests methods open-loop test methods braking in a turn – open-loop test procedure test track for a severe lane-change manoeuvre part 1 : doublelane change
2
j
幅频特性 相频特性
A
B
C
c
2
arctg
B
20
- 汽车转向系统动力学
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
21
4-2 汽车操纵稳定性工程分析方法
计及悬架、转向等影响因数的汽车操纵稳定性分析
- 汽车转向系统动力学
26
4-2 汽车操纵稳定性工程分析方法
回正力矩变形转向引起的车轮转向角，(º /g)
D gi TZ 100 T
T
回正力矩变形转向系数
不足转向量 稳定性因数
U＝D1－D2
K＝U/(57.3 gL)
- 汽车转向系统动力学
27
4-2 汽车操纵稳定性工程分析方法
侧向力变形外倾引起的侧偏角，(º /g)
D ci FZ 1000 k k FY g
F y
侧向力变形外倾系数
轮胎回正力矩引起前、后轮侧偏力的变化而产生的侧偏角Ddi
D d 1 D a 1( E2 bk
2
)
Dd2 (
E1 bk
1
)
E回正力矩系数( Nm/rad)
- 汽车转向系统动力学
1
4-1 概述
客观评价法：用测试仪器测物理参数 GB6323-86试验
蛇形试验
方向盘转角阶跃输入试验 方向盘转角脉冲输入试验
转向回正性能试验
转向轻便性试验 稳态回转试验
GM 试验
Control Response Test Frequency Response Test Maximum Lateral Accelaration Test On-center Handling Test
直线行驶稳定性（包括转向回正能力、侧风敏感性、路面不 平敏感性等）
行车变道的操纵性
转弯稳定（包括转向的准确性、固有转向特性、转弯制动特 性等）
操纵负荷
多弯道路段上汽车总特性的评价。
汽车的乘坐操纵舒适性（空间、力度等，如踏板、手柄）
- 汽车转向系统动力学
6
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 人数：不少于20，有经验、有文化 的普通驾驶员 路：L>50Km,Vmax不小于最高车速的70％ 车辆：正常 主观评分：如5级分制：5，4，3，2，1 ，对应于 很好，较好，中等，较差，很差。 NT=(l*wl+c*wc+R*wr+S*ws+F*wf)/5
侧风作用时的转向特性
侧风力系数
C
y
C y
横摆风力矩系数
CM CM
常数概括为系数
K C A 2 y
- 汽车转向系统动力学
32
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 K v r
2
横摆风力矩
M
K ev r
2
e CM L C y
e1
Fy1’
mg
e2
Fy2’
a
a-e1
b
b+e2
L
- 汽车转向系统动力学
25
4-2 汽车操纵稳定性工程分析方法
侧倾转向引起的车轮转向角，(º /g)
Y
D ei
g
侧倾转向系数
侧向力变形转向引起的车轮转向角
FZ
FY
D
fi
1000 F Y
侧向力变形转向系数
评价指标
瞬态响应的品质参数
固有频率ω0 阻尼比ζ
0
mu ( ak 1 bk 2 ) muI
2
z
L k1k 2 u L u k1k 2 mI
z
2
1 Ku
2
m a k1 b k 2 I z k1 k 2
2
2L
mI z k 1 k 2 (1 Ku )
3
4-1 概述
r1
T
1 . 05 r 0
r0
r (t )
0 . 95 r 0
sw
转向盘转角
sw 0
t t
100 % 超调量
r 0 稳态横摆角速度
r 1 最大横摆角速度
反应时间
峰值反应时间
- 汽车转向系统动力学
r1 r0
稳定时间
4
4-1 概述
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
- 汽车转向系统动力学
10
4-2 汽车操纵稳定性工程分析方法
假设条件
☆ 忽略转向系的影响，以前轮转角作为输入； ☆ 汽车只进行平行于地面的平面运动，而忽略悬架的作用； ☆ 汽车前进（纵轴）速度不变，只有沿y轴的侧向速度和绕z 轴的横摆运动(ay<0.4g) ； ☆ 驱动力不大，对侧偏特性无影响； ☆ 忽略空气阻力；
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
运动微分方程
F T
Y
Z
- 汽车转向系统动力学
14
4-2 汽车操纵稳定性工程分析方法
评价指标
反映稳态特性的参量：不足转向量1－2，转向灵敏度 和汽车重心侧偏角。 时域反映横摆运动瞬态响应的参量：峰值反应时间和横 摆角速度超调量。
频域反映横摆运动瞬态响应的参量：固有频率，幅值比 和相位差。
- 汽车转向系统动力学
7
4-1 概述
实例
驾驶员对 14个车辆方案中的每 个方案进行汽车易操纵性的主观 评价，然后将14个车辆方案进行 主观排序。
方案
名 次 110Km/h
90Km/h
1 5
7
2 9
8
3 11
11
4 1
1
5 7
4
6 4
6
7 10
9
8 2
2
9 8
10
10 3
3
11 12 13 14 6
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