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
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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
12
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
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）
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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。