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
回主目录
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
回主目录
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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