4 汽车横向动力学
汽车横向动力学的功能性目标包括哪些
汽车横向动力学的功能性目标包括哪些？一般来说，汽车横向动力学系统的功能性目标可以由机电系统的任务来定义。
今天我就从可控转向系统能实现的功能性目标来和大家谈一谈汽车横向动力学的功能性目标。
首先一点值得注意的是，可控转向系统的功能性目标可提高汽车的灵活性和转向舒适性。
其能实现的具体功能包括三点，即可变转向力矩，可变转向比，前馈转向等。
其中，可变转向力矩是能够适应车速的转向力矩，其主要的功能就是可以辅助来方便泊车，但是其有一个显著的缺点就是其不能在高车速的时候提供良好的反馈。
可变转向比可以提供适应车速的转向比，在低速的时候能有更小的转向角，在高速的时候能实现操作平滑；前馈转向能保证汽车转向盘在高速转动的时候，减少转向输入与车身动态之间的相位，从而使得车辆行动更加灵敏。
第二个就是能够提高车辆行驶稳定性。
具体可以从两个方面考虑，第一个就是汽车横摆率的控制，在紧急情况下控制横摆率，可以增加转向角和改变转向力矩；对干扰响应控制可以实现三个功能，即对开路面的横摆力矩补偿，侧风补偿以及减少道路干扰或者是改变汽车参数，比如负荷等。
第三个就是汽车驾驶辅助系统了。
其可以从两个方面进行综合考虑。
第一个就是车道线的辅助，其能实现的功能就是路径保持，换道辅助以及避撞等；第二个就是自动转向，其可以用在泊车辅助以及交通堵塞辅助，当然了，其也能用在自动驾驶上。
除了上述提到的功能目标外，横向动力学系统还必须兼顾安全性和易用性，同时还要具备高效，灵活，安静以及可维护的特点。
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车辆横向动力学
车辆横向动力学
车辆横向动力学（Vehicle Lateral Dynamics）是研究车辆在转弯、侧滑、抓地力分配等横向运动情况下的行为和特性的领域。
以下是一些与车辆横向动力学相关的重要概念：
1. 横向加速度（Lateral Acceleration）：车辆在转弯或侧滑时产生的横向加速度，用于描述车辆的横向运动能力。
2. 横摆角（Yaw Angle）：车辆绕垂直轴旋转的角度，用于描述车辆的横向姿态和转弯情况。
3. 横向力（Lateral Force）：车辆在转弯时由车轮与路面之间的摩擦力产生的横向力，用于提供车辆的横向稳定性和转弯能力。
4. 抓地力（Traction）：车辆轮胎与路面之间的摩擦力，用于提供车辆的牵引力和抓地力。
5. 滑移角（Slip Angle）：车轮转向角度与车辆运动方向之间的夹角，用于描述车轮与车辆运动方向之间的相对滑动情况。
6. 操纵响应（Handling Response）：车辆横向动力学对操纵输入的响应速度和稳定性，包括转向响应、侧滑角恢复等。
7. 横向稳定性（Lateral Stability）：车辆在转弯和侧滑情况下的稳定性，包括抓地力分配、侧滑角控制等。
车辆横向动力学的研究对于车辆的操控性能、驾驶安全性以及车辆稳定性的理解和改进都具有重要意义。
它对于车辆设计、悬挂系统调校、动力分配系统等方面有着重要的指导作用。
1/ 1。
车辆动力学理论在汽车设计中的应用研究
车辆动力学理论在汽车设计中的应用研究随着汽车产业的发展，人们对于汽车性能和安全性的需求越来越高，而车辆动力学理论正是保证汽车性能和安全性的重要基础。
因此，汽车设计师要熟悉车辆动力学理论，并将其应用到汽车设计中，以确保汽车的性能和安全性。
一、车辆动力学理论概述车辆动力学理论是研究车辆运动规律和控制方法的学科，它包括车辆运动的各个方面，例如加速度、制动、转向、悬挂、轮胎等等。
这些方面都会影响汽车的驾驶性能和安全性。
车辆动力学理论可以分为两个方面：纵向动力学和横向动力学。
纵向动力学主要研究车辆的加速和制动，横向动力学则研究车辆的转向性能。
通过了解车辆动力学理论，汽车设计师可以更好地掌握汽车的性能和安全性。
二、车辆动力学理论在汽车设计中的应用1. 汽车底盘设计底盘是汽车的支撑系统，它支撑汽车车身和发动机。
车辆动力学理论可以为汽车底盘的设计提供重要参考和指导。
例如，车辆动力学中的悬挂系统的设计可以确保汽车在行驶时保持更好的平稳性和舒适性。
根据车辆动力学理论设计的底盘系统还可以提高车辆的稳定性和操控性，使驾驶更加安全和舒适。
2. 轮胎设计轮胎是车辆动力学中最重要的组成部分之一，它是汽车与地面的唯一接触点。
根据车辆动力学理论的要求，车轮和轮胎的设计需要考虑轮胎的弹性、刚度、胎压等因素。
这些因素可以直接影响汽车的牵引力、制动性、操纵性和驾驶舒适性。
因此，在轮胎选型和设计时，车辆动力学理论是一个非常重要的参考。
3. 发动机和传动系统设计车辆动力学理论也可以帮助汽车设计师更好地设计发动机和传动系统。
例如，根据车辆动力学理论，发动机的输出功率可以通过控制油门开度、进气阀口、燃油喷射量等措施实现。
传动系统可以通过改变齿轮比、离合器和变速器等来改变发动机传递到车轮的扭矩。
这种改变可以影响汽车的加速和行驶性能。
4. 制动系统设计车辆动力学理论还可以为汽车制动系统的设计提供指导。
例如，车辆动力学理论要求汽车制动时需要产生足够的制动力，以防止汽车行驶过程中发生意外。
汽车横向动力学模型推导过程
汽车横向动力学模型推导过程汽车横向动力学是研究汽车在横向运动中的力学特性的学科。
它涉及到汽车在转弯、加速和制动等情况下所受到的力和力矩的分析。
本文将从人类的视角出发，描述汽车横向动力学模型的推导过程。
我们需要明确汽车在横向运动中所受到的力和力矩。
当汽车转弯时，轮胎与地面之间的摩擦力会产生一个向心力，使汽车向转弯中心运动。
这个向心力可以通过以下公式来描述：向心力= 车辆质量× 横向加速度。
我们需要考虑汽车在转弯过程中所受到的侧向力。
侧向力是指作用在汽车质心的一个垂直于行驶方向的力，它使汽车保持在曲线上运动。
侧向力的大小取决于轮胎与地面之间的摩擦力以及车辆的质量和横向加速度。
可以通过以下公式来计算侧向力：侧向力= 车辆质量 × 横向加速度 × 摩擦系数。
我们还需要考虑汽车在转弯过程中所受到的滚动力矩。
滚动力矩是由于汽车在转弯时轮胎与地面之间产生的摩擦力而引起的。
滚动力矩的大小取决于车辆的质量、横向加速度、轮胎与地面之间的摩擦系数以及汽车的重心高度。
可以通过以下公式来计算滚动力矩：滚动力矩 = 车辆质量 × 横向加速度 × 距离车辆重心的水平距离。
我们需要考虑汽车在转弯过程中所受到的侧滑角。
侧滑角是指汽车轮胎的实际行驶方向与理论行驶方向之间的夹角。
侧滑角的大小取决于轮胎与地面之间的摩擦力以及车辆的横向加速度。
当侧滑角过大时，轮胎与地面之间的摩擦力将减小，从而影响汽车的横向稳定性。
汽车横向动力学模型的推导过程涉及到向心力、侧向力、滚动力矩和侧滑角等力学特性的分析。
这些特性的大小取决于车辆的质量、横向加速度、摩擦系数和重心高度等因素。
通过对这些特性的分析，我们可以更好地理解汽车在横向运动中的力学行为，从而为汽车的设计和控制提供依据。
车辆系统动力学结构模型
2,4,6,8
1,3,5,7
34
客车系统动力学模型拓扑图（正视）
28
24
32
36
19 20
35
31
23
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26
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30
34
17 18
33
29
21
25
15,16
13,14
11,12
9,10
7,8
5,6
3,4
1,2
1-8 17-20 25-28 33-36
轮轨力 中央悬挂力 抗蛇行减振器阻尼力 牵引拉杆力
24
m 1000 kg, k 108 N/m, c 104 N s/m, t 10-4 , 0.5
(1):
x1 x0 x 0 0 t 2 0 x 1 x 0 0 t 0 x x 1 (mg cx 1 kx1 ) / m 1000 9.81/ 1000 9.81 x
10
车辆系统作用力描述
• 无间隙弹簧阻尼力描述 • 有间隙弹簧阻尼力描述 • 摩擦力作用力描述
11
无间隙弹簧阻尼力描述
c Mi k Mj
F F0 kx cv
12
有间隙弹簧阻尼力描述
Fx Kc
Fy Kc
X
x y x y
Y
13
摩擦力作用力描述
Fx x Fpz Fy y Fpz
后构架点头： I b b ( 2)
轮对垂向：
后构架垂向： mb zb(2) Fp (3) Fp (4) Fs (2) mb g
w(i ) Fw(i ) Fp(i ) mw g mw z
横向止档对车辆动力学行为的影响研究
横向止档对车辆动力学行为的影响研究横向止档对车辆动力学行为的影响研究引言：在汽车工程领域，对车辆动力学行为的研究一直都是一个重要的课题。
随着技术的不断发展，车辆的操控性能也在不断提高。
而横向止档作为一个重要的零部件，对车辆动力学行为有着重要的影响。
本文将会探索横向止档对车辆动力学行为的影响，并通过实验研究来支持理论分析。
一、横向止档的定义和作用横向止档是位于车辆传动系统中的一个关键部件，主要用于通过制动器将车辆的速度减低或停止。
传统的横向止档通常由制动盘和制动将组成，并通过踏板控制来实现。
横向止档的作用是通过摩擦力将车辆的动能转化为热能，达到减速和停车的目的。
二、横向止档对车辆动力学行为的影响1. 制动效果：横向止档对车辆的制动效果有着直接的影响。
制动盘与制动盘之间的摩擦力直接影响到车辆的减速性能。
摩擦系数的大小以及横向止档的设计和制造质量都会影响到制动效果的好坏。
2. 车辆稳定性：横向止档对车辆的稳定性也有着重要的影响。
在制动时，如果横向止档的制动力不均匀，容易导致车辆出现侧滑，影响车辆的操控性和行驶稳定性。
3. 制动磨损：横向止档对车辆的制动磨损同样有着显著的影响。
制动盘和制动将的材料以及制动操作的频率都会影响到横向止档的磨损情况。
如果制动盘和制动将的磨损过大，会导致制动效果下降，甚至引起制动故障。
三、实验研究为了验证横向止档对车辆动力学行为的影响，进行了一系列实验研究。
1. 制动性能测试：通过搭建制动性能测试台，测量了不同横向止档材料和摩擦系数下车辆的制动距离和制动时间。
实验结果表明，横向止档材料与摩擦系数对车辆的制动效果具有显著影响。
2. 车辆稳定性测试：通过车辆动力学模型模拟车辆在不同横向止档制动力下的操控性能，并在实际道路上进行测试。
实验结果表明，制动力不均匀会导致车辆的操控性下降，严重时甚至会引发侧滑。
3. 制动磨损测试：通过制动力和制动磨损的关系，测试了不同材料和制动操作频率下横向止档的磨损情况。
四轮转向汽车动力学建模
四轮转向汽车动力学建模四轮转向汽车是一种特别设计的轿车，通过其增加的后轮转向，可以改善车辆操控性，特别是在高速行驶时，更能帮助车辆在转弯时保持稳定性。
汽车动力学建模是关于汽车运动的物理学和工程学领域，由汽车设计师和工程师使用来处理汽车运行的一个重要方法。
下面，我们来了解一下建立四轮转向汽车动力学模型的步骤。
1.建立4-轮汽车运动学模型汽车运动学是描述汽车运动的物理学。
它包括位置、速度和加速度等向量对时间的变化规律的描述。
因此，在建立四轮转向汽车动力学模型之前，需要先建立汽车运动学模型。
首先，需要画出汽车运动的自由度图，通过这个图可以得到汽车的六个自由度。
然后依据相对位置和旋转角度，建立汽车的刚体模型。
在这个模型中，需要求出刚体的位移、速度和加速度。
2.建立4-轮汽车横向动力学模型建立四轮转向汽车的横向动力学模型非常重要。
这是因为在高速中行驶时，驾驶员需要处理车辆在转弯时的横向动力学问题。
而横向动力学模型可以通过使用线性轮胎模型描述汽车极限横向加速度的限制，来描述汽车在转弯时的动力学模型。
除了横向加速度，模型还包括横向质心位置，车辆横向速度以及所有轮的侧向力。
3.建立4-轮汽车纵向动力学模型汽车的纵向动力学是描述汽车在加速和制动时的物理学。
从这个角度，建立四轮转向汽车的纵向动力学模型可以处理车辆加速和制动时的动态行为。
模型包括刚体动力学和轮胎轴承特性，通过轮轴转矩和惯性力等描述汽车的动力学。
汽车纵向动力学采用的建模方法包括使用简单的百分比拟合动态性能测试数据，计算上升速度，牵引力和制动力等参数。
4.建立4-轮汽车转向动力学模型四轮转向汽车比普通汽车具有更好的转向性能。
其转向动力学是描述汽车在转向时的动态行为。
转向动力学模型主要包括前后悬架参数、车辆重量，以及转向时前后轮之间的差异。
这些参数一般可以通过车辆动态性能实验来获取。
模型中，各轮转角决定了转向动力学的结果，模型可以通过解方程组来描述轮胎侧向力和速度之间的关系。
4 汽车横向动力学
& ms (υ + V ⋅ γ ) = ∑ Fy
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第四章
汽车横向动力学
四、四自由度模型
为了研究转向系及悬架性能对汽车操纵运动的影响，可以 在线性二自由度模型基础上增加两个自由度：前轮绕主销转向 角和车身侧倾角。 侧向速度和 目的是： 横摆角速度 ① 计入前轮绕主销运动的惯性及阻尼，以及转向系的综合刚度； ② 计入悬架弹性、阻尼以及前、后轴侧倾转向效应的影响。 前轮摆振 假设 在二自由度模型假设前三条基础上，还有如下两点： ⑴ 忽略转向轮绕主销转动与整车运动及自身滚动间的藕合 效应，忽略转向盘至转向轮之间传动部件的惯性及阻尼； ⑵ 认为侧倾轴近似处于水平位置，悬架弹性处于线性范围。
IX IZ
I XZ
悬架上质量对车辆坐标系X轴的转动惯量 整车绕车辆坐标系Z轴的转动惯量
悬架上质量对车辆坐标系X轴、Z轴的惯性积
k1 k2
Cϕ1
IW
h ξ1′ ξ1 ξ2
Ef
两转向轮绕各自主销转动惯量之和 悬架上质量质心至侧倾轴距离 前轮侧向力对主销轴的力臂 前轮轮胎拖距 后轮轮胎拖距 前悬架侧倾转向系数 后悬架侧倾转向系数 转向轮绕主销的阻尼系数 转向系传动比
& & I wδ + CWδ = CS (
∑M γ& = ∑ M
∑F
y
x z
δ I w δ& + C W δ& = C S ( SW − δ ) − Y 1ξ 1′ i
z
r
& & & I X p + I XZr − MS hV(r + β ) = −(Df + Dr ) p − (Cϕ1 + Cϕ 2 − MS gh)ϕ
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这样可以得到一个四自 由度线性系统，以转向盘转
角 δ 为输入，以横摆角速 I z γ& = ∑ Mz 度 r 、重心处侧偏角 β 、车 δ 身侧倾角 φ 及前轮转向角 δSW I w δ& + C W δ& = C S ( SW − δ ) − Y1ξ 1′ i 为输出。 mV(r + & β) − MS & hp = Y1 +Y2 z w IZ & r + IXZ& p = (a −ξ1)Y1 − (b −ξ2 )Y2
1
第四章
汽车横向动力学
问题的提出：
随着科学技术的进步和人民生活水平的提高，消费者对 汽车安全性的关注越来越多，如何提高安全性是现代汽车研 究的重要课题之一。汽车的安全性主要包括两个方面：主动 安全性和被动安全性。 事故后安全和生态安全。 主动安全性－－如何通过车辆的设计尽量减少或避免交通事 故的发生； 被动安全性－－通过车辆的设计使车辆在发生事故时尽量减 小对乘员的伤害。 发展趋势－－电子控制装置应用于汽车，提高了汽车的主动
ErLeabharlann CWDri2009-10-19
第四章
汽车横向动力学
五、 多自由度汽车模型
空间的任意一刚体，都有六个自由度。因此，整个汽车共 有30个自由度 (注：只按车身和四个车轮) 。 汽车本身的特性，除前面列举的以外，还有如轮胎侧偏特 性对轮荷的依赖性，及对驱动力、制动力的依赖性，车轮的非稳 态特性，悬架机构的几何关系的非线性，车身的空气动力学特 性，欲分析这些特性对汽车运动的影响，必须建立多自由度的非 线性的汽车模型。 对这种多自由度汽车模型的利用，只有依靠计算机进行数 值分析，因此这种分析就不能像简单模型的理论分析那样，能得 到普遍适用的结论，而必须针对具体车型而给出有针对性的个别 适用的结论。
前轮摆振
假设
在二自由度模型假设前三条基础上，还有如下两点：
⑴ 忽略转向轮绕主销转动与整车运动及自身滚动间的藕合 效应，忽略转向盘至转向轮之间传动部件的惯性及阻尼； ⑵ 认为侧倾轴近似处于水平位置，悬架弹性处于线性范围。
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怎样确 定的？
实际上呢？ 为什么？
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第四章
汽车横向动力学
m s (& υ + V ⋅ γ ) =∑ F Ix p &= ∑ M x
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第四章
汽车横向动力学
& ms V −υ ⋅γ = ms (& υ +V ⋅γ ) =
(
) ∑F
∑F
x
y
∑M I γ& = ∑ M
&= Ix p
z
x z
& ms ( υ +V ⋅γ ) = & Izγ = ∑Mz
1 2 1 1 2 2
∑F
y
其中：
∑Fy= F y+ F y= Kα α + Kα α ∑Mz= LaFy − LbFy
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第四章
汽车横向动力学
半径为15～20m
1. 稳态回转
评价指标：中性转向点的侧向加速度、不足转向度和车厢侧倾度。 ① 中性转向点的侧向加速度
前、后桥侧偏角差与侧向加速度关系曲线上，斜率为零 处的侧向加速度。
② 不足转向度 前、后桥侧偏角差与侧向加速度关系曲线上侧向加速度 值为2m/s^2处的平均斜率。
ζ 稳定时间
t
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第四章
汽车横向动力学
转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应：等速直线行驶，急剧
转动转向盘，然后维持转角不变，即对汽车施以转向盘角阶跃 输入，汽车经短暂的过渡过程后进入等速圆周行驶工况。 转向盘角阶跃输入下的瞬态响应：等速直线行驶和等速圆周 行驶两个稳态运动之间的过渡过程所对应的瞬间运动响应。 稳态转向特性：不足转向、中性转向、过度转向。转向盘保 持一个固定转角不变，缓慢加速或以不同车速等速行驶时，不 足转向的汽车转向半径逐渐增大，中性转向的汽车转向半径不 变，而过度转向的汽车转向半径逐渐减小。
&− ( I y − I z )qγ = ∑ M x Ix p &− ( I z − I x ) pγ = ∑ M y Iy q I zγ& − ( I x − I y ) pq =
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V
υ
p
x
q
y
& ms (V −υ ⋅γ )= ∑Fx & ms ( υ +V ⋅γ ) = ∑Fy
r )ϕ &β) = −(Df + Dr ) p − (Cϕ1 + Cϕ2 − MS gh IX p r − MS hV(r + &+ IXZ&
& & Iwδ +CWδ = CS (
a V b Y2 = k2 (β − r − Erϕ) V ϕ &= p
δ SW −δ) −Y1ξ1′ i
Y1 = k1(β + r −δ − Erϕ)
1 2
前后轮胎侧偏角:
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第四章
汽车横向动力学
V
V 1
V2
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第四章
汽车横向动力学
& ms V −υ ⋅γ = ms (& υ +V ⋅γ ) =
(
) ∑F
∑F
x
y
∑M I γ& = ∑ M
&= Ix p
z
x z
& ms ( υ +V ⋅γ ) = & Izγ = ∑Mz
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第四章
汽车横向动力学
三、三自由度模型
当汽车不是匀速前进时，则x方向会有运动， 如加速或减速 情况下的转向运动，其运动方程为：
& ms (V −υ ⋅γ )= ∑ Fx ms (& υ + V ⋅γ ) = ∑ Fy
∑M I γ& = ∑ M
&= Ix p
z x
& ms (V −υ ⋅γ )= ms (& υ +V ⋅γ ) =
υ
V
B1
u
Lb La
X
α 12 δ 2
u1 = u2 = u
B u11 = u1－ 1 γ
u12 = u1 +
ν1 =ν + aγ ν2 =ν −bγ
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B1
2
2
u 21 = u 2－
B2 B2
2 2
γ
γ
γ
u 22 = u 2 +
ν 11 = ν 12 = ν 1
ν 21 = ν 22 = ν 2
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第四章
汽车横向动力学
下面我们了解一下汽车操纵稳定性几种试验及其评价指标，该 试验借助ADAMS软件仿真完成。
汽车时域响应分为稳态响应和瞬态响应。
？
r1
T
r0
r (t )
0.95 r0
1.05 r0
r1 × 100 % 超调量 r0
η ε
η 反应时间
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ζ
ε 滞后时间
V
υ
p
x
q
y
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第四章
M
MS
汽车横向动力学
整车质量 悬架上质量 前轮侧偏刚度 后轮侧偏刚度
前悬架弹簧侧倾刚度 后悬架弹簧侧倾刚度
IX IZ
IXZ
悬架上质量对车辆坐标系X轴的转动惯量 整车绕车辆坐标系Z轴的转动惯量
悬架上质量对车辆坐标系X轴、Z轴的惯性积
Cϕ1
k1 k2
IW
h ξ 1′ ξ1 ξ2
Ef
第一章
绪
论
汽车系统动力学的研究内容
1.
轮胎动力学
建立汽车纵向动力学、横向动 力学、垂向动力学的运动方程 和数学模型，分析汽车的加速 性能、制动性能、操纵稳定性 和平顺性及性能的评价、主要 影响因素和改善，并研究各种 控制方法。
2. 汽车纵向动力学 3. 横向动力学
4. 垂向动力学
5. 多刚体动力学
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两转向轮绕各自主销转动惯量之和 悬架上质量质心至侧倾轴距离 前轮侧向力对主销轴的力臂 前轮轮胎拖距 后轮轮胎拖距 前悬架侧倾转向系数 后悬架侧倾转向系数 转向轮绕主销的阻尼系数 转向系传动比
15
Cϕ 2
CS Y1 Y2
p
Df
转向系综合刚度 前轮侧向力 后轮侧向力 车身侧倾角速度
后悬架侧倾阻尼系数 前悬架侧倾阻尼系数
∑M
z
&= Ix p & Iz γ =
∑M ∑Mz
x
5
第四章
汽车横向动力学
二、两自由度汽车模型(即角位移输入下的响应 )
汽车只作平行于路面的平面运动，并考虑了轮胎侧偏特性。 假定：
1）汽车无垂直方向运动，也无绕y轴和x轴的俯仰和侧倾运动；
2）汽车作等速运动，不考虑切向力和空气动力的作用； 3）忽略转向系统影响，直接以前轮转角作为输入； 4）不考虑左右车轮由于载荷变化引起轮胎特性变化和回正力矩 的作用。 两轮摩托车模型具有侧向和横摆运动两自由度，则横向运动 方程可简化为：
安全性。
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请看动画吧！
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第四章
汽车横向动力学
4.1 汽车转向系统数学模型
一、 自由度分析 二、 二自由度汽车模型 三、 三自由度模型 四、 四自由度汽车模型 五、 多自由度汽车模型
主 要 内 容