PAGE山東理工大學教案第17次課教學課型：理論課□實驗課□習題課□實踐課□技能課□其它□主要教學內容（注明：重點#難點）：教學目的要求：教學方法和教學手段：教師采用多媒體進行課堂講授討論、思考題、作業：參考資料：1、3、相關汽車專業雜志；4、網上相關資料；講稿內容備注§5汽車的操縱穩定性§5.1基本概念一、操縱系統欠佳的種種表現：1、飄：無指令時，汽車行駛飄浮；2、賊：不聽指令，左右亂闖，賊頭賊腦；3、晃：轉向時，行駛不穩；4、反映遲鈍：接到指令時，半天才反應；5、喪失路感：人員操縱車，無法感覺路面狀況；6、失去控制：指令失控。二、基本概念：1、操縱性：汽車在轉向時，按駕駛員的主觀愿望，改變原行駛方向；2、穩定性：外力干擾下能自動維持或恢復原來的運動狀態和方向，不發生側滑側翻的能力。實質上，操縱性和穩定性不是同一概念，書本上操縱穩定性是合在一起定義的：操縱穩定性：是指在駕駛者不感到過分緊張疲勞的條件下，汽車能遵循駕駛者通過轉向系及轉向車輪給定的方向行駛，且當遭遇外界干擾時，汽車能抗干擾而保持穩定行駛的能力。三、研究方法：1、開路控制系統：所謂開路控制系統是指我們研究汽車的操縱穩定性時，對于駕駛者而言，只能機械地急速轉動方向，并維持此角度不變，而不允許其根據汽車的轉向運動作出任何主觀地操縱修正動作。即：輸入信號汽車輸出信號（完全汽車本身結構與參數決定）此種方法完全反映的是汽車本身的固有特性，它可以通過建立數學模型，也可以使用測試設備在試驗中客觀進行測量。2、閉路系統：在實際的操作中，操縱穩定性的好壞，還是最終由駕駛員來評定，也就是說，操縱穩定性的好壞與駕駛者的操縱有密切關系，因此應將架車者與汽車共同作為統一整體來研究操縱穩定性，這就是人－汽車系統，下圖便簡要表明了人－汽車系統駕駛者與汽車的關系：在實際行駛中，我們駕駛者根據需要進行轉向，同時路面風向等也會影響汽車的行駛。當此動作進行完畢后，駕駛者交不是完全機械地駕駛，他會根據隨之出現的道路，交通等情況通過眼、手、身體來感知，經過判斷、分析來修正手中的方向盤，如此反復操縱汽車行駛，因此在人－汽車系統是一個閉路系統。由于駕駛者的反饋作用十分復雜，目前對于人－汽車閉路系統的研究還很不成熟，只處于試驗方法來測定實際的階段。盡管，人－汽車閉路系統能真實反映操縱狀況，但由于不同駕駛員的反饋作用，所以客觀性及再現性不如開路系統好，而且目前閉路系統的應用還處于只能對已有的車進行駕駛室，實驗來測試分析，而不能進行理論分析與計算來進行準確預測，所以產品開發階段還不能采用人－汽車閉路系統。所以在本書中，我們對汽車操縱穩定性的研究采用的是開路系統控制的方法。四、車輛坐標系的確定：車輛坐標系是用來描述汽車運動的，它是固結于運動著的汽車上的一個動坐標系。XOZ處于汽車左右對稱平面內；車輛在水平路面靜止狀態時，X軸平等于地面前方；Z軸通過質心指向上方；Y軸指向駕駛員左側，坐標系原點O與質心重合。在上圖我們標出了各種運動的速度及方向，與我們研究操縱穩定有關的為：車廂角速度在Z軸上的分量－橫擺角速度Wr；汽車質心速度在Y軸上的分量－側向速度V；汽車質心加速度在Y軸上的分量－側向加速度Wy等。五、汽車的時域響應：1、概念：汽車的時域響應可分為不隨時間變化的穩態響應和隨時間的變化的瞬時響應。汽車的等速直線行駛時，急速轉動方向盤，然后維持轉角不變，即給汽車以方向盤轉角階咶輸入，一般經短暫時間便進入等速圓周行駛，這也是一種穩態，稱為方向盤階躍輸入下進入的穩態響應。在等速直線行駛與等速圓周行駛兩穩態，運動之間的渡過過程是一種瞬態，相應的瞬態運動稱為方向盤角階躍輸入下的瞬態響應。2、穩態響應：汽車的等速圓周行臺，即汽車方向盤角附中輸入下進入的穩態響應雖不常出現，但卻是表征汽車操縱穩定性的一個重要時域響應故而稱為穩態轉向特性，它可分為三種類型：不足轉向，中性轉向和過多轉向。在方向盤保持一固定轉角下δδW，緩慢加速或改變車速時，汽車轉向半徑R增大的不足轉向（轉向程度不足），汽車轉向半徑R不變的為中性轉向；汽車轉向半徑R減少的為過多轉向；一般希望汽車具有一定的不足轉向（下面詳細講述）3、瞬態響應：瞬態響應與汽車的操縱穩定性好壞有密切關系，汽車方向盤角階躍輸入下的瞬態響應，常用來表征汽車的操縱穩定性。下圖即為急速給定方向盤一轉角δswo，并維持此轉角不變時的瞬間響應，它有如下特點（幾個特征量）：（1）時間上的滯后：汽車橫擺角速度在接到信號后，不能立即到達Wro，而是要有一個時間ι后，才能第一次達到Wro，這段滯后時間稱為反應時間，ι越短，駕駛者感到反映迅速，否則遲鈍，也有用達到第一峰值的時間ξ來表示反應時時間的；（2）執行上的誤差：最大橫擺角速度Wr1常大于穩態值Wro，Wr1/Wro×100%稱為超調量，它表示執行指令誤差的大小；（3）橫擺角速度的波動：在瞬態響應中，橫擺角速度Wr以頻率W在Wro值上下波動，波動周期T或頻率W決定于汽車動力學系統的參數，Wr值波動也會使轉向半徑R時大時小，給駕駛帶來困難；(4)穩態時間6：當Wr值達到穩態值Wro的95-105%之間的時間6稱為穩定時間，這段時間應盡是短些。個別汽車也可能出現Wr不收劍的情況，即Wr越來越大轉向半徑R愈來愈小，而導致汽車產生側滑或翻車，由此可見，瞬態響應包括兩方面的問題：一是行駛方向的穩定性，即給汽車以方向盤角階躍輸入后，汽車能否到達新的穩態狀況的問題；二是響應品質的問題，即達到新的穩態之前，其瞬態響應的特性如何。§5.2輪胎的側偏特性輪胎的側偏特性是輪胎的機械我的線成部分，本節主要討論輪胎在滾動時發生的側偏及輪胎的側偏特性，側偏特性主要是指側偏力，回正力矩與側偏角之間的關系，它是研究操縱穩定性理論的基礎。一、輪胎的坐標系：為了討論輪胎的機械特性，需要建立一個坐標系垂直于車輪旋轉軸線的輪胎中分平面稱為車輪平面，坐標系的原點O為車輪平面和地平面的交線與車輪旋轉軸線在地平面上的投影線的交點。車輪平面與地平面的交線取為X軸，規定向前為正，Z軸與地面垂直規定為正，Y軸在地平面上規定面向車輪前進方向時指向左方為正。如下圖所示坐標系中還標出了按輪胎坐標規定的正方向：ΔFX、FY、FZ：地面切向反作用力，地面側向反作用力，地面法向反作用力；ΔTX、Tz:正翻轉力矩，正回正力矩；Δ側偏角α：輪胎接地印跡中心（坐標原點）位移方向與X軸的夾角（圖為正）；Δ側傾角γ：垂直平面與車輪平面的夾角（圖為正）。二、輪胎的側偏和側偏力－側偏角曲線1、側偏力的產生：汽車行駛時，由于路面的側面傾斜，側向風或曲線行駛時的離必作用，車輪中心沿Y軸方向有側向力Fy，相應地面上將產生地面側向反作用力Fy，Fr稱為側偏力。2、Fy作用于剛性輪時：假設汽車輪胎為剛性輪胎時，則可能發生兩種情況：1）當Fy未超過車輪與地面的附著極限時，車輪與地面間無滑動，將保持其行駛方向；2）當Fy達到附著極限時，將沿著Fr方向產生側滑，有一側向滑動速度Δu，車輪將沿u與Δu的合成速度方向u′行駛。3、Fy作用于彈性輪時：當車輪有側向彈性時，即使Fy沒有達到附著極限，車輪行駛方向亦將偏離車輪平面的方向，此為輪胎的側偏。下面我們討論在垂直載荷為W的條件下，側向有彈性的車輪中心受到側向力Fy，地面有相應側偏力Fr后的兩種情況：1）車輪靜止時，由于車輪側向彈性，輪胎發生側向變形，輪胎胎面與地面接地印跡的中心線與車輪平面不重合錯開Δh，但仍平行于；2）車輪滾動時，接地印跡中心線不只是和車輪平面錯開一定距離，而且是不再與平行，與夾角α即為側偏角，車輪沿滾動。為清楚說明角α的成因，我們具體分析一下車輪滾動過程，在輪胎面中心線上標出A1，A2，A3，A4……各點，隨車輪滾動，各點依次落于地面上相應的A1′，A2′，A3′，A4′……在主視圖上可見，胎面上A1，A2，A3，A4……各點連線為一斜線，因此它們落在地面相應各點A1′，A2′，A3′，A4′……的連線，并不垂直于車輪旋轉軸線，即與車輪平面的延長線有夾角α，當輪胎與地面無側向滑動時A1′，A2′，A3′，A4′……的連線就是接地印跡的中心線，即車輪滾動時的痕跡，車輪沿∝滾動，顯然，側偏角α的大小與Fy有關，即與側偏力Fy有關。4、側偏力－側偏角曲線側偏角不超過30－50時，Fy與α在線性關系，在汽車正常行駛時，側向加速度不不超過0.4g，側偏角不超過40－60可以認為Fy與α成線性關系；Fy－α曲線在α=0的低斜率稱為側偏剛度k，k單位為N/rad或N/(0)；側偏剛度k是決定操縱穩定性的重要輪胎參數，k值（絕對值）增加,則操縱穩定性增加，k值受道路條件限制FyFф。小型轎車輪胎的K值約在-28000——-80000N／rad范圍內。側偏剛度是決定操縱穩定性的重要輪胎參數。輪胎應有高的側偏剛度(指絕