操纵稳定性论文 2.docx
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操纵稳定性论文2
汽车操纵稳定性的研究
摘要:
汽车操纵稳定性是决定汽车安全行驶的一个主要性能,本文主要论述了汽车操纵稳定性的研究进展及其影响因素,然后通过试验(稳态回转试验、转向回正试验等等)对汽车操纵稳定性进行定性测定和评价,并提出了汽车操纵稳定性研究存在的问题及发展前景。
关键词:
汽车;操纵稳定性;影响因素;评价;试验
TheResearchoftheVehicle
HandlingandStability
Abstract:
Thevehiclehandlingandstabilityisdecidedtothesafetydrivingofamajorperformance,thispapermainlydiscussestheresearchprogressofthevehiclehandlingandstabilityanditsinfluencefactors,andthenthroughthetest(steady-statetest,turningbacktothepositivetest,etc.)onthevehiclesteeringandstabilityforqualitativedeterminationandevaluation,andputsforwardthevehiclehandlingandstabilitytheproblemsoftheresearchanddevelopmentprospects.
Keywords:
car;handlingandstability;influencingfactors;evaluation;test
引言
汽车操纵稳定性是指驾驶者在不感到过分紧张、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,汽车能抵抗干扰并保持稳定行驶的能力[1]。
汽车的操纵稳定性包含2个相互关联的不同部分:
操纵性和稳定性。
操纵性是指汽车能够确切地响应驾驶员转向指令的能力,稳定性是指汽车从非稳定状态恢复到稳定状态的能力,稳定性的好坏直接影响操纵性的好坏[2]。
汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度,而且是关系到汽车行驶安全的主要因素之一,是评价汽车性能优劣的重要因素之一,因此在车辆的开发过程中操纵稳定性试验是必不可少的。
1汽车操纵稳定性的研究进展
对汽车操纵稳定性的系统研究,早在20世纪30年代就已经开始。
对车辆控制的重视导致对悬架和转向机构的运动学研究。
20世纪50年代,建立了简单的汽车动力学模型,研究人员开始从事汽车动力学性能仿真,分析汽车操纵稳定性。
20世纪60年代,开始从控制理论和振动理论出发,采用开环系统瞬态响应、系统特性分析和系统稳定性理论设计汽车的总成系统。
到20世纪70年代,安全实验车(ESV)研究计划实施,促使人们去研究之中实用方法,用来设计汽车的动力学性能。
在此阶段车辆动力学仿真模型变得更加复杂和真实,这主要归功于计算机技术的发展[3]。
近年来,随着多体动力学的诞生和发展,汽车建模方法出现了新的改变。
由于对汽车模型的精确度要求越来越高,大型的多体系统动力学方程推导十分困难,因而通用的多体仿真软件(如ADAMS等)逐渐被应用。
随着道路的改善,特别是高速公路的发展,汽车以100
或更高车速行驶的情况是常见的。
现代轿车设计的最高车速一般常超过200
,有的运动型轿车甚至超过300
。
因此,汽车操纵稳定性日益受到重视,成为现代汽车的重要使用性能之一。
2汽车基本操纵模型
为了便于掌握操纵稳定性的基本特性,在此对一简化为线性二自由度的汽车参考模型进行研究[4]。
描述车辆运动的两自由度基本操纵模型是基于以下几点假设的:
(1)忽略悬架的作用,认为汽车车厢只作平行于地面的平面运动;即汽车沿z轴的位移,绕y轴的俯仰角与绕x轴的侧倾角均为零[5];
(2)忽略转向系统的影响,将输入直接施加与车轮;
(3)驱动力不太大,不考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的影响;
(4)忽略空气动力的作用;
(5)忽略左右车轮轮胎由于载荷的变化而引起轮胎特性的变化。
在此基础上建立模型如图1所示:
图1汽车的二自由度稳定性控制模型
这样,就把汽车简化成两轮车模型,它实际是一个由前后两个有侧向弹性的轮胎支承于地面、具有侧向及横摆运动的二自由度汽车模型。
基本操纵模型的最大问题是忽略了轮胎、悬架运动学等的影响,但是两自由度基本操纵模型的突出优点在于:
通过对模型响应物理意义上的解释,来间接反映上述因素对操纵稳定性的影响。
3汽车操纵稳定性的影响因素
3.1轮胎对汽车操纵稳定性的影响
轮胎作为汽车与路面唯一的连接部件,地面给车辆的全部作用力是通过它传给整车的,它主要作用是提供良好的行驶平稳性,并且保证汽车具有良好的操纵稳定性。
而轮胎在制造过程中,不可避免地会出现材质不均、尺寸外形不均等现象,组成轮胎的材料具有非线性、非压缩性、各向异性和粘弹性等许多特殊性质,导致轮胎在高速行驶旋转的情况下产生交变波动的径向力和侧向力,从而引起汽车的上下振动、左右跑偏、噪声等,影响汽车的操纵性、舒适度或平稳度,严重时会损坏汽车零部件,甚至引发交通事故。
因此研究轮胎对汽车操纵稳定性的影响具有举足轻重的意义。
汽车在行驶过程中,由于路面的侧向倾斜,侧向风或曲线行驶时的离心力等的作用,车轮中心沿Y轴方向将作用有侧向力FY,相应地在地面上产生地面侧向反作用力FY(如图2所示),这个作用力会使车轮出现侧偏现象。
轮胎的侧偏刚度决定了影响汽车操纵稳定性的重要轮胎参数。
轮胎应有高的侧偏刚度,以保证汽车良好的操纵稳定性。
轮胎的尺寸、形式和结构参数对侧偏刚度有显著影响。
尺寸较大的轮胎有较高的侧偏刚度,扁平率越小的宽轮胎侧偏刚度越高,轮胎气压对侧偏刚度也有显著影响[6]。
当汽车做直向行驶时,轮胎的受力如图2所示,即轮胎的六分力模型。
图2轮胎的坐标系与地面作用于轮胎的力和力矩
3.2悬架对汽车操纵稳定性的影响
3.2.1前轮定位参数对操纵稳定性的影响
前轮定位参数包括:
前轮外倾角、主销后倾角、主销内倾角和前轮前束。
(1)前轮外倾角
前轮外倾角是车轮中心平面和道路平面垂直线之间的夹角。
车辆转弯或者平衡横向干扰力时需要侧向力,以保证车辆在可操纵的范围之内,合理的车轮外倾角可以使车轮获得良好的转弯侧偏性能[7]。
(2)主销后倾角
为保证汽车具有良好的行驶稳定性,车轮都有一定的回正性能,这是由于轮胎承受回正力矩,主销后倾角可以使车轮获得回正力矩,该力矩产生一个与轮胎侧偏角相似的附加转向角,它与侧向力成正比,使汽车趋于增加不足转向,有利于改善汽车的稳态转向特性。
(3)主销内倾角
主销内倾角对操纵稳定性的影响,主要也是回正力矩,它是在前轮转动时将车身抬高,由于系统位能的提高而产生的前轮回正力矩,它与侧向力无关。
为达到良好的操纵稳定性要求,内倾角应随车轮的上跳而减小,随车轮的下跳而增加。
不过,为防止轮胎与路面间的滑动过大,内倾角增加一般不应太大。
(4)前轮前束
由于车轮外倾角的存在,导致两侧车轮向外运动,加速了轮胎的磨损。
前束可以弥补这一不利影响,车轮上跳时前束减小,下落时前束增大,对后悬架来说正好相反。
这样可以使汽车具有一定的不足转向特性,有利于操纵稳定性。
3.2.2横向稳定杆对操纵稳定性的影响
横向稳定杆常用来提高悬架的侧倾刚度,或是调整前、后悬架侧倾刚度的比值。
在汽车转弯时,它可以防止车身产生很大的横向侧倾和横向角振动,以保证汽车具有良好的行驶稳定性。
前悬架中采用较硬的横向稳定杆有助于提高汽车的不足转向度,能改善汽车的稳态回转性能和蛇行行驶性能。
3.3转向系对汽车操纵稳定性的影响
在汽车底盘中,专门用以控制汽车行驶方向的转向系是与操作稳定性关系密切的系统。
转向系在不同工况下对操纵稳定性有不同的要求,如:
在原地、小半径弯道低速行驶时,要防止转向盘过于沉重,还要有良好的回正性能;而在高速行驶时,转向盘力却不宜过小而应维持一定数值,以帮助驾驶者稳定驾驶。
实际上,转向系的变形转向要比悬架的变形转向大许多,转向系的刚度不够高时,会产生过大的不足转向量。
为了满足操纵稳定性的要求,特别是为了获得轿车在高速行驶时的“良好路感”,转向系的刚度应高些为好,尤其是转向盘中间位置小转角范围内应有尽可能高的刚度。
4汽车操纵稳定性的评价
汽车操纵稳定性是汽车本身的固有特性,完全取决于汽车的机构和参数。
假定对汽车输入一个操纵动作,汽车对应的输出一个响应,这样的开环系统直接体现出汽车的操纵稳定性。
但事实上,汽车操纵稳定性的优劣,不但取决于汽车本身的结构参数,还涉及驾驶员和道路交通环境等因素。
汽车的操纵稳定性最终应该由驾驶者来评定,操纵稳定性与驾驶者的操作特性是紧密相关的。
因此,操纵稳定性的研究对象应该是把驾驶者与汽车作为统一整体的系统,即驾驶员一汽车一环境闭环系统(如图3所示)[8]。
图3驾驶员一汽车一环境闭环系统
汽车操纵稳定性是通过试验来定性测定和评价的,在人一汽车系统中,有人的操纵和感觉,也有汽车操纵稳定性的体现,因此,汽车操纵稳定性的评价方法有客观评价法和主观评价法。
研究汽车本身特性的开路系统只采用客观评价法,但研究驾驶员一汽车一环境闭环系统的试验常同时采用客观评价与主观评价两种方法。
4.1客观评价法
客观评价是通过试验测量与操纵稳定性相关的物理量,如:
横摆角速度、侧向加速度、侧倾角及转向力等来评价操纵稳定性的方法。
下面对稳态回转、转向回正性、转向轻便性、瞬态响应(转向盘转角阶跃输入瞬态响应、转向盘转角脉冲输人瞬态响应)和蛇形等共5项试验进行评价,这些项目的评价基本上包括了有关汽车操纵稳定性方面的内容,其评价方法及评分方法基本合理。
下面具体分析汽车操纵稳定性现行评价指标的物理意义及内容。
4.1.1稳态回转试验
稳态回转试验包括中性转向点侧向加速度值、不足转向度和车身侧倾度3个评价指标。
汽车的转弯特性如图4所示,固定转向盘,转角随车速的不断加大(即侧向加速度不断增大),汽车的转弯特性有时也会发生变化。
中性转向点侧向加速度值越大,说明转向过程中汽车的操纵及安全稳定性越好,转向翻车的可能性越小;反之则说明汽车会过快地出现过度转向而导致翻车。
不足转向度k是对汽车不足转向“量”大小的评价,是车辆操纵稳定性的一个重要指标,是描述车辆不足转向与过度转向的关键。
如图2中所示,k>0时,称之为“不足转向”,汽车的转向半径增大;k=0时,称之为“中性转向”,汽车的转向半径维持不变;k<0时,称之为“过度转向”,汽车的转向半径则越来越小,操纵稳定性良好的汽车应具有适度的不足转向特性。
一般汽车不应具有过多转向特性或中性转向特性。
车身侧倾度指的是转向过程中车身的倾斜程度,汽车越大越不安全,倾斜过大将直接导致车辆失控。
图4汽车的转弯特性示意图
4.1.2转向回正试验
转向回正性的评价指标是松开转向盘3s时的残留横摆角速度绝对值△r和横摆角速度总方差Er。
△r的大小对应汽车转向后自动回正保持直线行驶能力的好坏,△r越小说明汽车转向后自动回正保持直线行驶的能力越好,Er的大小对应松开转向盘后回正的快慢,Er越小说明松开转向盘后自动回正越迅速。
典型的转向回正性△r曲线如图5所示[9]。
图5转向回正性△r曲线
4.1.3转向轻便性试验
转向轻便性是评价转动转向盘轻便程度的特性,转向轻便性的评价指标为绕“8”字行驶的转向盘最大操舵力和转向盘平均操舵力。
按照现行标准的评分方法和评价方法,转向盘的操舵力应越小越轻便,但太小后可能会出现操纵无手感的缺陷。
4.1.4瞬态响应试验
汽车的操纵稳定性同汽车行驶时的瞬态响应有着密切的关系,汽车对转向盘
角输入的响应是评价汽车操纵性的重要准则。
(1)转向盘转角阶跃输入瞬态响应试验
该试验评价的是汽车转向的反应灵敏度和整车随转向盘的随动性,响应时间越小说明转向灵敏度及整车随动性好。
通常最主要的评价依据是横摆角速度
,如图6所示。
图6转向盘角阶跃输入的汽车瞬态响应
左图中是以汽车横摆角速度
来描述汽车响应的,可以看出,给汽车以转向盘角阶跃输入后,汽车横摆角速度经过一过渡过程后达到稳态横摆角速度
。
此过渡过程即汽车的瞬态响应。
右图为一辆等速行驶汽车在t=0时,驾驶者急速转动转向盘至角度并维持此转角不变(即转向盘角阶跃输入)时的汽车瞬态响应。
(2)转向盘转角脉冲输入瞬态响应试验
转向盘转角脉冲输人瞬态响应试验评价的是汽车受到外来因素干扰时的反应,评价指标为谐振频率
、谐振峰水平
和相位滞后角
。
该项试验把整车看作一个系统,当受到外来因素干扰时,系统的
越高、
和
越小,则说明整车所受到的影响越小,抗干扰能力越强。
图7所示为转向盘转角脉冲输入时汽车的增益曲线及相位曲线。
图7转向盘角脉冲输入增益曲线和相位曲线
图中的增益曲线表明的是输出信号(横摆角速度)和输入信号(转向盘转角)的比值
随输入信号频率的变化关系,比值最大点对应的频率为谐振频率;相位曲线表明输出信号相对于输入信号的相位滞后角
随输入信号频率的变化关系。
4.1.5蛇形试验
蛇形试验的布置如图8所示。
汽车反复穿过所有的标杆,越快地穿过全程就说明汽车的蛇形穿杆能力越强。
蛇行试验的评价指标有:
转向盘转角、横摆角速度。
转向盘转角和横摆角速度越小,说明汽车绕桩时的操纵性和安全稳定性越好。
图8蛇形试验示意图
以上前四个试验项目基本包括了汽车的转弯特性及转向过程的安全稳定性、自动回正保持直线行驶的能力、转向的轻便性、操纵的灵敏度及随动性和外来因素对整车操纵稳定性影响大小等有关汽车操纵稳定性方面的内容。
而第五项蛇行绕桩试验更趋向于对汽车操纵稳定性的综合评价考核,其评价指标是平均横摆角速度峰值和平均转向盘转角峰值。
4.2主观评价法
汽车是由人来驾驶的,因此主观评价法始终是操纵稳定性的最终评价方法。
客观评价中采用的物理量是否可以表征操纵稳定性,就取决于用这些物理量评价性能的结果与主观评价是否一致。
有经验的测试者在进行主观评价试验时,还能发现仪器所不能检验出来的现象。
国外汽车大企业和研发单位都有自己的一套主观评价体系[10-12],都有经验丰富的主观评价人员进行车辆的主观评价工作,尤其是在底盘调校方面,一个出色的主观评价人员能提出很多宝贵的建议。
主观评价的主要评价项目有:
直线行驶特性(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、转弯稳定性(包括转向的准确性、固有转向特性、转弯制动特性等)以及操纵负荷等。
主观评价一般包括定性评价和定量评价两种。
定性评价是一种对多种汽车车型的相对排序;定量评价有两种:
一是采用相对分数法,即首先确定一参考样车,其他车型的主观评价分数都是相对于样车而言的;二是绝对分数法,即把主观评价的结果用数值化的评分等级表示。
但是主观评价也有部分缺点,缺点之一是,它受到评价者个人主观因素的影响,不同评价者可能给出差别较大的评价结果;其另一缺点是,一般情况下,它不能给出“汽车性能”与“汽车结构”二者之间有何联系的信息。
5研究存在的问题及发展趋势
5.1存在的问题
操纵稳定性的很多研究还处于探索和完善阶段。
由于操纵稳定性受研究目的、人为感觉及环境条件等多种因素影响,迄今为止,没有一个公认的、统一的和客观的评价体系和评价指标;由于汽车使用条件和使用要求都很复杂,特别是空气动力特性和各种阵风(特别是横向阵风)对汽车操纵稳定性的影响,整车参数和部件(特别是轮胎、悬架、转向系等)特性的选择对汽车操纵稳定性的影响等,还有不少没有被认识的领域。
汽车在接近侧滑状态下的运动特性与汽车的安全事故之间的关系这也是近年来着重研究的方向之一[13]。
5.2发展趋势
汽车操纵稳定性被称为“高速车辆的生命线”,它的研究是当前汽车在研究中的一个热门和前沿的课题。
汽车的操纵稳定性的研究对象是汽车—驾驶员—环境(道路)系统,影响的因素是复杂、多变的,需要采用各种新的理论、新的方法和新的技术对其进行研究,如果以上问题能得以解决,相信在“技术推动”和“需求推动”的作用下,汽车操纵稳定性的研究会越来越深入。
汽车技术的发展将会更上一层楼。
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