汽车操纵动力学

汽车操纵动力学
汽车操纵动力学是一门研究汽车的性能表现和操纵技术的学科，它试图揭示驾驶员操纵车辆和车辆性能之间的不同部分之间的关系。

这个学科研究了汽车操纵时所需要的可视技术和力学系统。

它还研究了车辆操纵系统的性能，检测了不同类型车辆操纵系统的表现。

汽车操纵动力学是一门复杂而又广泛的学科，它结合了物理学、力学、机械学和经济学等诸多学科，以及汽车行业的最新技术，研究汽车操纵的动力学行为。

它既研究实验方法，又研究计算机仿真行为，对汽车操纵技术进行了深入的研究。

汽车操纵动力学研究了车辆在不同气候和道路条件下的性能。

车辆性能的方面包括转向、加速、制动和变速等。

汽车操纵动力学还研究了车辆的操纵结构，比如油门、刹车、转向、悬架等，以及汽车操纵的精度、灵敏度和稳定性等。

汽车操纵动力学研究了车辆的操纵系统的性能，比如刹车、悬架和转向等。

它还研究了车辆操纵系统的可靠性、耐用性和效率等性能。

它还研究了汽车操纵技术，比如驾驶员对车辆操纵的平衡能力，以及车辆操纵性能的检测和诊断技术等。

汽车操纵动力学是一门横跨多学科的学科，由现代汽车的发展，汽车操纵动力学也在持续发展。

它在汽车行业提供了重要的科学技术支持，有利于安全驾驶和更好的驾驶体验。

但同时，由于汽车操纵动力学研究内容的多样性，以及汽车系统复杂多变等因素，希望未来科学技术能更进一步发展汽车操纵动力学，提供更准确和实用的技术支
持，使车辆行驶安全可靠。

车辆操纵动力学摘要：汽车的前轮转角和横摆角速度是衡量汽车稳定性的两个重要指标。

汽车在行驶过程中，由于路况的各种不确定因素，驾驶员可能会采取紧急制动和转向的行为来避免交通事故。

在此过程中汽车的操纵稳定性会起到关键性的作用，因此对于汽车的稳定性的分析必不可少。

本文建立了汽车线性二自由度汽车模型，以前轮转角为输入，运用MATLAB进行时域分析。

对不同车型的在相同行驶速度、相同前轮转角下分析横摆角速度瞬态响应；在相同行驶速度下，在不同前轮转角输入下分析达到相同加速度的横摆角速度瞬态响应；随着车速增加，分析车辆瞬时转向响应与系统特征根之间的关系。

关键词：横摆角速度；前轮转角；特征根引言车辆稳定性控制是汽车主动安全领域研究的热点，已有的研究如以车辆横摆角速度、质心侧偏角、轮胎的滑移率、侧向加速度及这些变量联合作为控制变量的控制策略研究。

本文主要考虑车辆横摆角速度和前轮转角对车辆操纵稳定性的影响，进一步利用MATLAB得出状态空间矩阵的特征根变化趋势，了解车辆瞬时响应与其之间的关系。

1建立汽车数学模型假设汽车的驱动力不大，不考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的影响，没有空气动力的作用，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以及轮胎回正力矩的作用。

汽车模型即可简化为线性二自由度模型，如图1。

图1 线性二自由度模型根据假设以及图1模型，二自由汽车收到的外力沿y轴方向的合力与绕质心的力矩和为：⎩⎨⎧-=∑+=∑2121cos cos Y Y Z Y Y Y bF aF M F F F δδ (1) 式中，FY1、FY2为地面对前后轮的侧向反作用力；δ为前轮转角；a 、b 分别为汽车前、后轮至质心的距离。

汽车前、后轮侧偏角与其运动参数有关，如图1所示，汽车前、后轴中点的速度u 1、u 2，侧偏角为α1、α2，质心的侧偏角为β，β=v/u 。

ξ是u 1与x 轴的夹角，其值为：uawu aw v r r +=+=βξ (2) 根据坐标系规定，由式（2）得，前、后轮侧偏角为：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=-+=--=u bw u bw v uaw r r r βαδβξδα21)( （3） 考虑到δ角较小，前、后轮所受到的侧向力与相应的侧偏角成线性关系，则FY1、FY2为：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⋅-=⋅=⋅-+=⋅=cru bw cr a FY cf uaw cf a F r r Y )(2)(211βδβ （4） 将公式（2）、（3）、（4）以及公式β=v/u 带入（1），消去α1、α2，得二自由度汽车运动微分方程为：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+----=---+-=+δδr r r f r f r Z f r r f r aC w u C b C a v u bC aC w I C w ubC aC v u cr cf uw v m 22)( （5） 2 MATLAB 系统仿真本文采用MATLAB 对汽车的操纵稳定性进行仿真研究。

可编辑修改精选全文完整版汽车动力学学习总结严格地说，车辆动力学是研究所有与车辆系统运动有关的学科。

它涉及的范围很广，除了影响车辆纵向运动及其子系统的动力学响应（如发动机、传动、加速、制动、防抱死和牵引力控制系统等方面的因素）外，还有车辆在垂向和横向两个方面的动力学内容，即行驶动力学和操纵动力学。

行驶动力学主要研究由路面的不平激励，通过悬架和轮胎垂向力引起的车身跳动和俯仰以及车轮的运动；而操纵动力学研究车辆的操纵性，主要与轮胎侧向力有关，并由此引起车辆侧滑、横摆和侧倾运动。

1轮胎动力学轮胎是车辆重要的组成部分，直接与地面接触。

其作用是支承整车的重量，与悬架共同缓冲来自路面的不平度激励，以保证车辆具有良好的乘坐舒适性和行驶平顺性；保证车轮和路面具有良好的附着性，以提高车辆驱动性、制动性和通过性，并为车辆提供充分的转向力。

所以轮胎动力学的研究对于整车动力学研究具有重要意义。

轮胎的结构特性很大程度上影响了轮胎的物理特性。

所以轮胎模型的建立对于车辆轮胎动力学特性的研究具有重大影响。

轮胎模型描述了轮胎六分力与车轮运动参数之间的数学关系，轮胎模型在特定工作条件下的输入量有纵向滑动率s侧偏角α径向变形ρ车轮外倾角γ车轮转速ω转偏率φ而输出量为纵向力F x侧向力F y法向力F z侧向力矩M x滚动阻力矩M y 回正力矩M z根据车辆动力学研究内容不同，轮胎模型可分为：1）轮胎纵滑模型主要用于预测车辆在驱动和制动工况时的纵向力滚动的车轮产生的所有阻力为车轮滚动阻力，主要包括轮胎滚动阻力分量、道路阻力分量和轮胎侧偏阻力分量。

其中车轮滚动阻力包括弹性迟滞阻力、摩擦阻力和风扇效应阻力；由不平路面、塑性路面和湿路面的道路情况引起的阻力成为道路阻力；侧向载荷和车轮定位引起的侧偏阻力。

2）轮胎侧偏模型和侧倾模型主要用于预测轮胎的侧向力和回正力矩，评价转向工况下低频转角输入响应。

影响轮胎侧向力的三个重要的因素是侧偏角、垂向载荷和车轮外倾角。

在车辆操纵动力学模型中轮胎模型的研究一、轮胎力学特性和建模的研究历史与现状轮胎动态特性的研究可以追溯到上个世纪三十年代，Bradly和Allen（1931）为了研究汽车的动态特性，开始涉及到轮胎的动态特性。

接着又有很多科学家致力于轮胎动态特性的研究，德国的Fromm（1941）对轮胎结构进行了简化，推导出了描述轮胎侧偏特性的简单理论模型，第一次对轮胎的侧偏特性进行了理论研究。

Fiala（1954）在弹性“梁”模型的基础上，建立了侧向力，回正力矩与侧偏角和外倾角的关系。

在以后的几十年中，Fiala的理论模型得到了进一步的研究和改进。

Frank（1965）在Fiala理论模型的基础上，把胎体看作一个受弯曲的梁，研究了胎体弯曲对轮胎特性的影响。

从六十年代开始，Pacejka将胎体的变形简化为受拉的“弦”，对轮胎的静态和动态特性进行了大量的理论和试验研究。

并在后来（1989，1991）对模型进行了进一步的改进和发展，形成了著名的“Magic Formula”模型。

Sharp（1986）提出了轮辐式轮胎模型，将轮胎看作完全由相同的径向轮辐组成，这些轮辐与轮毂连接在一起，而且具有弹性。

轮辐的周期性变化会导致迟滞损失。

建立了与实际相当吻合的轮胎模型。

九十年代初，随着汽车先进底盘控制技术，虚拟原型设计以及计算机辅助工程等先进技术的飞速发展，轮胎的动态力学特性研究受到了广泛的重视。

有很多科学家致力于动态特性的研究，也得到了飞速的发展。

我国郭孔辉教授领导的科研小组二十几年来一直致力于轮胎力学特性的理论和试验研究，自行开发了具有多种功能的轮胎力学特性试验台，并利用该试验台在试验研究和理论研究上取得了重大突破。

郭孔辉教授(1986)建立了具有任意印迹压力分布的轮船侧偏特性简化理论模型。

并在该模型基础上先后推导出了纵滑侧偏特性简化理论模刑(1986)，用于汽车转向，制动与驱动动态仿真的统一模型（1986），并在大量试验和理论研究的基础上提出了一种适用于较大载荷和侧偏角变化范围的轮胎侧偏特性半经验模型（1986)。

3 汽车的操纵稳定性目录3 汽车的操纵稳定性 03.1 自由刚体运动微分方程 (1)补充知识：自由刚体的运动（摘自《理论力学》上册） (1)（一）建立坐标系 (3)（二）汽车上任一点的运动方程 (5)（三）汽车运动的动力学方程 (8)3.2 线性二自由度汽车运动微分方程及分析 (11)（一）运动微分方程 (11)（二）稳态响应分析 (13)（三）瞬态响应分析 (17)3.3 车厢侧倾分析 (19)（一）车厢的侧倾轴线 (19)（二）悬架的侧倾线刚度 (22)（三）悬架的侧倾角刚度 (25)（四）车厢的侧倾角 (26)（五）车厢侧倾后垂直载荷在左、右侧车轮上的重新分配 (29)（六）车厢侧倾对转向系统的其它影响 (32)3.4 线性三自由度汽车运动微分方程分析 (35)（一）三自由度汽车运动微分方程 (35)（二）稳态响应 (43)（三）瞬态响应 (43)3.5 前轴和转向轮摆振方程 (47)（一）前左轮主销的摆动方程 (47)（二）前右轮主销的摆动方程 (52)（三）前轴绕纵轴的摆动方程 (52)3汽车的操纵稳定性操纵稳定性定义（两个方面）：a 、汽车能遵循驾驶员通过转向系及转向车轮给定的方向行驶；b 、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。

汽车的操纵稳定性是决定高速汽车安全行驶的一个主要性能，也称为“高速车辆的生命线”。

3.1 自由刚体运动微分方程补充知识：自由刚体的运动（摘自《理论力学》上册）工程中，有一些刚体，如飞机、火箭、人造卫星等，它们在空间可以作任意的运动，这样的刚体称为自由刚体。

为了确定自由刚体在空间的位置，取定坐标系oxyz 和与刚体固结的动坐标系0x y z ''''，如下图所示。

只要确定了动坐标系的位置，刚体的位置也就确定了。

动坐标系的原点o '是任意选取的，称为基点。

在基点上安上一个始终保持平动的坐标系o ξηζ'，则自由刚体的运动可分解为随基点的平动和绕基点的转动。

第五章 汽车操纵动力学 授课章节第五章 汽车操纵动力学 授课人 吴光强职称 教授 教学目的 通过教学，使学生达到以下要求：1．了解汽车操纵稳定性的基本概念、研究方法和研究内容；2． 理解进行汽车操纵稳定性分析所需要的各种坐标系； 3． 掌握基于两自由度模型的汽车操纵稳定性分析方法；4． 熟悉汽车操纵稳定性和悬架各参数的关系；5． 熟悉载荷等因素对汽车操纵稳定性的影响；6．了解侧风对汽车操纵稳定性的影响。

教学重点1．汽车操纵稳定性的研究方法和研究内容；2．汽车操纵稳定性分析所需要的各种坐标系；3．基于两自由度模型的汽车操纵稳定性分析方法； 4．汽车操纵稳定性和悬架各参数的关系；5．熟悉载荷等因素对汽车操纵稳定性的影响。

重点与难点 教学难点 1．基于两自由度模型的汽车操纵稳定性分析方法； 2．汽车操纵稳定性和悬架各参数的关系；3．载荷等因素对汽车操纵稳定性的影响。

教学方法综合运用启发式教学、多媒体教学、案例教学及问题教学等方法 教学手段 采用幻灯片教学，多媒体教学，注重对汽车操纵稳定性基本概念的讲解的同时，增加学生的感性与理性认识。

教学内容学时数 §3.1 概述§3.2 汽车操纵稳定性的研究方法和研究内容§3.3 汽车操纵稳定性模型建立的坐标系 2 §3.4 基于两自由度模型的汽车操纵稳定性分析 2§3.6 汽车操纵稳定性和悬架的关系 2教学过程时间分配 §3.7 载荷等因素对汽车操纵稳定性的影响§3.8 侧风对汽车操纵稳定性的影响2 教学过程设计主要教学环节及其设计如下：第一节 概述教学路线及措施： 1．首先介绍操纵性和稳定性的概念，再把二者结合起来，形成汽车操纵稳定性的概念；2．重点讲述一下汽车操纵稳定性的各个评价指标，使学生对汽车操纵稳定性有更深的理解。

第二节汽车操纵稳定性的研究方法和研究内容教学路线及措施：1．汽车操纵稳定性的研究方法有单纯以汽车为对象的开环特性研究方法，也有把驾驶员和汽车作为一个整体研究的闭环方法，后一种方法目前得到了更多和普遍的应用；2．汽车操纵稳定性的研究内容很广泛，有操纵性方面的内容及评价参量，也有稳定性方面的内容及评价参量，要分别讲述。

2014年3月15日1汽车理论中“汽车操纵稳定性”定义是指汽车在驾驶员不感到过份紧张、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（1）操纵性和稳定性的含义和区别（2）整车受总成部件的影响驾驶操纵，转向盘至车轮的角传递特性和力传递特性；除转向系统之外，与轮胎、悬架、整车轴荷分配等多种因素有关（3）汽车对操纵稳定性的需求促进总成结构和功能的不断发展与创新汽车动力学分类垂向动力学：振动动力学，平顺性、乘坐舒适性有关( 30 Hz) 纵向动力学：加速和制动性能有关 侧向动力学：操纵稳定性有关运动动力学相互影响第一章绪论前言意义（从汽车安全角度） 1.1 操纵稳定性研究概念1.2 操纵稳定性目的意义1.3 操纵稳定性的研究方法1.4 操纵稳定性研究历史1.5 主要内容1.6 主要参考资料第一章绪论随着社会的发展，汽车技术的进步，高速公路的发展，交通运输业呈现出车辆的高速化、驾驶人员非职业化和车流密集化的趋势。

与此同时，交通事故巨增，并成为社会公害之一据统计，自1889年世界上发生第一起车祸死亡事故，一个多世纪以来，已有3500多万人死于车祸。

每年有超过100万人死于道路交通事故50秒就有1人死亡，2秒就有一人受伤社会第一公害””道路交通事故已成为“社会第一公害中国汽车工业协会发布了2013年全年全国汽车工业产销数据。

12月，汽车产销形势总体稳定，月度环比和同比呈小幅增长。

2012年，汽车产销双双超过2100万辆，同比增幅略高于上年。

年产销创历史新高，再次刷新全球记录，连续五年蝉联世界第一。

自有机动车道路交通事故死亡记录以来，全世界死于道路交通事故的人数已超过死于道路交通事故的人数已超过22002200万人；万人；二次世界大战死亡人数约二次世界大战死亡人数约55005500--60006000万人（其中：万人（其中：军人约军人约26002600万人左右）万人左右）交通安全已经成为当今世界一个严重的社会问题 20092009年全世界每年因交通事故死亡的人数逾年全世界每年因交通事故死亡的人数逾120120万人万人，，受重伤住院者受重伤住院者300300万万，受伤总人数达受伤总人数达10001000余万人余万人，，造成的经济损失约达造成的经济损失约达50005000亿美元亿美元。