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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。
车辆系统动力学
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。
两者的区别：操纵性指汽车的运动参数能否及时而准确的遵循驾驶员主观意图而变化，也就是指汽车在驾驶员的操作下，其实际运动参数与驾驶员的要求接近的程度以及渐进过程的时间长短。而稳定性指汽车在外部因素作用下汽车能保持或者自行迅速恢复原来的运动参数的能力，也就是指汽车经过外部的干扰后，其实际运动参数的接近程度及渐进过程的时间长短。
第一节 概述
一、汽车操纵稳定性所包含的内容
把汽车作为一控制系统，求出汽车曲线行驶的时域响应与频域响应，并以他们来表征汽车的操纵稳定性。
时域响应：汽车在转向盘输入或外界侧向干扰输入下的侧向运动相应。 转向盘输入有两种形式：
?给转向盘作用一个角位移—角位移输入（角输入）
给转向盘作用一个力矩—力矩输入（力输入） 这两种输入是同时加入的
?外界侧向干扰输入主要指侧向风与路面不平产生的侧向力
?转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应及转向盘角阶跃输入下的瞬态响应：汽车操纵
性的转向盘角位移输入下的时域响应。
?横摆角速度频率响应特性：转向盘转角正弦输入下，频率由0→∞时，汽车横摆角
速度与转向盘转角的振幅比与相位差的变化图形。
?转向盘中间位置操纵稳定性：转向盘小转角、低频率正弦输入下高速行驶时的操纵
稳定性。
?转向半径：机动灵活性。
?转向轻便性：转动转向盘轻便程度。
?直线行驶性能：操纵稳定性的另一个重要方面。
?典型行驶工况性能：通过某种模拟典型驾驶操作的通道的性能。
?极限行驶性能：汽车在处于正常行驶与异常危险运动之间的运动状态下的特性。
汽车操纵稳定性的基本内容和评价所用的物理参量 基本内容 1.转向盘角阶跃输入下进人的稳态响应——转向特性 102
主要的评价参量 稳态横摆角速度增益——转向灵敏度 反应时间、横摆角速度波动的无阻尼圆频率 转向盘角阶跃输入下的瞬态响应 2．横摆角速度频率相应特性 3. 转向盘中间位置操纵稳定性 4.回正性 5.转向半径 6.转向轻便性 原地转向轻便性 低速行驶转向轻便性 高速行驶转向轻便性 7．直线行驶性能 直线行驶性、侧向风稳定 性、路面不平度稳定性 8 ．典型行驶工况性能 蛇行性能、移线性能、双 移线性能—回避障碍性能 9 ．极限行驶能力 圆周行驶极限侧向加速度 抗侧翻能力 发生侧滑时的控制性能 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 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 最小转向半径 转向力、转向功 转向盘转角和 侧向偏移 侧向偏移 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 回至原来路径所需时间
图示固结于汽车上Oxyz直角动坐标系即车辆坐标系
车辆系统动力学
整车座标系的建立：xOz面处于汽车左右对称的平面内；
x轴：平行地面指向前方；y轴：指向驾驶员的左侧；z轴：通过质心指向上方；原点O与质心重合。
u——前进速度（质心速度x轴分量）；v——侧向速度（质心速度y轴分量）；w——垂直速度（质心速度z轴分量）；ωp——侧倾角速度（车厢角速度在x轴的分量）；ωq——俯仰角速度（车厢角速度在y轴的分量）；ωr——横摆角速度（车厢角速度在z轴的分量）。
以上与操纵稳定性有关的主要运动参量为：ωr横摆角速度；v侧向速度；ay侧向加速度（质心加速度在y轴上的分量）
时域响应分为：不随时间变化的稳态响应；随时间变化的瞬态响应
例如 稳态响应：a.汽车等速直线行驶 ；b.转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应(即给汽车以转向盘角阶跃输入，经短暂时间后便进入等速圆周行驶）。
瞬态响应：转向盘角阶跃输入下的瞬态响应（即等速直线行驶与等速圆周行驶这两个稳态运动之间的过渡过程）。
汽车的等速圆周行驶，即汽车转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应，一般称为汽车的稳态转向特性。
不足转向 δsm不变，随ua增大，R增大 中性转向 δsm不变，随ua增大，R不变
过多转向 δsm不变，随ua增大，R减小
常用转向盘角阶跃输入下的瞬态响应来表征汽车的操纵稳定性。如图，为转向盘角阶跃输入下的汽车瞬态响应曲线。可见，横摆角速度ωr→过渡过程（瞬态）→稳态横摆角速度ωr0它具有如下几个特点：
（1）时间上的滞后τ—反应时间 τ短，转向响应迅速、及时；否则，转向迟钝。也有用达到第一峰值的时间ε来表示。 （2）执行上的误差
ωr1—最大横摆角速度 ωr1常大于稳态值ωr0，ωr1 /ωr0×100%超调量，表示执行指令误差大小，ωr1—最大横摆角速度，ωr1常大于稳态值ωr0，ωr1 /ωr0×100%表示超调量，表示执行指令误差大小
（3） 横摆角速度的波动 ωr以频率ω在ωr0值上下波动， ω—波动频率，决 于汽车动力学系统结构参数
（4） 进入稳态所经历的时间 σ—稳定时间，即ωr达到稳态值95%~105%的时间。
个别汽车的横摆角速度ωr不收敛：ωr→∞ r→0,导致侧向滑移或翻车，可见，
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