1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1 研究的意义

持续高发并且越来越严重的雾霾，导致城市空气污染问题始终高居当下公众最关心的问题之一。各类污染物排放的逐步走高，最终致使造成空气污染首要因素的PM2.5逐渐攀升。由于PM2.5粒径小并富含大量有毒有害物质，且具有停留时间长、输送距离远的特点，因此吸入后，就很容易刺激并破坏呼吸道黏膜，损坏黏膜防御能力，最终致使上呼吸道感染等疾病的发生。

”雾霾”中的有毒颗粒主要来源于汽车尾气排放。其中最严重的有城市公交客车、大排量轿车和大型运输卡车等使用柴油作燃料的车辆，此外，虽然小型车使用汽油，但排放的气态污染物，如氮氧化物等遇到雾天，同样易于转化为二次颗粒污染物，更容易产生雾霾^[1-2]。

机动车的尾气是雾霾颗粒组成最主要的成分，最新数据显示，北京PM2.5中来自工业燃煤和生活燃煤的排放各占约18%和14%，居民日常生活及其他活动占约19%，机动车则更是占了高达23%^[3]。

因此，新能源汽车的研发与推广工作迫在眉睫，但是在对纯电动汽车和燃料电池汽车研究和探索的过程中，纯电动汽车电池技术以及燃料电池汽车燃料性能及安全等因素成为难以突破的束缚，而采用内燃机和电机作为动力源的混合动力客车以其燃油经济性较传统汽车提高30%-50%的优势获得各大汽车公司的青睐^[4]，它既能在优化了的控制策略下，使整车动力系统的工作效率达到最大，又能将尾气的排放控制在最低限度，更甚达到零排放的效果，这对从内燃机客车过渡到纯电动客车的意义非常重大。

混合动力客车在纯电动模式下工作，能减少污染物的排放并降低噪音，在传统内燃机驱动模式下工作，能输出充足有效的动力，它具有产业化和绿色环保等特点。

目前，对混合动力客车的研究，纵观国内外的研究成果，大多数学者主要集中在研究混合动力客车的能量管理、控制策略、燃油经济性及整车轻量化等方面^[5-10]，对于混合动力客车的操纵稳定性方面的研究和关注较少。因为传统的混合动力客车几乎都是由普通客车改装设计而来的，为了节约成本，去参照或借鉴普通客车的操纵稳定性能，极少对混合动力客车的操纵稳定性进行专门和独立的分析与研究。在传统客车改装设计成混合动力客车的这一过程中，车辆底盘乃至车身的结构、质量参数等都会发生一定的改变，因此会致使混合动力客车整车的操纵稳定性发生一定的变化，从而对混合动力客车的安全驾驶和操纵方便程度造成一定影响。为了保证优良的车辆操纵稳定性能，更为了保证安全，有必要对混合动力客车进行操纵稳定性方面的研究。本文的研究将主要放在混合动力客车操纵稳定性的分析与评价等方面。

2 国内外混合动力汽车操作稳定性研究现状

混合动力客车通常指在传统的燃油客车上，增加电机驱动系统，该系统配有两个或两个以上的动力源（包括电机），通过发动机和电机的控制系统，使这两个动力单元协调工作，从而有效地实现了对车辆的动力驱动和能量的最优分配原则，也满足了节能减排和高度自动化的要求^[11]，因此，无论在技术、经济方面，还是在环境方面，混合动力客车均有一定的优势。

汽车操纵稳定性对任何车辆来说都会遇到，对汽车驾驶方便程度也有重要影响，而且也是保证汽车安全行驶并需高度重视的一个主要性能^[12]。

2.1国外汽车操纵稳定性研究现状及发展概况

混合动力汽车的研究、探索及开发比较早，西方发达国家极其的重视技术研发和人才培养，通过不断地开发先进试验设备，不断地结合前沿的仿真分析软件工具，从而逐步掌握了混合动力核心技术，西方发达国家不论是技术成熟度还是研发经验都处于领先的地位，因此欧美、日本等国家相继推出混合动力样车或概念车，形成了一系列混合动力客车产品种类，同时，多款混合动力客车已经实现了批量生产和实地运营。如英国BAE系统公司串联式混合动力公交客车Daimler Orion VII NG。

日本丰田普锐斯混合动力电动汽车是混合动力领域开发比较早，也比较成功的一个典范。另外早在1997年，日本日野公司就率先开发出了世界上第一辆大型且高输出动力的混合动力客车，它可有效地降低二氧化碳与燃油的排放，平均每公升燃油可行驶4.10公里，明显地改善了燃油经济性，燃油经济性甚至达到了2015年的排放标准^[13-17]。如日野公司开发的新款混合动力客车Hino Selegao。

汽车工业世界排名遥遥领先的欧美、日本等发达国家，其汽车史已发展了数百年，在汽车操纵稳定性的研究方面起步早，在研发和人才方面投入大，因此研究成果显著，并已逐渐成熟，基础理论和科技水平都处在世界前沿。如下表所示为操纵稳定性发展历程及特点。

表1 操纵稳定性发展历程及特点

年代	发展特点	关键词
20年代	不同转向、临界转向、临界车速等车辆操纵稳定性的基本概念已为汽车工程师所掌握	基本概念
30年代后期	描述汽车稳态转向的汽车模型在实际中得到了应用	稳态转向
60年代初期	主要进行了操作稳定性的开环研究，讨论了汽车本身的不足转向与过多转向特性	开环研究
60年代以后	主要研究了汽车瞬态响应的分析，引入稳定性因数K	瞬态响应
70年代初期	首先对操纵稳定性进行了客观评价，指出了稳态响应特性、瞬态响应特性、回正特性和侧向滑移特性的安全容许极限	客观评价
70年代后期	开始利用驾驶员对车辆进行主观评价，主观评价方法由于考虑了驾驶员和环境的特点，逐渐提出了闭环的思想	主观评价
80年代初期	建立确定性驾驶员方向控制模型，研制了开发型驾驶模拟器	驾驶模拟器
80年代以后	进行闭环系统研究成为国际上发展的主要方向之一	闭环研究

2.2国内汽车操纵稳定性研究现状及发展概况

相关的混合动力技术研究起步比较晚，目前国内不论是国企如一汽、二汽等，还是私企如比亚迪、宇通、金龙等，都在进行相关混合动力客车产品的研发工作，并且相关企业己经掌握了一定的核心技术。如一汽”解放”CA6120URH1油电混合动力城市客车。宇通、金龙等混合动力客车也有部分型号产品投入了运营。但总体而言，国内混合动力客车的研究和发展扔然处于起步阶段，缺乏核心竞争力，未能实现产业化，为了得到全面的发展，需要更多的努力以及大量的工作^[18]。

汽车操纵稳定性研究起步比较晚，始于20世纪70年代，对汽车操纵稳定性的研究，无论是基础研究还是技术水平都处于较为落后的局面，同时，对操纵稳定性的研究起步于轿车等中小型乘用车，而对客车，乃至于混合动力客车的研究少之又少，往往都借助于轿车操纵稳定性的研究经验和方法，很少进行研发投入和人才引进，这使客车的操纵稳定性发展一直停滞不前，由于客车研究的特殊性不仅仅在于体积、重量等较轿车发生了很大的变化，随重量、体积变大的还有前后悬架系统、质心位置、动力系统、轮胎系统等等，整个车型几乎发生了彻底的变化，因此，极为必要的对客车，乃至混合动力客车建立一套量身定做的操纵稳定性研究方法和标准，使其研究达到专业化水平。其中，国内研究者中影响力最大的是吉林大学的郭孔辉院士。他于90年代提出闭环系统主动安全性的综合评价和优化设计的方法。之后，郭孔辉院士又提出驾驶员模型和定量评价人#8212;车闭环系统的综合评价指标^[19-20]。

如今，也有一些人对汽车进行了操纵稳定性的仿真与研究，朱强，张越，吴晓光，秦东晨基于多体系统动力学理论，在ADAMS/Car模块下，根据某混合动力客车的动力学参数，对某混合动力客车独立前悬架进行了整车建模与仿真研究，并结合转向盘角阶跃输人仿真试验的方法，分析和研究了包括质心位置、悬架刚度和整车载荷等影响混合动力客车操纵稳定性的质量参数，并在混合动力客车的底盘结构布置方面得到了一系列的指导性结论，对于后期实车改进设计具有一定的参考价值^[21]。

3 混合动力客车整车的操纵稳定性概述

3.1操纵稳定性

汽车能按驾驶人操纵方向行驶，抵抗力图改变行驶方向的外界干扰，维持一定的速度，不造成驾驶人过度紧张和疲劳而保持稳定行驶，汽车的这种能力称为操纵稳定性。汽车的操纵稳定性包含互相联系的两部分，一是操纵性，一是稳定性。操纵性是指汽车快速准确响应驾驶人发出的转向指令的能力；稳定性是指汽车受到外界扰动路面扰动或突然阵风扰动时，汽车抵御干扰而恢复原来运动状态或保持稳定行驶的能力。汽车的操纵性和稳定性两者密切相关，相互影响，二者很难断然分开，稳定性的好坏直接影响着操纵性的好坏，因此，通常称为汽车的操纵稳定性。操纵稳定性不好的汽车一般有如下的表现：

1）”发飘”:在驾驶人未发出指令的情况下,车辆自行不断变换行驶方向使乘员感到漂浮不定。

2）”反应迟钝”:指车辆的转向过程大大滞后于驾驶人的驾驶指令,或转弯动作迟缓的现象。

3）”丧失路感”:正常汽车的转弯程度,会通过转向盘及车身的侧倾使驾驶入产生相应的感觉。但操纵性能不好的汽车,在车速较高或急剧转向时会使驾驶人丧失这种感觉,影响其做出正确的判断。

4）”失去控制”:操纵性差的汽车在车速超过某一临界值后,可能会出现驾驶人不能通过转向盘指令控制行驶方向的现象。

由此可知,汽车的操纵稳定性与交通安全有直接关系。操纵稳定性不好或丧失操纵稳定性的汽车,使驾驶人难于控制,严重时还可能发生翻倾或侧滑而造成交通事故。因此,良好的操纵稳定性是行车安全的重要保证,必须深入了解影响操纵稳定性的因素,尽可能提高汽车的操纵稳定性,以确保行车安全。

3.2影响汽车操纵稳定性的主要因素

汽车操纵稳定性与汽车结构和使用条件有关影响汽车操纵稳定性的因素很多，除汽车本身结构参数，如汽车的轴距、轮距、重心位置、质量分配、轮胎的特性以及悬架导向装置等设计与结构因素的影响外，还有地面不平、纵向和横向的坡度、左右车轮附着差异、横向风、弯道离心力以及驾驶人操纵技能等使用因素的影响如果驾驶人反应快、技术熟练、动作敏捷、体力好就能及时准确地采取措施，从而使汽车的运动状态趋于稳定；反之，如果驾驶人的反应迟钝、判断错误，就可能导致稳定性的破坏、操纵性的丧失。

3.3汽车的稳态转向特性

图1 稳态转向特性特点

汽车在通常行驶状态下的操纵稳定性常用稳态转向特性来评价稳态转向特性有三种状况:不足转向、过多转向和中性转向这三种不同转向特性的汽车具有如下的行驶特点。如上图1所示。

一般情况下，具有适度足转向的汽车才具有良好的操纵稳定性汽车不能具有过多转向特性，因为，过多转向特性的汽车达到临界车速将失去稳定性，此时只要有极其微小的前轮转角就会导致极大的横摆角速度，使汽车发生激转具有中性转向的汽车也不好，因为汽车本身或外界使用条件的某些变化中性转向特性的汽车通常会转变为过多转向特性的汽车而失去稳定驾驶人都习惯于驾驶具有适度不足转向的汽车所以，汽车设计时，一般都要有适当的不足转向量以保证汽车突然出现甩尾时仍能保持良好的驾驶性能。

3.4汽车行驶稳定性的极限

汽车保持稳定行驶的能力是有一定限度的，如果驾驶人对汽车的操纵动作使汽车的运动状态超过了这一限度，汽车的运动就会失去稳定，发生侧滑或翻倾，从而危及行车安全这一限度称为汽车行驶稳定性极限汽车转向行驶时的稳定性极限对安全行车影响很大汽车在转向行驶时将产生离心力，如果离心力过大，汽车有可能沿离心力作用的方向发生侧向滑移与此同时，离心力还将引起内外两侧车轮法向反作用力的改变如果内侧车轮上的法向反作用力降低为零，汽车将发生翻倾。

3.5汽车操纵稳定性的试验与评价

常见的操纵稳定性试验评价方法关于汽车操纵稳定性的试验方祛及其有关标准、法规的研究，是随着汽车制造技术、安全问题研究的深入以及社会发展的需要而日趋完善的。

驾驶人#8212;汽车系统在紧急状态下的操纵稳定性及其试验方法紧急状态是指驾驶人在行车中突然遇到意想不到的危险必须在极短时间内做出判断，并采取回避措施的所处的状态在紧急状态下，由于驾驶人心理上的问题，极易发生操作上的失误这时，汽车的运动状态虽末超过稳定性界限也会发生事故，这可以看成是由于人一车系统工作失调所引起的因此，研究人一车系统中驾驶人的特性，尤其是对反应时间和心理素质进行检测是非常重要的为了更切合实际地研究汽车在紧急状态下的运动情况，应该把驾驶人与汽车作为一个整体，即人#8212;车系统来考虑研究人#8212;车系统的运动时，遇到的困难是人的特性很难准确而统一地表达特别是人在紧急状态下的动作行为和平时有很大不同，而且每一具体的交通事故都有其特殊的条件，很难在试验研究的条件下准确地再现事故当时的情况。为此，目前只能采用替代的试验方法来评价人一车系统在紧急状态下的运动，这种替代的试验方法一般是给出一种比较苛刻的、近似于紧急状态的试验条件，在驾驶人有思想准备的情况下进行试验下面介绍两种试验评价方法:

1）双移线和蛇行进行模拟器试验。

道路设置是参考双移线行驶试验规程的ISO/3888技术报告与GB6323-94标准,并考虑车速变化时的适应性设定的。双移线试验道路设置如图2所示。图中参数值为S₀=S₁=S₂=S₄=2v;S₃=v;S₅=5v;S₆=3v。v为汽车行驶速度。变道距离和标杆宽度采用ISO标准。蛇行试验道路设置如图3所示。图中参数值为S₀=L=2v;L=2v;S=3v。标杆宽度B=2.46m。

图 2 双移线实验道路

图3蛇形实验道路

2）试验方法

为排除左、右移线及蛇行的差别,试验采用图4所示的试验方案。

图4试验道路方案

为计算客观评价指标,试验实时记录如下数据:汽车纵向行驶速度;侧向加速度;横摆角速度;转向盘转角;转向盘角速度;转向盘力矩;车身侧倾角;汽车质心侧偏角;汽车质心侧偏角速度;每个车轮的侧向力;每个车轮的垂直载荷;汽车质心位移。为取得较准确的数据,对于每种车型的移线和蛇行每个驾驶员各做20次,然后取其平均值作为分析和客观评价指标计算的数据。试验车速分别为90kmh/和110km/h^[22-24]。

4 主要设计工作

4.1设计的基本内容

1）混合动力轻型汽车的汽车操作稳定性的方案设计；

2) 汽车各系统相关通用件、标准件的选型；

4.2 解决的主要问题

1）混合动力轻型汽车的汽车操作稳定性的方案设计；

2）混合动力轻型客车悬架设计；

3）混合动力轻型客车转向系设计；

4）混合动力轻型客车二自由度（或三自由度）汽车数学模型转向特性设计；

5）车身设计。

4.3 设计要求

为保证混合动力轻型汽车具有良好的操作稳定性，对混合动力轻型客车悬架、转向系、汽车数学模型转向特性、车身的设计中都应尽量满足在各种情况下的操纵稳定性，如：

1）保证汽车有良好的行驶平顺性；

2）具有合适的衰减振动能力；

3）保证汽车具有良好的操纵稳定性；

4）汽车制动或加速时要保证车身稳定等等。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1. 本课题所要研究和解决的问题

1.1课题所要研究的问题

为了保证优良的车辆操纵稳定性能，更为了保证安全，有必要对混合动力客车进行操纵稳定性方面的研究。本文的研究将主要放在混合动力客车操纵稳定性的分析与评价。