汽车的动力学分岔特征是非线性汽车动力学机理研究的主要内容,也是从驾驶角度分析汽车稳定性的最直观、最有效的方法。但是,目前对于汽车在驱动和转向联合工况下失稳的动力学本质特征问题以及集成控制的动力学判据问题,仍缺乏完整的理论研究。近些年,非线性动力学和轮胎力学研究的发展,为揭示汽车联合工况(转向加速或转向制动)对操纵稳定性的影响机理提供了理论基础。但由于对汽车驱动和转向耦合分岔特征研究并不深入,仅以转向角作为参数的转向分岔机理并不能完整揭示汽车在转向和驱动联合工况下的动力学分岔特征,也不能解释驱动力矩和驱动方式对操纵稳定性的影响。因此,分析驱动对汽车动力学特征的影响,进行驱动和转向耦合分岔的动力学研究,将加深对汽车转向和驱动耦合分岔机理的理解,为工程实践提供科学依据。目前的汽车集成控制通常以转向分岔机理为基础设计控制系统,通过协调控制等方法获得最佳的控制效果。但在驱动和转向联合工况中,轮胎纵向力和侧向力的耦合特征必然使转向分岔特征产生变化,对应的驾驶稳定区域也将重新确定,相应的控制方法也需要重新调整。但是目前众多以转向分岔为基础的稳定区域研究由于没有考虑驱动的影响,其结论和成果仍无法供转向和驱动集成控制直接使用。因此,研究基于驱动转向耦合分岔的驾驶稳定区域,有利于将汽车非线性动力学的研究成果应用于工程实践,为汽车操纵稳定性集成控制和安全辅助驾驶系统设计提供统一的动力学判据。本文根据车身平面运动、车轮转动及轮胎力学特性的内在联系,开展了驱动和转向耦合作用下的汽车动力学分岔特征分析及驾驶稳定区域求解的相关研究。具体研究内容如下:(1)建立引入驱动的五自由度汽车动力学模型推导了统一的滑移率公式。在车轮转动动力学分析的基础上,分析了失稳情况下经典的轮胎纵向滑移率方程的有效性,并将其定义进行拓展,推导了统一的滑移率公式。建立了引入驱动的五自由度汽车动力学模型。在经典的三自由度汽车系统模型的基础上,引入包含驱动力的车轮动力学方程,建立了基于轮胎混合滑移特征的五自由度汽车非线性动力学模型。进行了滑移率公式和五自由度模型的验证。通过轮胎力学模型的仿真试验,验证了统一的滑移率公式在混合滑移特征的描述中的有效性以及轮胎动力学分析的正确性;通过驱动力矩等于初始状态风阻时的全局相空间分析,说明了五自由度模型比三自由度模型更完善,可以用来表达驱动对汽车动力学特征的影响。该部分为全文的研究提供了模型基础。(2)汽车系统动力学平衡点的求解与分岔特征确认研究了基于遗传算法和拟牛顿法的平衡点求解方法。为准确有效地求解汽车动力学平衡点,本文提出了一种基于实数编码遗传算法和拟牛顿法的混合求解方法,并利用范德波尔方程和达芬方程对所提出方法的有效性进行了验证。求解了汽车系统平衡点。利用提出的混合求解方法得到了五自由度汽车动力学系统模型不同转角输入和不同驱动条件下的系统平衡点,并与单独的遗传算法求解结果进行了对比。进行了平衡点分岔特征确认。根据非线性系统的静态分岔的定义,对五自由度汽车系统的平衡点分岔特征进行了确认,并利用全局相空间特征分析了前轮转角和驱动力矩对平衡点分岔特征的影响。(3)零转角下驱动对汽车动力学特征的影响分析分析了驱动力矩对汽车动力学特征的影响。以后驱为例,分析了不同车速下前轮零转角时,驱动力矩为恒定驱动力(加速)对汽车动力学特征的影响,其中包括多初值点和单初值点时的汽车动力学特性的相空间分析和单初值点的轮胎力学特性分析等。分析了驱动方式对汽车动力学特征的影响。以恒定驱动力矩为例,分析了相同车速下前轮零转角时,不同驱动方式(前驱、后驱和全驱)对汽车动力学特征的影响,、其中包括多初值点和单初值点时的汽车动力学特性的相空间分析和单初值点的轮胎力学特性分析等。分析了驱动力矩对分岔特征的影响。通过对恒定驱动力矩试验的进一步分析,计算系统状态变量的分岔图,论证在零转角条件下,随着驱动力矩数值由小到大的变化,五自由度汽车动力学系统将发生分岔现象。该部分研究表明:驱动对于汽车的动力学特征存在明显影响,忽略驱动分析汽车的动力学分岔特征是不合理的。(4)汽车驱动转向耦合分岔特征分析进行了周期转角输入下分岔特征分析。以汽车的前轮转角为中间变量将五自由度汽车系统模型转化为七自由度自治方程的形式,分别从恒定驱动力矩和恒定转角幅值两方面,利用计算机仿真的方法得到系统的分岔图。进行了动力学分岔的演变过程分析。以前轮驱动为例,分析包括相空间轨迹、状态变量时间序列、庞加莱截面、功率谱密度和李雅普诺夫指数等内容。分析了驱动转向分岔的耦合特征。通过对前面仿真结果的进一步分析,说明了在驱动和转向共同作用下,系统的分岔参数值的大小会互相影响,揭示了驱动转向的耦合分岔机理。该部分阐述了驱动力矩和前轮转角的变化都将使汽车系统发生分岔,并揭示了驱动转向的耦合分岔机理。(5)基于驱动力矩和转向角分岔的驾驶稳定区域求解进行了驾驶稳定区域求解。结合汽车系统动力学平衡点的物理意义,给出了基于平衡点分岔特征的汽车驾驶稳定区域的定义,利用平衡点的混合求解方法,求解了驾驶稳定区域。进行驾驶稳定区域验证。选取典型的初值点利用仿真试验对驾驶稳定区域进行了正确性验证,包括相空间、状态变量时间序列和车身姿态分析等。该部分为汽车操纵稳定性集成控制和安全辅助驾驶系统设计提供了新的方法及动力学理论依据。综上所述,本文系统分析了驱动(包括驱动力大小和驱动方式)和转向耦合对操纵稳定性的综合影响,揭示了汽车驱动转向耦合分岔的动力学机理,获取了以驱动力矩和转向角为基础的驾驶稳定区域,为汽车操纵稳定性集成控制和安全辅助驾驶系统设计提供了动力学理论依据。