汽车操操纵稳定性

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1、 5.1 汽车操纵稳定性研究的主要内容 5.2 汽车极限行驶稳定性 5.3 轮胎的侧偏特性 5.4 汽车的转向特性 5.5 汽车转向轮的振动 5.6 转向轮的稳定效应目录5.1 汽车操纵稳定性研究的主要内容操纵性：汽车能够确切地响应驾驶员转向指令的能力。稳定性：汽车行驶中具有抵抗改变行驶方向的各种干扰并保持稳定行驶的能力。 1、极限行驶稳定性横向倾翻的最大坡度；横向倾翻的最大 车速；纵向行驶稳定性。 2、直线行驶性能抗侧风和路面不平度的稳定性。 3、转向轻便性原地转向轻便性(静态)行驶转向轻便性(动态) 4、转向灵敏性时域响应：稳态响应、瞬态响应；频域响应：振幅比(增益)、相位比。5.2 汽车

2、极限行驶稳定性1. 横向倾翻的最大坡度2. 横向倾翻的最大车速3. 纵向行驶稳定性汽车在坡道尤其是横坡上丧失稳定性的 表现为汽车的翻倾和滑移：静态受力分析 如右图示： 当角增大到重力G通过A点时的角称为横向倾翻的极限 坡度，此时得实际上，大多数汽车在未达到max时就开始滑动，主要是由 于驱动轮与地面的附着力F不够造成的。1.横向倾翻的最大坡度hgFzlFzrBGsinGcos G下面进一步分析汽车侧滑在翻倾之前的条件：设在坡道上转向，则产生一离心力Fc，在离心力的作 用下可能向左翻倾，则向左的力矩必须大于向右的力矩：a.发生翻倾条件：hg FzlFzrBGAFxlFxtFcAb.发生侧滑条件：

3、c、侧滑在翻倾之前的条件为了保证安全，应使侧滑在翻倾之前，则必须 vmax B/2hg，说明产生不了侧滑，只得发生倾翻， 小轿车的重心低，一般能满足B/2hg，在弯通高速行驶容易侧翻。若弯道的外侧比内侧高，由于重力的横向分力与转弯中离心力的横向分力相反，可以避免侧翻，可以略提 高行驶速度。所以公路在弯道处，路面都是外侧高于内 侧。3.纵向行驶稳定性汽车的纵向行驶稳定性决定于重心高度和重心 至前轴（或后轴）的距离。tgmax=a/ hg tgmax=b/ hg分析从略，与横向分析方法相同。汽车坐标系及汽车的主要 运动形式： 前进速度v：质心速度 沿X 轴的分量；侧倾角速度p(roll veloc

4、ity)：质心绕X 轴旋转 角速度。zyx侧倾角速度p前进速度u俯仰角速度q横摆角速度r垂直速度w侧向加速度ay侧向速度v图52 车辆坐标系与汽车的主要运动形式侧向速度v：质心速度沿Y 轴的分量；俯仰角速度q(pitch velocity)：质心绕Y轴旋转 角速度；垂直速度v：质心速度沿Z 轴的分量；横摆角速度r(yaw velocity)：质心绕Z轴旋转 角速度。zyx侧倾角速度p前进速度u俯仰角速度q横摆角速度r垂直速度w侧向加速度ay侧向速度v图52 车辆坐标系与汽车的主要运动形式5.3 轮胎的侧偏特性侧偏特性主要是指侧偏力、回正力矩与侧 偏角之间的关系。1） 轮胎坐标系(tyre ax

5、is system)当车轮中心沿Y 轴方作用有侧向力FY，地面将产生 地面侧向反作用力FY 。由于轮胎具有弹性，即使FY没有 达到附着极限，车轮行驶方向亦将偏离X 轴线方向。这 时轮胎出现侧偏特性。 由于轮胎侧向变形，轮上的b点将不与支承面上的b1 接触，而与b1接触，c点与c1 接触，如此类推。轮胎在支 承面上的运动轨迹af 相对于车轮平面偏离某一角度。ab1bcdefd1c1e1 f1bcdefa b1 c1 d1e1 f1b1 c1 d1 e1 f1FYFYW轮胎侧偏角(side-slip-angle)：轮胎接地中心的引进方向与车轮中心平 面方向间的夹角。侧向力与产生的侧偏角的关系曲线，

6、称 为车轮的侧偏特性。当不超过45时，Fy与 成线性关系Fy，即：Fy=kFy曲线在=0处的斜率称为侧偏刚度 k(cornering stiffness)，其单位为 N/rad (或 N/()）其值为负值，因负的侧偏力产生正的侧 偏角。因此，侧偏刚度为负值，即Fy=-FY，Fk=- k。2）轮胎的侧偏现象、侧偏特性曲线图53 轮胎的坐标系与地面作用于轮胎的力和力矩xzy 正外倾角正回正力矩Tz车轮行驶方向车轮平面车轮旋转轴线正地面侧向反作用力FY正地面法向 反作用力FZ正地面切向 反作用力FX正翻转力矩TX正TY正侧偏角O垂直载荷对k的影响：G，F，侧滑倾向，k轮胎结构对k的影响：轮胎宽度，

7、k ；轮胎气压，k ；子午胎 ： k 。必须注意：轮胎的侧偏现象的产生是由于 轮胎的侧向弹性变形，与轮胎在道路上的侧滑有 本质的区别。轮胎的侧偏现象不仅影响车轮的运动轨迹 ，而且加剧轮胎的磨损；轮胎的侧向变形使滚动 阻力增加。3）回正力矩(aligning torque)由路面作用在轮胎上的力矩矢量，使轮胎绕Z 轴旋转的分量，称为回正力矩。ccccccccaaaaaaaavvveFY345附着极限接地印记内地面侧向反作用力 的分布与回正力矩的产生图545.4 汽车的转向特性 (steering characteristics)设汽车以中速或高速转向时，在汽车质 心上产生一个离心力。为了平衡离心

8、力，路 面对轮胎产生相应的侧向反作用力，即侧偏 力(cornering force)。轮胎在侧偏力的作用下 将产生侧偏，形成相应的侧偏角。假设：忽略地面切向反力对侧偏特性影 响，忽略空气阻力的影响，忽略左右轮受载 荷变化的影响，于是汽车简化为由前、后两 个轮胎支承，具有侧向和横摆两个自由度汽 车模型。OBACRLv2v12100-1 2r图55 汽车稳态转向运动简图EFycFy1Fy2vc参数说明：设前轮转角，转弯半径r，FY1，FY2：前、后轮的侧偏力。v1，vc，v2：A，B，C三点的速度。Fc：质心的离心力FcY：Fc在Y方向上的分力两式相加，且AE+BE=L，则 tg(-1) + tg

9、2 = L/R。因 2 、1较小，则 -1 +2 L/R， 故 = L/R + 1 -2 1、计算转向角由几何关系：设汽车在水平道路上作等速圆周运动，则 作用在汽车上的侧向力为离心力的侧向分力。 2、计算1 ，2汽车看成一个系统，前轮转角视为输入，汽车 稳 态横摆角速度r视为输出，r = v/R汽车稳态横摆角速度r与前轮转角之比称为汽 车的稳态横摆角速度增益(teady state yaw velocity gain)。 3、计算转向灵敏度4、稳态转向特性(1) 稳定性因数K：轴距L3m中性转向 K0过多转向K 0.0019s2/m2不足转向K 0.0006s2/m20501001501020

10、vchvcrva/(kmh-1)中性转向 K0过多转向K 0.0019s2/m2不足转向K 0.0006s2/m20501001501020vchvcrva/(kmh-1)轴距L3m中性转向 K0过多转向K 0.0019s2/m2不足转向K 0.0006s2/m20501001501020vchvcrva/(kmh-1)轴距L3mK0 不足转向K=0 中性转向K 0，则 K 0 为不足转向； 1-2 = 0，则 K = 0 为中性转向； 1-2 0K=0K2，1-20，则RRo，转向半径变大，说明转向效果受到抑制， 成为不足转向。K = 0 R/Ro = 1K 0 R/Ro 1 说明不足转向汽

11、车的转向半径总是大于Ro。 K a, 中性转向点在质心的后面。此时，SM0，说 明在质心位置作用的侧向力使12，为不足转向。若a0角 不变图5 8汽车的三种稳态响应(5) 瞬态响应(transient state response)汽车转向特性的好坏，在很大程度上取决于过渡状 态的运动状况。瞬态响应性能好的汽车，从过渡状态到稳运动状态 的过程中应该是波动最小而响应最快。瞬态响应为一强迫振动微分方程:误差带r0r1t横摆角速 度r1讨论边界条件：前轮角阶跃输入： 当t 0，则则微分方程为为：t 0 = 0误差带r0r1t横摆角速 度r1图5 9前轮角阶跃输入下的瞬态响应d.峰值时间：达到第一个峰

12、值r1的时间(6) 横摆角速度频响特性对二自由度汽车运动微分方程A()()fr幅频特性：反映汽车执行驾驶员指令失真的程度。在低频区接近一水平线，在某一频率fr时，幅值比达最大 值，处于共振状态。希望：幅频特性平一些，以保证不同工况下失真度较小。相频特性：反映汽车横摆角速度r 滞后方向盘转角的失真程度 。希望：相频特性小一些，以保证汽车有快速灵活的反应。5.5 汽车转向轮的振动汽车在行驶过程 ，有时会出现转向轮的左右 摆振和上下跳动现象。下面分别分析转向轮振动的原因：1、转向轮的振动与共振2、车轮不平衡的影响3、悬架与转向传动机构的运动关系不协调的影 响 1、转向轮的振动与共振B1Bm kpT2

13、T1kt由转向桥的振动频率可知，若弹性系统的刚度减小 ，转动惯量越大，则振动频率越低。一方面：由于平顺性的要求，采用弹性较大的悬挂 和轮胎，即kp, kt值减小；为了安全转向轮装有制动器， 使转动惯量J 1，J 2增大。另一方面，随着汽车行驶速度的提高，道路条件的 改善，路面谱容易在低频区，从而增加了共振的可能性。2、车轮不平衡的影响 设车轮的不平衡质量为m，其位置在半径为r的圆周上 ，车速为va，则离心力为：Fc =m2r 水平分力：Fx =m2rcost垂直分力：Fy=m2rsint水平分力Fx 在使车轮绕主销摆振、垂直分力Fy 强使车 轮沿垂直轴线振动。随着车速的提高，Fx 和Fy 会随

14、着增 加。为了避免因车辆不平衡而引起振动，对车轮应进行静 平衡和动平衡检查。FxFyFcr FxFx3、悬架与转向传动机构的运动关系不协调的影响当车轮车轮 受到冲击时击时 ，弹弹簧变变形，c点绕绕o1点作aa运动动。当车轮车轮 上下跳动时动时 c又绕绕o2点作bb 运动，运动发生干涉。因此，转向节在水平面内转 动，使转向轮绕主销向左、向 右摆动。若将前铰接点靠近转向机， 使c点的运动方向一致，不致使 转向节转动，而不发生摆动。vaO2O1cabba图510转向系与悬架的运动干涉5.6 转向轮的稳定效应转向轮的稳定效应是指转向轮具有保持 中间位置（直线行驶位置）及当转向轮偏移 后能自动返回至中间

15、位置（自动回正）的能 力。转向轮的稳定效应主要取决于主销内倾 ，主销后倾及轮胎外倾。 1、主销内倾的稳定作用 2、主销后倾的稳定作用 3、转向车轮外倾的稳定作用 4、前束的作用1、主销内倾的稳定作用当轮胎旋转180，如图示轮胎的最低点在路面以下 ，实际上不可能、轮胎仍应在路面，于是汽车前轮上 升，由于汽车的重力作用有迫传车轮自动回正回复直 线行驶倾向。这就是由于主销内倾而使转向轮具有稳定效应。主销内倾角一般为58,是由设计决定的, 不调 整。主销内倾减小车轮转动时的转臂a，一方面转向时 轻便，另一方面减小地面的冲击给驾驶员的反冲力。hAA 图511 前轮主销内倾角的作用2、主销后倾的稳定作用Fc ：汽车转向时的离心力Fyl1，Fyr1，Fyl2，Fyr2前、后轮的向心力，与离心力 的方向相反。 前轮的向力心作用在轮胎与地面的接触点b与主销 延长线与地面的交点a有一定距离L。Fyl1和Fyr1产生绕主销的力矩（Fyl1+ Fyr1）L有使 车轮回转直线行驶的倾向。力矩（Fyl1+ Fyr1）L起着转向轮稳定的作用,也叫作 稳定力矩。稳定力矩能很快将车轮回到直线行驶位置。主销后倾角r 一般在07之间bFy1图5