汽车操纵稳定性2

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1、 汽车的操纵稳定性概述概述汽车行驶稳定性汽车行驶稳定性 轮胎侧偏特性轮胎侧偏特性汽车操纵特性汽车操纵特性 汽车转向轮振动与稳定汽车转向轮振动与稳定 5-1 概述一、汽车操纵稳定性定义汽车操纵稳定性是指汽车在行驶过程中，能遵循驾驶员给定的行驶方向 行驶，且受各种外部干扰尚能保持稳定行驶的能力。汽车的操纵稳定性包括操纵性和稳定性。汽车操纵性是指汽车能够确切地响应驾驶者转向指令的能力；而稳定性是指汽车抵抗外界干扰而保持稳定行驶的能力，或汽车受到外界扰动后恢复原来运动状态的能力。通常，汽车操纵性和稳定性两者关系密切，若汽车操纵性变坏，则汽车容易产生侧滑、翻车而失去稳定性；而汽车稳定性变坏，则汽车又难以

2、操纵直接影响操纵性。实际上两者难以截然分开，因此，常统称为汽车的操纵稳定性。 汽车的操纵稳定性不仅影响汽车驾驶的操纵方便程度，而且还决定着高速汽车的行车安全，所以人们称汽车操纵稳定性是高速车辆的生命线。随着汽车保有量的增加和汽车车速的提高，汽车的操纵稳定性越来越重要，已成为现代汽车的主要使用性能之一。5-1 概述n “飘”汽车自己改变方向。升力或转向系、轮胎、 悬架等问题。n“反应迟钝”转向反映慢。传动比太大。n“晃”左右摇摆，行驶方向难于稳定。n“丧失路感”操纵稳定性不好的汽车在高速或急剧转向 时会丧失路感，导致驾驶员判断的困难。n“失控”某些工况下汽车不能控制方向。制动时无法转向,甩尾，侧

3、滑，侧翻。操纵稳定性不好的具体表现二、车辆坐标系与转向盘角阶跃输入下的时域响应1.车辆坐标系和汽车主要运动形式z2.汽车的时域响应汽车瞬态响应转向盘角阶跃输入下的瞬态响应：等速直线行驶和等速圆周行驶两个稳态运动之间的过渡过程所对应的瞬间运动响应。汽车的时域响应转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应：等速直线行驶，急剧转动转向盘，然后维持转角不变，即对汽车施以转向盘角阶跃输入，汽车经短暂的过渡过程后进入等速圆周行驶工况。汽车稳态响应汽车稳态响应汽车的时域响应汽车时域响应是把汽车作为开环控制系统的控制特性。驾驶员汽车系统是一个闭环控制系统：在汽车行驶过程中，驾驶员根据 需要，操纵转向盘使汽车做转向运动。

4、路面的凹凸不平、侧风、偏载等影 响汽车的行驶。驾驶员根据道路、交通等情况，通过眼、手及身体感知的 汽车运动状况（输出参数），经过头脑的分析、判断（反馈），修正其对 转向盘的操纵。如此不断地反复循环，操纵汽车行驶前进。三、人-车闭环系统四、汽车操纵稳定性评价方法汽车试验的两种评价方法 客观评价法客观评价法是通过仪器测出表征性能的物理量来评价操纵稳定性的方法，它能通过分析求出其与汽车结构参数间的关系。 主观评价法主观评价法就是感觉评价。考虑到了人的感觉，能发现仪器不能测试出的现象，是操纵稳定性的最终评价方法，但很难给出定量评价数据。汽车操纵稳定性评价方法汽车操纵稳定性评价方法一、侧向稳定性侧向稳定

5、性是指汽车抵抗侧翻和侧滑的能力。1. 侧向稳定性条件若汽车转弯行驶满足一定条件，则不会产生侧向翻车和滑移。p不侧滑的最高车速设汽车在弯道行驶时，不发生侧向滑移的最高车速为52 汽车行驶稳定性侧向稳定性n画受力图分析（汽车在横向坡度角为的路面等速向右转向行驶）侧向稳定性n汽车在侧向坡道上行驶侧滑的临界条件Fyl=Fzl、Fyr=Fzr 或Fyl+ Fyr=（Fzl+Fzr） 其方程如下：FCcosGsin=（FCsin+Gcos）当汽车沿半径为R之圆周等速行驶时有整理方程得侧滑前所允许达到的最高车速为：侧向稳定性o不侧翻的最高车速设汽车在弯道行驶时，不发生侧向翻车的最高车速为 侧向稳定性n汽车在

6、侧向坡道上行驶侧翻的临界条件当Fzr=0时，汽车可能失去侧向稳定而向左侧翻，其不侧翻 的条件为:FCcoshgFCsinB/2+GcosB/2+Gsinhg当汽车沿半径为R之圆周等速行 驶时有:利用以上两式解得：侧向稳定性o汽车侧向稳定性系数翻车和侧滑相比，翻车导致的后果更为严重。因此，为 使 行车安全，应使侧滑发生在侧翻之前，即：VmaxVmax 这样汽车一旦侧滑，车速就不可能提高，因而保证不会 翻 车。由此推得的结论是：式中的B/（2hg）称为汽车侧向稳定性系数，它反映了 汽车 抗侧翻的能力。该式表明：当侧向稳定性系数大于路面附 着系 数时，汽车侧翻不可能发生。因此，汽车的轮距越大，质 心

7、 高度越低，侧向稳定性系数越大，则汽车抗侧翻的稳定性 就越 好。侧向稳定性2. 侧向稳定性标准GB72582004机动车运行安全技术条件中规定：车辆 在空载、静态状态下，向左侧和右侧倾斜最大侧倾稳定角，双 层客车不允许小于28；总质量为车辆整备质量的1.2以下的 车辆不允许小于30；卧铺客车不允许小于32。在国外，有的国家对轿车的抗侧翻能力，规定了检验的高 标准和低要求。高标准是指在平坦的水泥或沥青路面的场地 上，以任意的行驶速度和转向组合操纵，都不得翻车。低要求 是：在平坦坚实的场地上，以50km/h和80km/h的车速行驶，以 500度/秒的角速度把转向盘转过180，不得翻车；在平坦的 水

8、泥或沥青路面的场地上，成一直线布置11根标杆，间距为 30m，汽车以72km/h的车速绕杆行驶，不得翻车。二、纵向稳定性纵向稳定性是指汽车上坡或下坡时，汽车抵抗绕后轴或前轴翻车的能力。当道路的纵向坡度角较大时，汽车重力沿纵向坡道的分力可能导致汽车的纵翻。研究分析表明，汽车等速行驶时，上坡比下坡更容易纵翻；上坡行驶时，后轮驱动的汽车更容易纵翻。因此，下面以42后轮驱动汽车等速上坡为例说明汽车不产生纵翻的条件。纵向稳定性1汽车上坡时的受力分析后轮驱动、匀速上坡、令Fw=0，Mf=0FZ1FZ2Fx1Fx2hgGL1L2 L纵向稳定性2汽车匀速上坡不翻车的最大坡度角max当FZ1=0时，失去转向能力

9、，并可能产生纵向翻倒。由FZ1=（L2GcoshgGsin）/L，令FZ1=0，解得：tgmax=L2/hg利用汽车总重力通过后轮与地接触点也可得上述结论。为不致纵翻，路面纵向坡度角：arctg（L2/hg）由上式知：L2，hg，max则越大，越不易纵翻。纵向稳定性3考虑后轮滑转情况设后轮刚发生滑转的的道路坡度角为max由受力图知：FZ2=（L1Gcos+ hgGsinmax）/LFX2= FZ2=Gsinmax联立解得：tgmax=L1/（Lhg）FZ1FZ2Fx1Fx2hgGL1L2 L纵向稳定性4保证纵向稳定性条件（后轮驱动）滑转应在纵翻之前发生，即：tgmax tgmaxL1/（Lhg

10、）L2/hgL2/hg正常装载情况下，上式能满足。下述情况应注意：装运重心高的货物。hg装点太靠后，使L2路面条件差，纵向坡度角较大。一般汽车因L1L2，故下坡时纵翻的危险性较小。5-3 轮胎侧偏特性轮胎的侧偏特性主要是指侧偏力、回正力矩与侧偏角的关系，它是研究汽车操纵稳定性的理论基础和出发点。 一、轮胎坐标系概 念二、轮胎的侧偏现象轮胎的侧偏现象 轮胎的侧偏现象不仅影响车轮的运动轨迹，同时使轮胎的滚动损失增加，并加剧了轮胎的磨损，是不利的，但它是不可避免的。轮胎侧偏示意图 概念三、轮胎的侧偏特性侧偏力FY和侧偏角的关系曲线， 称为轮胎的侧偏特性。轮胎的侧偏特性在侧偏角不超过可45时，侧偏力F

11、Y与侧偏角成线性关系，可由下式表示： 式中 k侧偏刚度，由轮胎坐标系有关符号规定可知，负的侧偏力产生正的侧偏角，故k为负值，其单位为N/（）或N/rad，它表示轮胎侧偏一度或一弧度所需的侧偏力。通常在3以内，一般不超过5。FY1 2FZ轮胎的侧偏特性 1子午线轮胎；2普通斜交轮胎四、轮胎结构、工作条件对侧偏特性的影响o半径尺寸的轮胎，k （绝对值，下同） ；o子午线轮胎接地面宽，k大；o钢丝轮胎比尼龙轮胎k大；o扁平率：轮胎断面高度与断面宽度之比H /B ， k ，如图；o在一定范围内，载荷 （FZ ） ，k ，如图 。但载荷太大时，k；o轮胎充气压力 ，k ，如图；o考虑轮胎切向力作用时，其

12、侧偏特性如图；o潮湿特别在积水时，k 很大。四、影响侧偏刚度的因素轮胎的侧偏刚度是决定操纵稳定性的重要轮胎参数，轮胎应有较高的侧偏刚度，以保证汽车良好的操纵稳定性。轮胎的结构型式、轮胎气压、垂直载荷对其侧偏刚度影响较大。n尺寸较大的轮胎，承载能力大，k（绝对值，下同）较大；n宽系列轮胎，有较大的接地面积， k 较大，采用宽系列轮 胎，是目前提高 k 主要措施；n子午线轮胎接地面宽，k 值比普通斜交轮胎大；n垂直载荷大，变形大，接触面大，轮胎局部侧滑倾向减少 ，相当于 k 增大，但载荷超过150%额定载荷时，轮胎与地面接 触区的压力变得极不均匀，反而使 k 减小；n轮胎气压降低，轮胎更富有弹性，

13、 k 减小。附着椭圆一定侧偏角下，驱动 力或制动力增加时，侧偏 力逐渐有所减小，这是由 于轮胎侧向弹性有所改变 的关系。当纵向力相当大 时，侧偏力显著下降，接 近附着极限时，切向力已 耗去大部分附着力，而侧 向力能利用的附着力很小 。五、汽车转向运动学 为了反映弹性轮胎侧偏时对汽车转向运动的影响，有必要比较刚性车轮和弹性车轮转向时的几何关系。1. 刚性车轮转向几何关系根据图中的转向几何关系可推得：R0=L/tan 当前轮转角不大时，tan，用弧度表示，于是上式可写成：R0=L/ 2.弹性车轮转向几何关系弹性车轮汽车转向运动如图。设前轮转过角后作稳态等速圆周行驶， 在离心力作用下，前后车轮均受到

14、侧向力的作用，其弹性车轮产生了侧偏 现象，前、后轴车轮产生的侧偏角为1、 2，相应的速度方向变为VA、VB， 转向瞬心变为O，转向半径变为R，根据图中的转向几何关系可推得：R=L/tan（-1）+tan2 当转角不大（高速行驶不大）时， tan（-1）+ tan212，则有：R=L/-（12） 结论：弹性车轮汽车处于转向运动状态时， 由于轮胎的侧偏现象，使汽车的运动轨 迹不同于刚性车轮。忽略转向系的影响，直接以前轮转角作为输入；汽车只进行平行于地面的平面运动，而忽略悬架的作用；汽车前进（纵轴）速度不变，只有沿y轴的侧向速度和绕z轴的横摆运动(ay0.4g) ；驱动力不大，对侧偏特性无影响；忽略

15、空气阻力；忽略左右轮胎因载荷变化引起轮胎特性的变化；忽略回正力矩的变化。5-4 汽车的操纵特性转向运动分析t=t 时刻t=0 时刻汽车的质量分布参数对于固结于汽车的动坐标系是常数，因 而可利用该坐标系列出其坐标轴方向的微分方程运动时的速度变化量质心加速度Y向力平衡对质心取矩运动微分方程1. 稳态响应的评价指标 稳态横摆角速度增益或转向灵敏度二、汽车的稳态响应等速圆周运动2. 稳定性因数K 称为稳定性因数（s2/m2）。稳定性因数K是表征汽车稳态转向特性的一个重要参数， 它把汽车结构参数m、L、L1、L2、k1、k2与稳态转向特性定量地 联系起来，以便从设计上保证汽车具有适当的转向特性。3. 稳态响应的三种类型常用稳定性因数K作为表征汽车稳态转向特性的参数过多转向 K0不足转向 K0中性转向 K=0若K=0，则R= R0，汽车转向半径R和刚性车轮转向半径R0相同，汽车具有中性转向特性。中性转向特性汽车的转向灵敏度与车速的变化关系曲线，如图所示。（1）中性转向（2）不足转向n若K0，则RR0，汽车具有不足转向特性，K值越大，不足转向量越大。 当一定时,随着车速其R。n转向灵敏度比中性转向汽车的小。n特征车速不足转向汽车转向灵敏度达到最大值时所