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1、4 汽车操纵稳定性4.1 汽车的转向特性姜 泽 林4 汽车操纵稳定性n任务引入任务引入 汽车在其行驶过程中，会碰到各种复杂的情况，有时汽车会沿直线行驶，有时汽车会沿曲线行驶（如弯路）。在出现意外情况时，驾驶员还要作出紧急的转向操作，以求避免事故。此外，汽车还要经受来自地面不平、坡道、大风等各种外部因素的干扰。对不对？这些都要求汽车有操纵上的稳定，因此今天我们通过分析影响汽车操纵稳定性各方面的因素，掌握他们的检测方法，为我们今后的工作打下扎实的基础。4 汽车操纵稳定性n所以所以一辆操纵性能良好的汽车必须一辆操纵性能良好的汽车必须要要具备以下的能力：具备以下的能力：n （1 1）根据道路、地形和交
2、通情况的限制，汽车能够）根据道路、地形和交通情况的限制，汽车能够正确地遵循驾驶员通过操纵机构所给定的方向行驶的能力正确地遵循驾驶员通过操纵机构所给定的方向行驶的能力汽车的操纵性。汽车的操纵性。n （2 2）汽车在行驶过程中具有抵抗力图改变其行驶方）汽车在行驶过程中具有抵抗力图改变其行驶方向的各种干扰，并保持稳定行驶的能力向的各种干扰，并保持稳定行驶的能力汽车的稳定性。汽车的稳定性。n操纵性和稳定性有紧密的关系：操纵性差，导致汽车侧滑、操纵性和稳定性有紧密的关系：操纵性差，导致汽车侧滑、倾覆，汽车的稳定性就破坏了。如稳定性差，则会失去操倾覆，汽车的稳定性就破坏了。如稳定性差，则会失去操纵性，因此
3、，通常将两者统称为汽车的操纵稳定性。纵性，因此，通常将两者统称为汽车的操纵稳定性。4 汽车操纵稳定性n说明说明 汽车的操纵稳定性，是汽车汽车的操纵稳定性，是汽车的主要使用性能之一，随着汽车平均的主要使用性能之一，随着汽车平均速度的提高，操纵稳定性显得越来越速度的提高，操纵稳定性显得越来越重要。它不仅影响着汽车的行驶安全，重要。它不仅影响着汽车的行驶安全，而且与运输生产率与驾驶员的疲劳强而且与运输生产率与驾驶员的疲劳强度有关。度有关。4 汽车操纵稳定性n提问：提问：n有哪些因素会影响汽车的操纵稳定有哪些因素会影响汽车的操纵稳定性呢？性呢？n 4.1 汽车的转向特性n如：轮胎、转向装置、悬架等。如
4、：轮胎、转向装置、悬架等。n 本堂课我们我们就对这些因素一一进行分析，本堂课我们我们就对这些因素一一进行分析，希望通过学习，希望通过学习，大家大家能掌握车辆坐标系的有关术能掌握车辆坐标系的有关术语，了解影响侧偏特性的因素，掌握轮胎回正力语，了解影响侧偏特性的因素，掌握轮胎回正力矩与侧偏特性的关系；熟练掌握汽车的稳态转向矩与侧偏特性的关系；熟练掌握汽车的稳态转向特性及其影响因素；了解汽车转向轮的振动。这特性及其影响因素；了解汽车转向轮的振动。这也是我们本堂课学习的目标。也是我们本堂课学习的目标。4 汽车操纵稳定性n重点重点 车辆坐标系的有关术语，影响侧车辆坐标系的有关术语，影响侧偏特性的因素，轮
5、胎回正力矩与侧偏特性偏特性的因素，轮胎回正力矩与侧偏特性的关系；汽车的稳态转向特性及其影响因的关系；汽车的稳态转向特性及其影响因素素n难点难点 影响侧偏特性的因素，轮胎回正影响侧偏特性的因素，轮胎回正力矩与侧偏特性的关系；汽车的稳态转向力矩与侧偏特性的关系；汽车的稳态转向特性及其影响因素特性及其影响因素4 汽车操纵稳定性n4.1 汽车的转向特性汽车的转向特性 n一、一、轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性n轮胎的侧偏特性是研究汽车操纵稳轮胎的侧偏特性是研究汽车操纵稳定性理论的出发点。定性理论的出发点。n1、轮胎的坐标系与术语、轮胎的坐标系与术语4 汽车操纵稳定性n 图图4.1 车轮坐标系车轮坐标系n图
6、图4.1示出车轮的坐标系，其示出车轮的坐标系，其中车轮前进方向为轴的正方向，中车轮前进方向为轴的正方向，向下为轴的正方向，在轴的正向下为轴的正方向，在轴的正方向的右侧为轴的正方向。方向的右侧为轴的正方向。n （1）车轮平面）车轮平面 垂直于车垂直于车轮旋转轴线的轮胎中分平面。轮旋转轴线的轮胎中分平面。n （2）车轮中心）车轮中心 车轮旋转车轮旋转轴线与车轮平面的交点。轴线与车轮平面的交点。n （3）轮胎接地中心）轮胎接地中心 车轮车轮旋转轴线在地平面（平面）上旋转轴线在地平面（平面）上的投影（轴），与车轮平面的的投影（轴），与车轮平面的交点，也就是坐标原点。交点，也就是坐标原点。n（4）翻转力
7、矩）翻转力矩 地面作用于轮胎上地面作用于轮胎上的力，绕轴的力矩。图示方向为正。的力，绕轴的力矩。图示方向为正。n （5）滚动阻力矩）滚动阻力矩 地面作用于地面作用于轮胎上的力，绕轴的力矩。图示方轮胎上的力，绕轴的力矩。图示方向为正。向为正。n （6）回正力矩）回正力矩 地面作用于轮胎地面作用于轮胎上的力，绕轴的力矩。图示方向为上的力，绕轴的力矩。图示方向为正。正。n （7）侧偏角）侧偏角 轮胎接地中心位轮胎接地中心位移方向（车轮行驶方向）与轴的夹移方向（车轮行驶方向）与轴的夹角。图示方向为正。角。图示方向为正。n （8）外倾角）外倾角 平面与车轮平面平面与车轮平面的夹角。图示方向为正。的夹角。
8、图示方向为正。n2、轮胎的侧偏现象、轮胎的侧偏现象n如果车轮是刚性的，在车轮中心垂直于车轮平如果车轮是刚性的，在车轮中心垂直于车轮平面的方向上作用有侧向力。当侧向力不超过车轮面的方向上作用有侧向力。当侧向力不超过车轮与地面的附着极限时，车轮与地面没有滑动，车与地面的附着极限时，车轮与地面没有滑动，车轮仍沿着其本身行驶的方向行驶；当侧向力达到轮仍沿着其本身行驶的方向行驶；当侧向力达到车轮与地面间附着极限时，车轮与地面产生横向车轮与地面间附着极限时，车轮与地面产生横向滑动，若滑动速度为滑动，若滑动速度为u，车轮便沿某一合成速度，车轮便沿某一合成速度u方向行驶，偏离了原行驶方向，如图方向行驶，偏离了
9、原行驶方向，如图4.2所示。所示。n 图图4.2 有侧向力作用时刚性车轮的滚动有侧向力作用时刚性车轮的滚动n当车轮有侧向弹性时，即使没有达到附着极限，车轮行驶当车轮有侧向弹性时，即使没有达到附着极限，车轮行驶方向也将偏离车轮平面的方向，这就是轮胎的侧偏现象。方向也将偏离车轮平面的方向，这就是轮胎的侧偏现象。下面讨论具有侧向弹性车轮，在垂直载荷为的条件下，受下面讨论具有侧向弹性车轮，在垂直载荷为的条件下，受到侧向力作用后的两种情况：到侧向力作用后的两种情况：n（1）车轮静止不动时）车轮静止不动时 由于车轮有侧向弹性，轮胎发生侧由于车轮有侧向弹性，轮胎发生侧向变形，轮胎与地面接触印迹长轴线与车轮平
10、面不重合，向变形，轮胎与地面接触印迹长轴线与车轮平面不重合，错开错开h，但仍平行于，如图，但仍平行于，如图4.2a所示。所示。n（2）车轮滚动时）车轮滚动时 接触印迹的长轴线，不只是和车轮平面接触印迹的长轴线，不只是和车轮平面错开一定距离，而且不再与车轮平面平行。图错开一定距离，而且不再与车轮平面平行。图5.5b示出车示出车轮的滚动过程中，车轮平面上点轮的滚动过程中，车轮平面上点Al、A2、A3、依次落依次落在地面上，形成点、在地面上，形成点、，点、的连线与的夹角，即为，点、的连线与的夹角，即为侧偏角。车轮就是沿着方向滚动的。显然，侧偏角的数值侧偏角。车轮就是沿着方向滚动的。显然，侧偏角的数值
11、是与侧向力有关的。是与侧向力有关的。n 图图4.3 轮胎的侧偏现象轮胎的侧偏现象n a)静止静止 b)滚动滚动3、 轮胎的侧偏特性n 图图4.4 轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性n图图4.4所示为一轮胎的侧偏力侧偏角关系曲线。所示为一轮胎的侧偏力侧偏角关系曲线。曲线表明，侧偏角不超过曲线表明，侧偏角不超过34时，可认为与成时，可认为与成线性关系。随着的增大，增大较快，轮胎产生滑线性关系。随着的增大，增大较快，轮胎产生滑移。汽车正常行驶时，侧向加速度一般不超过移。汽车正常行驶时，侧向加速度一般不超过（0.30.4）g，侧偏角不超过，侧偏角不超过45，故可认为，故可认为侧偏力与侧偏角成线性关系，可用下
12、式表示：侧偏力与侧偏角成线性关系，可用下式表示：n （4.1）n式中式中 k侧偏刚度侧偏刚度N/（），其值应为负值，其值应为负值，汽车用低压轮胎汽车用低压轮胎k值在值在3001000N/(）。）。n 试验表明，潮湿地面上最大侧偏力减小，但直试验表明，潮湿地面上最大侧偏力减小，但直线段的侧偏刚度无多大变化。线段的侧偏刚度无多大变化。n垂直载荷对侧偏特性有很大影响。图垂直载荷对侧偏特性有很大影响。图4.5表明，垂直载荷增大后，最大侧偏表明，垂直载荷增大后，最大侧偏力增加。侧偏刚度随垂直载荷的增加力增加。侧偏刚度随垂直载荷的增加而加大。这是因为，轮胎的垂直载荷而加大。这是因为，轮胎的垂直载荷越大，附
13、着力就越大，轮胎侧滑的倾越大，附着力就越大，轮胎侧滑的倾向就越小，最大侧偏力增大。但垂直向就越小，最大侧偏力增大。但垂直载荷过大时，轮胎产生剧烈的径向变载荷过大时，轮胎产生剧烈的径向变形，侧偏刚度反而有所下降。形，侧偏刚度反而有所下降。n 图图4.5 垂直载荷对侧偏特性的影响垂直载荷对侧偏特性的影响n a)图图 b) 图图n轮胎的型式和结构参数对轮胎侧偏特性有轮胎的型式和结构参数对轮胎侧偏特性有显著影响。尺寸较大的轮胎，侧偏刚度一显著影响。尺寸较大的轮胎，侧偏刚度一般较大。尺寸相同的子午线轮胎和斜交轮般较大。尺寸相同的子午线轮胎和斜交轮胎相比，子午线轮胎具有较大的侧偏刚度。胎相比，子午线轮胎具
14、有较大的侧偏刚度。同一型号、同一尺寸的轮胎，帘布层越多、同一型号、同一尺寸的轮胎，帘布层越多、帘线与车轮平面的夹角越小、气压越高、帘线与车轮平面的夹角越小、气压越高、侧偏刚度越大。另外，轮辋的型式对侧偏侧偏刚度越大。另外，轮辋的型式对侧偏刚度亦有影响。装有宽轮辋的轮胎，侧偏刚度亦有影响。装有宽轮辋的轮胎，侧偏刚度较大。刚度较大。4、 回正力矩（绕轴的力矩）n 图图4.6 回正力矩的产生回正力矩的产生n在轮胎发生侧偏时，还会产生图在轮胎发生侧偏时，还会产生图4.3所示作用于轮胎绕轴的力矩。所示作用于轮胎绕轴的力矩。圆周行驶时，是使转向车轮恢复到圆周行驶时，是使转向车轮恢复到直线行驶位置的主要恢复
15、力矩之一，直线行驶位置的主要恢复力矩之一，称为回正力矩。称为回正力矩。n回正力矩是由接地面内分布的微元侧向反力产生的。由图回正力矩是由接地面内分布的微元侧向反力产生的。由图5.5可知，车轮在静止时受到侧向力后，印迹长轴线与车可知，车轮在静止时受到侧向力后，印迹长轴线与车轮平面平行，错开轮平面平行，错开h，即印迹长轴线上各点的横向变形，即印迹长轴线上各点的横向变形（相对于平面）均为（相对于平面）均为h，故可以认为地面侧向反作用力，故可以认为地面侧向反作用力沿线是均匀分布的。车轮滚动时，印迹长轴线不仅与车轮沿线是均匀分布的。车轮滚动时，印迹长轴线不仅与车轮平面错开一定距离，而且转动了角，因而印迹前
16、端离车轮平面错开一定距离，而且转动了角，因而印迹前端离车轮平面近，侧向变形小；印迹后端离车轮平面远，侧向变形平面近，侧向变形小；印迹后端离车轮平面远，侧向变形大。可以认为，地面微元侧向反作用力的分布与变形成正大。可以认为，地面微元侧向反作用力的分布与变形成正比，故地面微元侧向反作用力的分布情况如图比，故地面微元侧向反作用力的分布情况如图5.8b所示，所示，其合力的大小与侧向力相等，但其作用点必然在接地印迹其合力的大小与侧向力相等，但其作用点必然在接地印迹几何中心的后方，偏移某一距离几何中心的后方，偏移某一距离e，e称为轮胎拖距，就是称为轮胎拖距，就是回正力矩。回正力矩。n在增加时，接地印迹内地
17、面微元侧向反作在增加时，接地印迹内地面微元侧向反作用力的分布情况如图用力的分布情况如图5.8c所示。增大至一所示。增大至一定程度时，接地印迹后部的某些部分便达定程度时，接地印迹后部的某些部分便达到附着极限，反作用力将沿到附着极限，反作用力将沿345线分布。随线分布。随着的进一步加大，将有更多部分达到附着着的进一步加大，将有更多部分达到附着极限，直到整个接地印迹发生侧滑，因而极限，直到整个接地印迹发生侧滑，因而轮胎拖距会随着侧向力的增加而逐渐变小。轮胎拖距会随着侧向力的增加而逐渐变小。n课堂小结课堂小结n一、操纵稳定性一、操纵稳定性n二、轮胎的侧偏特性二、轮胎的侧偏特性n轮胎的侧偏特性是研究汽车
18、操纵稳轮胎的侧偏特性是研究汽车操纵稳定性理论的出发点。定性理论的出发点。n1、轮胎的坐标系与术语、轮胎的坐标系与术语n（1）车轮平面）车轮平面 n（2）车轮中心）车轮中心 n（3）轮胎接地中心）轮胎接地中心 n（4）翻转力矩）翻转力矩 n（5）滚动阻力矩）滚动阻力矩 n（6）回正力矩）回正力矩 n（7）侧偏角）侧偏角 n（8）外倾角）外倾角 n二二、轮胎的侧偏现象、轮胎的侧偏现象n 轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性n三三、 回正力矩（绕轴的力矩）回正力矩（绕轴的力矩）n作业布置作业布置n1、什么是汽车的操纵性、什么是汽车的操纵性和稳定性？和稳定性？n2、什么是弹性轮胎的侧、什么是弹性轮胎的侧偏特性
19、？侧偏刚度的物理偏特性？侧偏刚度的物理意义是什么？意义是什么？n复习提问：复习提问：n1、什么是汽车的操纵性？、什么是汽车的操纵性？n2、什么是汽车的稳定性？、什么是汽车的稳定性？n3、规定轮胎的术语有哪些？、规定轮胎的术语有哪些？n导入语：导入语：n 汽车的操纵稳定性，是汽车的主要使用性能之一，随着汽车的操纵稳定性，是汽车的主要使用性能之一，随着汽车平均速度的提高，操纵稳定性显得越来越重要。它不汽车平均速度的提高，操纵稳定性显得越来越重要。它不仅影响着汽车的行驶安全，而且与运输生产率与驾驶员的仅影响着汽车的行驶安全，而且与运输生产率与驾驶员的疲劳强度有关。疲劳强度有关。n提问：提问：n有哪些
20、因素会影响到汽车的操纵稳定性呢？有哪些因素会影响到汽车的操纵稳定性呢？n重点重点n1、了解和掌握汽车的转向特性、了解和掌握汽车的转向特性n2、了解和掌握汽车转向轮的振动、了解和掌握汽车转向轮的振动 难点难点 汽车的转向特性汽车的转向特性4.1汽车的转向特性n四、汽车的转向特性四、汽车的转向特性n 驾驶员操纵转向盘使汽车转向时，要通过眼睛、手和身驾驶员操纵转向盘使汽车转向时，要通过眼睛、手和身体等感知汽车的转向效果，并经过头脑比较和判断，修正体等感知汽车的转向效果，并经过头脑比较和判断，修正转向盘的操纵，这是通过驾驶员把系统的输出，反馈到输转向盘的操纵，这是通过驾驶员把系统的输出，反馈到输入而构
21、成一个人工闭路系统。如不计入驾驶员的反馈作用，入而构成一个人工闭路系统。如不计入驾驶员的反馈作用，便称为开路系统便称为开路系统。n 它的特点是系统的输出参数对输入控制没有影响。由于它的特点是系统的输出参数对输入控制没有影响。由于驾驶员的反馈作用十分复杂，作为闭路系统研究仍很不成驾驶员的反馈作用十分复杂，作为闭路系统研究仍很不成熟，这里只把汽车作为一个开路系统，研究转向盘输入时熟，这里只把汽车作为一个开路系统，研究转向盘输入时汽车的运动汽车的运动。n 图图4.7 作为开路系统的汽车简图作为开路系统的汽车简图 把汽车作为开路系统进行分析时见图4.7 n改变汽车运动状态的输入量（或称改变汽车运动状态
22、的输入量（或称“干扰干扰”），主要来自三个方面：），主要来自三个方面：n1、驾驶员通过力（力矩）操纵或位置驾驶员通过力（力矩）操纵或位置（转角）操纵转向盘，使前轮转向；（转角）操纵转向盘，使前轮转向；n2、空气动力作用（如横向风）；空气动力作用（如横向风）；n3、路面不平等对汽车的作用。路面不平等对汽车的作用。n 汽车大多数行驶状况下，其侧向加速度汽车大多数行驶状况下，其侧向加速度不超过不超过0.30.4g，可以把它看作一个线性，可以把它看作一个线性动力学系统来分析。线性系统一个重要标动力学系统来分析。线性系统一个重要标志是可以运用叠加原理，可以把一个复杂志是可以运用叠加原理，可以把一个复杂的
23、输出量，分解为简单的输入量，或者有的输出量，分解为简单的输入量，或者有多个输入量时，可按单个输入量求解，然多个输入量时，可按单个输入量求解，然后加以叠加。后加以叠加。n 由输入引起的汽车运动状况，可分为不随时间由输入引起的汽车运动状况，可分为不随时间而变化的稳态与随时间变化的瞬态两种。相应的而变化的稳态与随时间变化的瞬态两种。相应的车辆响应称为稳态响应与瞬态响应。车辆响应称为稳态响应与瞬态响应。例如例如给等速给等速直线行驶的汽车以前轮角阶跃输入，即急速转动直线行驶的汽车以前轮角阶跃输入，即急速转动前轮，然后维持前轮转角不变，一般汽车经过短前轮，然后维持前轮转角不变，一般汽车经过短暂时间后，将进
24、入等速圆周行驶。一定车轮转角暂时间后，将进入等速圆周行驶。一定车轮转角下的下的等速圆周行驶状态便是一种稳态等速圆周行驶状态便是一种稳态。而等速直。而等速直线行驶与等速圆周行驶间的过渡过程便是瞬态。线行驶与等速圆周行驶间的过渡过程便是瞬态。n 汽车的汽车的“等速圆周行驶等速圆周行驶”稳态响应，是评价汽车操纵稳定稳态响应，是评价汽车操纵稳定性的重要特性之一，称为汽车的性的重要特性之一，称为汽车的“稳态转向特性稳态转向特性”。汽车的。汽车的稳态转向特性分成三种类型：稳态转向特性分成三种类型：不足转向、中性转向和过多不足转向、中性转向和过多转向转向。在圆周行驶时，驾驶员使转向盘保持一个固定的转。在圆周
25、行驶时，驾驶员使转向盘保持一个固定的转角，令汽车以不同固定车速行驶，若行驶车速高时，汽车角，令汽车以不同固定车速行驶，若行驶车速高时，汽车的转向半径的转向半径R增大，这种汽车具有不足转向的特性。若汽增大，这种汽车具有不足转向的特性。若汽车的转向半径车的转向半径R不变，这种汽车具有中性转向的特性。若不变，这种汽车具有中性转向的特性。若转向半径愈来愈小，则具有过多转向的特性。只有具有适转向半径愈来愈小，则具有过多转向的特性。只有具有适度不足转向的汽车，才有良好的操纵稳定性。汽车不能具度不足转向的汽车，才有良好的操纵稳定性。汽车不能具有过多转向特性。具有中性转向特性的汽车也不好，因为有过多转向特性。
26、具有中性转向特性的汽车也不好，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而失去稳定。人们已经习惯车通常会转变为过多转向特性而失去稳定。人们已经习惯于驾驶具有不足转向特性的汽车，知道如何通过转向机构于驾驶具有不足转向特性的汽车，知道如何通过转向机构使汽车遵循期望的路径行驶。使汽车遵循期望的路径行驶。n1 、 汽车的稳态转向特性汽车的稳态转向特性n 对汽车曲线运动进行初步分析时，把汽车看作对汽车曲线运动进行初步分析时，把汽车看作平行于路面的平面运动。即汽车没有垂直运动，平行于路面的平面运动。即汽车没有垂直运动，
27、沿沿z轴的位移为零，绕轴的位移为零，绕y轴的俯仰角、绕轴的俯仰角、绕x轴的侧轴的侧倾角均为零。另外假设汽车前进速度不变，即沿倾角均为零。另外假设汽车前进速度不变，即沿x轴的汽车（绝对）速度轴的汽车（绝对）速度u不变。因此汽车只有沿不变。因此汽车只有沿y轴的侧向运动与绕轴的侧向运动与绕z轴的横摆运动这样两个自由度。轴的横摆运动这样两个自由度。n 图图4.9 二自由度汽车模型二自由度汽车模型n 图图4.10 汽车的稳态横摆增益曲线汽车的稳态横摆增益曲线 图4.9是一个由前后两个具有侧向弹性的弹簧（轮胎）支承于地面、具有侧向及横摆的二自由度汽车模型。下面分析中令固结于汽车上的动坐标系原点与汽车重心重
28、合。n当当K=0时，。即稳态横摆角速度增益与车速时，。即稳态横摆角速度增益与车速u成线性关系成线性关系如图如图4.10所示。具有这种特性的汽车，称为中性转向汽车。所示。具有这种特性的汽车，称为中性转向汽车。这个关系就是汽车轮胎无侧偏角时的转向关系。这个关系就是汽车轮胎无侧偏角时的转向关系。n 当当K0时，横摆角速度增益比中性转向时小，即前轮时，横摆角速度增益比中性转向时小，即前轮转过相同的角度，汽车横摆角速度转过相同的角度，汽车横摆角速度要小些，是一条低于要小些，是一条低于中性转向汽车稳态响应线，后来又向下弯曲的曲线。具有中性转向汽车稳态响应线，后来又向下弯曲的曲线。具有这样特性的汽车，称为不
29、足转向汽车。这样特性的汽车，称为不足转向汽车。K值越大，不足转值越大，不足转向量越大。向量越大。n 当当K0时，横摆角速度增益比中性转向时大，即前轮时，横摆角速度增益比中性转向时大，即前轮转过相同的角度，汽车横摆角速度要大。具有这样特性的转过相同的角度，汽车横摆角速度要大。具有这样特性的汽车，称为过多转向汽车。随车速增加，曲线向上弯曲。汽车，称为过多转向汽车。随车速增加，曲线向上弯曲。K值越小，过多转向量越大。值越小，过多转向量越大。n除了稳定性因数除了稳定性因数K外，为了试验分析计算的方便，常外，为了试验分析计算的方便，常引用别的参数来表征汽车的稳态转向特性。引用别的参数来表征汽车的稳态转向
30、特性。n总之，汽车稳态转向特性，取决于稳定性总之，汽车稳态转向特性，取决于稳定性系数系数K的数值。把汽车简化为二个自由度模的数值。把汽车简化为二个自由度模n型进行分析时，型进行分析时，K值取决于重心位置、轴距值取决于重心位置、轴距及前后轮侧偏刚度的匹配。当重心向前移及前后轮侧偏刚度的匹配。当重心向前移动或动或n减小前后轴轮胎侧偏刚度比时，会增加汽减小前后轴轮胎侧偏刚度比时，会增加汽车的不足转向量。车的不足转向量。n2 、 汽车的瞬态响应汽车的瞬态响应n给等速直线行驶的汽车以前轮角阶跃输给等速直线行驶的汽车以前轮角阶跃输入，经过短暂时间后，将进入等速圆周行入，经过短暂时间后，将进入等速圆周行驶。
31、等速直线行驶与等速圆周行驶的过渡驶。等速直线行驶与等速圆周行驶的过渡过程便是瞬态，相应的响应称为前轮角阶过程便是瞬态，相应的响应称为前轮角阶跃输入引起的汽车瞬态响应。在一般汽车跃输入引起的汽车瞬态响应。在一般汽车行驶时，实际上驾驶员不断接触到的是汽行驶时，实际上驾驶员不断接触到的是汽车的瞬态响应。车的瞬态响应。n 图图4.11 转向盘阶跃输入时的汽车瞬态响应转向盘阶跃输入时的汽车瞬态响应图4.11 转向盘阶跃输入时的汽车瞬态响应n图图4.11所示为一辆直线行驶汽车，驾驶员在处突然猛打转所示为一辆直线行驶汽车，驾驶员在处突然猛打转向盘，转过某一角度后，保持转向盘不动，即给汽车一个向盘，转过某一角
32、度后，保持转向盘不动，即给汽车一个转向盘角阶跃输入后的瞬态响应曲线。当车速不变时，汽转向盘角阶跃输入后的瞬态响应曲线。当车速不变时，汽车横摆角速度本应立即达到相应的，但实际上汽车横摆角车横摆角速度本应立即达到相应的，但实际上汽车横摆角速度的变化为。作为这一过程的评价指标如下：速度的变化为。作为这一过程的评价指标如下：n （1）响应时间）响应时间 以转向盘转角达到终值的以转向盘转角达到终值的50%的时刻，的时刻，作为时间坐标原点，到所测横摆角速度第一次过渡到新稳作为时间坐标原点，到所测横摆角速度第一次过渡到新稳态值的态值的50%所用的时间，称为响应时间。这段时间应尽量所用的时间，称为响应时间。这
33、段时间应尽量短些，短些， 响应时间太长，驾驶员将感到汽车转向反应迟钝。响应时间太长，驾驶员将感到汽车转向反应迟钝。n（2）峰值响应时间）峰值响应时间 从时间坐标原点开始，到所测横摆角从时间坐标原点开始，到所测横摆角速度响应达到第一个峰值止，速度响应达到第一个峰值止， 这段时间称为峰值响应时这段时间称为峰值响应时间。由于打转向盘的起始时间难以准确确定，而且开始转间。由于打转向盘的起始时间难以准确确定，而且开始转动及停止动及停止 转动转向盘前，转向盘转角变化速率较大，所转动转向盘前，转向盘转角变化速率较大，所以响应时间与峰值响应时间只是一个相互比较以响应时间与峰值响应时间只是一个相互比较 的参考性
34、的参考性数据。数据。n （3）横摆角速度超调量）横摆角速度超调量 在时，横摆角速度达到最大值，在时，横摆角速度达到最大值，往往大于，的百分数称为超调量。超调量表明瞬态响应中往往大于，的百分数称为超调量。超调量表明瞬态响应中执行指令误差的大小。超凋量越小越好。减小超调量可使执行指令误差的大小。超凋量越小越好。减小超调量可使横摆角速度波动较快衰减横摆角速度波动较快衰减。n（4）横摆角速度的波动量）横摆角速度的波动量 在瞬态响应中，横摆角速度值在瞬态响应中，横摆角速度值在值上、下波动。车速一定时，值的波动表现在转向半径在值上、下波动。车速一定时，值的波动表现在转向半径R的时大时小，这就增加了驾驶的困
35、难。汽车横摆角速度的时大时小，这就增加了驾驶的困难。汽车横摆角速度的波动周期的波动周期T或频率，也是评价瞬态响应的重要参数。或频率，也是评价瞬态响应的重要参数。n （5）稳定时间）稳定时间 横摆角速度达到稳定值的横摆角速度达到稳定值的95%105%之间的时间，称为稳定时间。这段时间应尽量短些，凡是之间的时间，称为稳定时间。这段时间应尽量短些，凡是能使横摆角速度加快衰减的因素，也是使稳定时间缩短的能使横摆角速度加快衰减的因素，也是使稳定时间缩短的因素。因素。n少数汽车可能出现横摆角速度不收敛情况，即越来越少数汽车可能出现横摆角速度不收敛情况，即越来越大，若车速不变即转向半径大，若车速不变即转向半
36、径R越来越小，就会急剧增加离越来越小，就会急剧增加离心力，汽车将发生侧滑或侧翻等危险情况。心力，汽车将发生侧滑或侧翻等危险情况。n 五、五、汽车转向轮的振动汽车转向轮的振动n 汽车在行驶过程中，有时出现转向轮的左右摆动和上下跳动。转向汽车在行驶过程中，有时出现转向轮的左右摆动和上下跳动。转向轮的振动使轮胎磨损急剧增加，并增加了转向机构的动载荷，降低零轮的振动使轮胎磨损急剧增加，并增加了转向机构的动载荷，降低零件使用寿命，同时也严重影响行驶安全。件使用寿命，同时也严重影响行驶安全。n汽车的转向轮通过悬架及转向机构与车架相连，这些互相联系的汽车的转向轮通过悬架及转向机构与车架相连，这些互相联系的机
37、件，组成了弹性振动系统。一是前轴绕纵轴的角振动，另一是前轮机件，组成了弹性振动系统。一是前轴绕纵轴的角振动，另一是前轮绕主销的角振动。直线行驶的汽车，当车轮越过单个凸起或凹坑时，绕主销的角振动。直线行驶的汽车，当车轮越过单个凸起或凹坑时，前轮产生绕汽车纵轴的角振动。前轮将绕主销偏转，如果左轮升高，前轮产生绕汽车纵轴的角振动。前轮将绕主销偏转，如果左轮升高，车轮将向右偏转；如果左轮下降，车轮将向左偏转，即激发了前轮绕车轮将向右偏转；如果左轮下降，车轮将向左偏转，即激发了前轮绕主销的角振动，同时，由于陀螺效应，车轮绕主销的角振动，会反过主销的角振动，同时，由于陀螺效应，车轮绕主销的角振动，会反过来
38、加剧前轴绕汽车纵轴的角振动。严重地破坏了汽车直线行驶的稳定来加剧前轴绕汽车纵轴的角振动。严重地破坏了汽车直线行驶的稳定性。为了避免这种现象，要求减小悬架下前轴系统的转动惯量，提高性。为了避免这种现象，要求减小悬架下前轴系统的转动惯量，提高角振动的固有频率；改善公路状况，提高路面平整度；适当降低轮胎角振动的固有频率；改善公路状况，提高路面平整度；适当降低轮胎气压，增加轮胎吸振能力。气压，增加轮胎吸振能力。n 图图4.12 车轮不平衡对转向轮振动的影响车轮不平衡对转向轮振动的影响n车轮的不平衡可以引起周期性的激励，造成转向轮的振动。车轮的不平衡可以引起周期性的激励，造成转向轮的振动。如图如图5.1
39、3所示。车轮转动时，其不平衡质量所引起的离心所示。车轮转动时，其不平衡质量所引起的离心力的水平分力，与力臂形成力矩。此力矩直接使车轮偏转，力的水平分力，与力臂形成力矩。此力矩直接使车轮偏转，其数值按正弦关系作周期性变化，变化的频率决定于汽车其数值按正弦关系作周期性变化，变化的频率决定于汽车的行驶速度。此外，离心力的垂直分力，则引起车轮的上的行驶速度。此外，离心力的垂直分力，则引起车轮的上下跳动，其特性与上述相同。下跳动，其特性与上述相同。n 当左右车轮都不平衡，且不平衡质量处于对称位置时，当左右车轮都不平衡，且不平衡质量处于对称位置时，则振动更为严重。为了避免因车轮不平衡引起的振动，要则振动更
40、为严重。为了避免因车轮不平衡引起的振动，要求无论是新轮胎或经翻修过的轮胎，在装用之前，都要进求无论是新轮胎或经翻修过的轮胎，在装用之前，都要进行动平衡试验，并消除不平衡因素。对于高速行驶的车，行动平衡试验，并消除不平衡因素。对于高速行驶的车，对车轮的不平衡度要求也高对车轮的不平衡度要求也高归纳总结n汽车的稳态转向特性汽车的稳态转向特性: 分成三种类型分成三种类型_不足转向、中性转向和过多转向。只有具有适度不足转向不足转向、中性转向和过多转向。只有具有适度不足转向的汽车，才有良好的操纵稳定性。的汽车，才有良好的操纵稳定性。n汽车的稳态转向特性分析：，式中汽车的稳态转向特性分析：，式中G1，G2前
41、后轴的垂直载荷；前后轴的垂直载荷；K稳定性因数。稳定性因数。n 当当K=0时，。即稳态横摆角速度增益与车速时，。即稳态横摆角速度增益与车速u成线性关系。具有这种特性的汽车，称为中性转向成线性关系。具有这种特性的汽车，称为中性转向汽车。这个关系就是汽车轮胎无侧偏角时的转向关系。汽车。这个关系就是汽车轮胎无侧偏角时的转向关系。n 当当K0时，横摆角速度增益比中性转向时小，即前轮转过相同的角度，汽车横摆角速度时，横摆角速度增益比中性转向时小，即前轮转过相同的角度，汽车横摆角速度要小些。要小些。具有这样特性的汽车，称为不足转向汽车。具有这样特性的汽车，称为不足转向汽车。K值越大，不足转向量越大。值越大
42、，不足转向量越大。n 当当K0时，横摆角速度增益比中性转向时大，即前轮转过相同的角度，汽车横摆角速度要大。时，横摆角速度增益比中性转向时大，即前轮转过相同的角度，汽车横摆角速度要大。具有这样特性的汽车，称为过多转向汽车。具有这样特性的汽车，称为过多转向汽车。K值越小，过多转向量越大。值越小，过多转向量越大。 n用前后轴侧偏角差来表征汽车稳态转向特性：用前后轴侧偏角差来表征汽车稳态转向特性：n即当即当 K=0时，汽车为中性转向，时，汽车为中性转向，nK0时，汽车为不足转向，时，汽车为不足转向，0nK0时，汽车为过多转向，时，汽车为过多转向，0n用转向半径比值表征汽车稳态转向特性：用转向半径比值表
43、征汽车稳态转向特性：n 当当K=0时，时，=1，汽车为中性转向。转向半径不随车速变化，始终等于。，汽车为中性转向。转向半径不随车速变化，始终等于。nK0时，时，1，汽车为不足转向。转向半径总大于，且随车速的增加而加大。，汽车为不足转向。转向半径总大于，且随车速的增加而加大。nK0时，时，1，汽车为过多转向。转向半径总小于，且随车速的增加而减小。，汽车为过多转向。转向半径总小于，且随车速的增加而减小。n汽车瞬态响应：给等速直线行驶的汽车以前轮角阶跃输入，经过短暂汽车瞬态响应：给等速直线行驶的汽车以前轮角阶跃输入，经过短暂时间后，将进入等速圆周行驶。等速直线行驶与等速圆周行驶的过渡时间后，将进入等
44、速圆周行驶。等速直线行驶与等速圆周行驶的过渡过程便是瞬态，相应的响应称为前轮角阶跃输入引起的汽车瞬态响应。过程便是瞬态，相应的响应称为前轮角阶跃输入引起的汽车瞬态响应。n汽车瞬态响应过程的评价指标有：响应时间、峰值响应时间、横摆角汽车瞬态响应过程的评价指标有：响应时间、峰值响应时间、横摆角速度超调量、横摆角速度的波动量、稳定时间。速度超调量、横摆角速度的波动量、稳定时间。n汽车转向轮的振动：汽车在行驶过程中，有时出现转向轮的左右摆动汽车转向轮的振动：汽车在行驶过程中，有时出现转向轮的左右摆动和上下跳动的现象。转向轮的振动使轮胎磨损急剧增加，并增加了转和上下跳动的现象。转向轮的振动使轮胎磨损急剧
45、增加，并增加了转向机构的动载荷，降低零件使用寿命，同时也严重影响行驶安全。当向机构的动载荷，降低零件使用寿命，同时也严重影响行驶安全。当左右车轮都不平衡，且不平衡质量处于对称位置时，则振动更为严重。左右车轮都不平衡，且不平衡质量处于对称位置时，则振动更为严重。为了避免因车轮不平衡引起的振动，要求轮胎在装用之前，都要进行为了避免因车轮不平衡引起的振动，要求轮胎在装用之前，都要进行动平衡试验，并消除不平衡因素。对于高速行驶的车，对车轮的不平动平衡试验，并消除不平衡因素。对于高速行驶的车，对车轮的不平衡度要求也高。衡度要求也高。作业布置n1、汽车的稳态转向特性有几种？一般汽车应汽车的稳态转向特性有几
46、种？一般汽车应具有哪些性质的转向特性？为什么？具有哪些性质的转向特性？为什么？n2、什么是汽车的稳定性系数、什么是汽车的稳定性系数K？有几种方式？有几种方式可以判定或表征汽车的稳态转向特性？可以判定或表征汽车的稳态转向特性？n3、汽车转向时瞬态响应好坏评价指标是什么、汽车转向时瞬态响应好坏评价指标是什么？n 4、复习预习、复习预习4.2谢谢观看/欢迎下载BYFAITHIMEANAVISIONOFGOODONECHERISHESANDTHEENTHUSIASMTHATPUSHESONETOSEEKITSFULFILLMENTREGARDLESSOFOBSTACLES.BYFAITHIBYFAITH
