汽车使用性能与检测 情境5 汽车操纵稳定性与检测

3）轮胎的结构、工作条件 对侧偏特性的影响
4）回正力矩—绕OZ轴的 力矩
任务二：轮胎的侧偏特性
二、轮胎的侧偏现象与侧偏力-侧偏角曲线
侧偏力 ：地面给车轮的侧向反作用力。
➢刚性轮
当车轮有侧向力作用时，当FY
没有达到附着极限时，车轮与地面 没有滑动，车轮仍沿车身平面cc的
方向行驶。当FY 达到附着极限时，
任务一：操纵稳定性的研究对象与评价指标
三、车辆坐标系与转向盘角阶跃输入下的时域响应
稳态响应：汽车的时域响应不随时间变化；其特性通常可分 为：不足转向、中性转向、过多转向三种。
任务一：操纵稳定性的研究对象与评价指标
三、车辆坐标系与转向盘角阶跃输入下的时域响应
瞬态响应：汽车的时域响应随时间变化。
图为方向盘阶跃输入下的汽车瞬态响 应，汽车的瞬态响应汽车二阶惯性环 节特点： ➢时间上的滞后； ➢横摆角速度超调； ➢横摆角速度的波动； ➢进入稳态要经历时间。
任务一：操纵稳定性的研究对象与评价指标
四、试验方法及评价指标
汽车操纵稳定性的两种评价方法
➢客观评价法 通过测试仪器测出表征性能的物理参量如横摆加速度、侧向加速度、侧倾角 及转向力等来评价操纵稳定性的方法。
(k1
k2)
1 u
(ak1
bk2 )r
k1
m(v ur )
(ak1
bk2 )
1 u
(a2k1
b2k2 )r
ak1
I Z r
任务三：线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 二、前轮角阶跃输入下进入的汽车稳态响应
稳态响应
➢ 汽车等速行驶时，在前轮角阶跃输入下进入的稳
态响应就是等速圆周行驶。
对于车身转动某一角度。这使轮心运动方向发生变化，具有与侧偏现 象相同的效果，所以这种现象称为运动学侧偏，或称轴转向。
任务四：转向特性的影响因素及改善措施
一、转向特性的影响因素
7．侧倾时车轮外倾角变化的影响 车身侧倾时，由于悬架型式的不同，车轮外倾角会发生变化，使
轮心前进方向发生变化，这与轮胎侧偏具有相同效果，可以使汽车的 转向特性发生变化。
➢主观评价法 让试验者根据自己的感觉进行评价，按规定的项目和评分方法进行评价。
方向盘阶跃输入下进入的稳态响应评价
稳态横摆增益曲线 r / u、a 横摆角速度增益（又称为转向灵敏度）、
稳定性因数K。
任务一：操纵稳定性的研究对象与评价指标
任务思考
1．什么是汽车的操纵稳定性？ 2．简述汽车操纵稳定性的基本内容及评价所用的物理量。 3．转向盘角阶跃输入下的时域响应包括哪两个方面？分别解释它 们的含义。 4．什么是横摆角速度频率响应特性？ 5．汽车操纵稳定性试验评价有哪几种方法？各有何特点？ 6．评价汽车操纵稳定性的特性曲线与评价指标主要有哪几个参数？
转向关系。
s L
➢ 不足转向：K>0，此时横摆角度增益比中性转向时小，是一条下弯的曲线
当横摆角速度增益最大时，uch 1 K , 表征不足转向的一个参数。
uch 称为特征车速，它是
任务三：线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应
二、前轮角阶跃输入下进入的汽车稳态响应
➢ 过多转向：K<0，此时横摆角速度增益比中性转向时大，是一条上弯的曲线。当横摆角速
任务四：转向特性的影响因素及改善措施 一、转向特性的影响因素
5．左、右轮垂直载荷再分配的影响
轮胎侧偏刚度在一定范围内随垂直载荷的增加而增加。在侧向力 作用下，若前轴左、右轮垂直载荷变动量大，则汽车趋向于减少不足 转向性。
任务四：转向特性的影响因素及改善措施
一、转向特性的影响因素
6．轴转向的影响 车身侧倾时，由于悬架导向杆件的运动学关系，会使前轴或后轴相
任务二：轮胎的侧偏特性
三、轮胎结构、使用条件对侧偏特性的影响
车速对侧偏刚度的影响很小。
切向力侧偏刚度的影响。
任务二：轮胎的侧偏特性
四、轮胎侧偏时的回正力矩
回正力矩的产生
任务二：轮胎的侧偏特性
任务思考
1．什么是侧偏现象和侧偏特性？ 2．轮胎的侧偏特性主要受哪些因素的影响？ 3．轮胎结构对轮胎的侧偏特性有怎样的影响？ 4．路面对轮胎的侧偏特性有怎样的影响？ 5．回正力矩是如何产生的？它的大小受哪些因素的影响？
➢ 常用稳态横摆角度速度与前轮转角之比来评价稳
态响应。这个比值称为稳态角速度增益，也称为转向
灵敏度。
r u / L 1 Ku2
任务三：线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 二、前轮角阶跃输入下进入的汽车稳态响应
稳态响应的三种类型
根据稳定性因数K，汽车的稳态响应可分为三类：
➢ 中性转向：K=0，Wr u 此关系就是汽车以极低车速行而无侧偏角时的
以上的性能都可以由汽车操纵稳定性进行解释，汽车操纵稳定性 不仅影响汽车驾驶操作的方便程度，而且也是决定汽车高速行驶安 全的一个重要性能。
情境五 汽车操纵稳定性与检测
任务一：操纵稳定性的研究对象与评价指标
任务一：操纵稳定性的研究对象与评价指标 任务目标：
1.转向盘角阶跃输入下的时域响应 2.汽车操纵稳定性试验的评价方法
侧偏特性曲线：描述侧偏力—侧偏角关系的曲线
在曲线线性段： FY k
称为侧偏角，k称为侧偏刚度。
轮胎的最大侧偏力取决于附着条件 ，即垂直载荷，轮胎花纹、材料、结 构尺寸、充气压力，路面的材料、结 构、潮湿程度以及车轮的外倾角等。
一般而言，最大侧偏力越大，汽车 的极限性能越好。
任务二：轮胎的侧偏特性 三、轮胎结构、使用条件对侧偏特性的影响
任务四：转向特性的影响因素及改善措施 一、转向特性的影响因素
2．轮胎气压的影响
轮胎气压对侧偏刚度影响很大，降低轮胎气压，侧偏刚度下降， 可以产生较大的侧偏角。
任务四：转向特性的影响因素及改善措施 一、转向特性的影响因素
3．轮胎结构的影响
不同结构（帘布层数、扁平率等）、不同型式（子午线轮胎、普 通斜交轮胎）的轮胎，侧偏刚度不同，可能使汽车具有过多转向性。
任务四：转向特性的影响因素及改善措施
二、提高操纵稳定性的电子控制系统
1．四轮转向系统4WS
电控4WS汽车转弯行驶时，后两轮 也随着前两轮有相应的转向运动。而一 般两轮转向(2WS)汽车在中、高速作圆 周行驶时，车身后部甩出一点，车身以 稍稍横着一点的姿态作曲线运动，增加 了驾驶员在判断与操作上的困难。电控 4WS汽车的质心侧偏角总接近于零，车 厢与行驶轨迹方向一致，汽车自然流畅 地作曲线运动，驾驶员能方便地判断与 操作，显著地改善了操纵稳定性。
轮 胎 扁 平 率 （ H/B） 对侧偏特性的影响。
任务二：轮胎的侧偏特性 三、轮胎结构、使用条件对侧偏特性的影响
轮胎的垂直载荷对侧偏特性的影响 侧偏刚度随垂直载荷的增大而增大，但垂直载荷过大，侧偏刚度反而会减小。
任务二：轮胎的侧偏特性 三、轮胎结构、使用条件对侧偏特性的影响
轮胎气压对侧偏特性的影响 气压增大，侧偏刚度增大， 但气压过高，侧偏刚度不再 变化。
任务四：转向特性的影响因素及改善措施 一、转向特性的影响因素
4．驱动型式的影晌
转向时施加于轮胎上的切向力增加，轮胎的侧偏刚度下降，使产 生的侧偏角增加。因此，后轮驱动的车辆，转向时施加驱动力，使后 轮侧偏角增加，有减少不足转向性而向过多转向性转化的倾向；前轮 驱动的汽车，转向时施加驱动力，使前轮侧偏角增加，有增加不足转 向性的作用。
（3）在特定条件下，u=常数，汽车只有侧向运动与横摆运动。
（4）侧向加速度小于0.4g，轮胎侧偏特性属于线性范围。 （5）忽略地面切向力对轮胎侧偏特向的影响。 （6）忽略空气阻力的作用。 （7）忽略左、右车轮垂直载荷变化对轮胎特性的影响。 （8）忽略轮胎回正力矩的作用。
任务三：线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 一、线性二自由度汽车模型的运动微分方程
任务四：转向特性的影响因素及改善措施 一、转向特性的影响因素
8．轮胎回正力矩对侧偏的影响
回正力矩（即稳定力矩），汽车转弯时各轮上都受回正力矩的作 用，有使前后轴侧偏角加大的效果。作用在前轮上的回正力矩，有增 加不足转向的倾向；作用在后轮上的回正力矩，有减少不足转向的倾 向。由于前轮的回正力矩较大，故汽车回正力矩的总效果往往趋向于 增加不足转向性。
任务三：线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应
任务思考
1.表征汽车稳态响应的参数有哪些？ 2.汽车稳态响应分为哪几种类型？对汽车的操纵稳定性各有什么影 响？ 3.什么是特征车速和临界车速？汽车处于特征车速或临界车速时转 向有何特点？ 4.如何用汽车的横摆角速度增益、稳定性因数表示汽车的转向特性？ 5.什么是弹性轮胎的侧偏特性？ 6.为什么操纵稳定性良好的汽车应具有适度的不足转向特性？
度增益趋于无穷大时， uch 1 ,uch 称为临界车速。任务三：线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应
二、前轮角阶跃输入下进入的汽车稳态响应
➢ 过多转向：K<0，此时横摆角速度增益比中性转向时大，是一条上弯的曲线。当横摆角速
度增益趋于无穷大时， uch 1 K ,uch 称为临界车速。
情境五 汽车操纵稳定性与检测
情境描述：
根据道路及交通情况，汽车有时直线行驶，有时沿曲线行驶。在 出现意外情况时，驾驶者还要做出紧急的转向操作，以避免事故。 此外，汽车在行驶中还不断受到地面不平和大风等外界因素的干扰。
汽车能够按照驾驶员通过转向系及转向车轮给定的方向（直线或 转弯）行驶；且当受到外界干扰（路不平、侧风、货物或乘客偏载） 时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的性能。
任务四：转向特性的影响因素及改善措施
二、提高操纵稳定性的电子控制系统
2．车辆稳定性控制系统VSC
情境五 汽车操纵稳定性与检测
任务二：轮胎的侧偏特性
任务二：轮胎的侧偏特性
任务目标：
1.轮胎的侧偏特性 2.轮胎的侧偏特性的影响因素 3.回正力矩的影响因素
任务二：轮胎的侧偏特性 一、轮胎的坐标系
轮胎的侧偏特性主要是指侧偏力、回正力矩与侧偏角间的关系。是研究操纵
稳定性的基础。
1）轮胎的坐标系
2）轮胎的侧偏现象和侧偏 力—侧偏角曲线
情境五 汽车操纵稳定性与检测
任务三：线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应
任务三：线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 任务目标：
1.稳定性因数 2.汽车稳态转向特性的三种类型
任务三：线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应
一、线性二自由度汽车模型的运动微分方程
1）模型简化
（1）忽略转向系的影响，直接以前轮转角作为输入。 （2）忽略悬架的作用，认为汽车只作平行于地面的平面运动。
任务一：操纵稳定性的研究对象与评价指标 一、人-车系统
人-车系统是一个闭路系统。
任务一：操纵稳定性的研究对象与评价指标 二、评价物理参量
• 汽车在转向盘输入或外界干扰输入下的侧向运动响应随时 间而变化的特性称为时域响应特性。
• 转向盘输入有角位移输入和力矩输入。 • 外界干扰输入主要是指侧向风和路面不平产生的侧向力。
任务一：操纵稳定性的研究对象与评价指标
三、车辆坐标系与转向盘角阶跃输入下的时域响应
车辆坐标系
X方向：前进、倒驶 绕X轴的转动：侧倾运动 Y方向：侧向运动 绕Y轴的转动：俯仰运动 Z方向：垂直运动 绕Z轴的转动：横摆运动
➢ 与操纵稳定性有关的主要运动参量：横摆角速度 r、侧向速度 、侧向加
速度 a y 等等。
车轮与地面有滑动，车轮有侧向行 驶。
任务二：轮胎的侧偏特性
二、轮胎的侧偏现象与侧偏力-侧偏角曲线
➢ 弹性轮胎在侧性力作用时的运 动状态
侧偏现象：当车轮有侧向力作
用时，FY 没有达到附着极限，车
轮行驶方向亦将偏离车轮平面的 方向。这就是轮胎的侧偏现象。
任务二：轮胎的侧偏特性
二、轮胎的侧偏现象与侧偏力-侧偏角曲线
情境五 汽车操纵稳定性与检测
任务四：转向特性的影响因素及改善措施
任务四：转向特性的影响因素及改善措施 任务目标：
1.转向特性的影响因素 2.提高操纵稳定性的电子控制系统的类型与特点
任务四：转向特性的影响因素及改善措施 一、转向特性的影响因素
1．汽车的质量分配与车轮侧偏刚度的匹配
在汽车设计及改装中，应使汽车的质量在前后轴上的分配与车轮 的侧偏刚度相适应，使稳定性因数K>O，以保证汽车的不足转向性。 前置发动机前驱动的轿车，前轴上的轴荷较大，转弯时前轴承担的离 心惯性力较大，在前后车轮侧偏刚度相同的情况下，前轮会产生较大 的侧偏角，故趋向于呈不足转向。反之，后置发动机后驱动的轿车则 趋向于呈过多转向。