汽车操纵稳定性

Fcy Fc
2. 稳态响应
操纵汽车时，可以将汽车看成一个能施加输入信
号的控制系统。转向时驾驶员所给出的前轮转角δ 是对系统的输入，而汽车的输出运动如等速圆周
运动就是系统的响应。通常将稳态横摆角速度ωz
视为系统响应的一个重要参数。常用输出与输入 的比值，如稳态横摆角速度与前轮转角之比 来z
评价稳态响应。 称z 为稳态横摆角速度增益，也
3. 转向特性类型
若将弹性车轮的转向半径与刚性车轮转向半径比较，可将汽 车的转向特性分为不足转向特性、中性转向特性和过多转向特 性。 若α1=α2，则R=R0，称汽车具有中性转向特性。 若α1＞α2，则R＞R0，称汽车具有不足转向特性。 若α1＜α2，则R＜R0，称汽车具有过多转向特性。
4. 转向特性表征
FCcosβhg≤FCsinβB/2+GcosβB/2+Gsinβhg 当汽车沿半径为R之圆周等速行
驶时有:
FC
Gu 2 gR
利用以上两式解得：
u max
gR(B 2hgtg ) 2hg Btg
3. 汽车侧向稳定性条件
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：
4．汽车车轮
轮胎结构 宽系列轮胎 子午线轮胎
Fy
1 2
FZφ α
轮胎的结构不能随意更换
轮胎的侧偏特性
车轮平衡
1－子午线轮胎；2－普通斜交轮胎
高速行驶的汽车，若车轮特别是转向轮不平衡，则会引起车轮的跳动
简化的汽车模型
☆ 忽略转向系影响，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轴横摆运 动；☆ 驱动力不大，对侧偏特 性无影响；☆ 忽略空气阻力； ☆ 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。
由侧偏力与侧偏角的关系可得前、后轴相应的侧偏角
1 2
bmu 2 k1LR amu 2 k2 LR
稳态响应
故可得横摆角速度增益
z
1
m L2
u/L ( b a )u2 k1 k2
1
u
/L Ku
2
式中 K―稳定性因数（s2/m2）
K m(b a)
L2 1 2
汽车横摆角速度增益与稳定性因数K紧密相关，K是 表征汽车稳态响应的一个重要参数。
R=L/[δ-（α1－α2）] 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。
三、汽车稳态转向特性
汽车稳态转向特性：指转向工况不随时间而变的汽车行驶状况，即没有 外界扰动，车速恒定，转向盘指令固定不变，汽车的输出运动达到稳 定平衡状态。 1. 汽车模型 车辆坐标系
2. 驱动轮不滑转的最大道路坡度角
设后轮刚发生滑转的的道路坡度角为 max
由受力图知：
FZ 2
aG cos max
hgG sin max
L
FX 2 max Fz2 G sin max
联立解得：
max
=arctan
L
a hg
α＞ max 时，汽车上坡，驱动轮就滑转
3. 汽车纵向稳定性条件 （后轮驱动）
2. 轮胎的侧偏特性 侧向力Fy和侧偏角α的关系
Fy
Fy k
轮胎的侧偏特性
轮胎的侧偏特性
在侧偏角不超过可4°～5°时，侧偏力Fy与侧偏角α成线性关系，可由
下式表示： Fy k
k 28 ~ 80KN / rad
Fy
FZφ
式中 k—侧偏刚度，其单位为N/（°）
1 2
或N/rad，它表示轮胎侧偏一度或一弧度
)
在汽车设计及改装中，应使前后轴载荷分配与车 轮的侧偏刚度相适应，使稳定性因数K>0，以保 证汽车的不足转向特性。
3．汽车的驱动型式
施加于驱动轮上的切向力增加，车轮的侧偏刚 度将下降。因此，后轮驱动车辆，转向时有减少 不足转向特性、向过多转向特性变化的趋势；前 轮驱动车辆，转向时有增加不足转向特性的趋势。
第四章 汽车操纵稳定性
学习内容：
汽车行驶稳定性
汽车转向特性 影响汽车操纵稳定性的因素
§4-1 汽车行驶稳定性
一、汽车 侧向稳定性 侧向稳定性：汽车抵抗侧翻和侧滑的能力。 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。 1. 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
二、汽车纵向稳定性
汽车纵向稳定性：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。
因汽车上坡比下坡更容易纵翻，且后轮驱动汽 车容易纵翻。因此，下面以4×2后轮驱动汽车等 速上坡为例说明汽车不产生纵翻的条件。
1. 汽车不纵翻的最大道路坡度
汽车上坡时的受力分析 后轮驱动、匀速上坡、令Fw=0，Tf=0
汽车等速上坡受力图
纵向稳定性
不纵翻的最大道路坡度角αmax 当FZ1=0时，失去转向能力，并可能产生纵向翻倒。
由FZ1
bG cos
hgG sin
L
0得
max
arctan
b hg
为不致纵翻，路面纵向坡度角：
α＜αmax 由上式知：b↑，hg↓，αmax则越大，越不易纵翻。
S.M.=0 ，具有中性转向特性 S.M.>0 ，具有不足转向特性 S.M.<0 ，具有过多转向特性
5．不同转向特性对操纵稳定性的影响
转向稳定性
z
u/L 1 Ku2
K 0
K 0
K 0
转向运动特征
ucr
uch u
过多转向汽车车速达到临界车速时将失去稳定性。因为只要 一个很小的转角，横摆角速度增益z/ 就趋于无穷大，必 将导致汽车急转而发生侧滑或侧翻。
概念
侧偏力FY 侧向力Fy
刚性轮
Fy
V
Fy
C FY
uV
FY
Fy
v
C FY
Fy l Fz
Fy l Fz
轮胎的侧偏特性
概念
侧偏力FY 侧向力Fy 侧偏现象
侧偏角
弹性轮胎
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
R0=L/δ
2. 弹性车轮转向几何关系
设前轮转过δ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α1、 α2，相应的速度方向变为u1′、u2′， 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（δ-α1）+tanα2] 当转角不大（高速行驶δ不大）时， tan（δ-α1）+ tanα2≈δ－α1＋α2， 则有：
§4-3 影响汽车操纵稳定性的因素
1．汽车质心位置变化
mb a
K
L2
(
1
2
)
若质心前移，转向时前轮的侧偏力增大，使前轮的侧偏角 增大，从而增加了汽车的不足转向量；反之，质心后移， 就减少了汽车的不足转向量，或汽车趋向于过多转向特性。
2. 汽车前后轴载荷分配与车轮侧偏刚度的匹配
K
m L2
(b
1
a
2
↑ ，如下图：
轮胎侧偏特性的影响因素 轮胎充气压力
轮胎充气压力对轮胎侧偏刚度具有显著影响。轮
胎充气压力↑ ，k ↑
Fy
胎压p
轮胎侧偏特性的影响因素
轮胎的垂直载荷
在一定范围内，载荷↑ （FZ ↑ ） ，k ↑，但载荷↑太大时，k↓
Fy
轮胎侧偏特性的影响因素
路面状况 路面粗糙程度、干湿状况对轮胎的侧偏特性，尤
u u m ax ＜ m ax
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：
l
B 2hg
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
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。
4. 汽车侧向稳定性标准
GB7258-2012《机动车运行安全技术条件》中规定： 客车在静态状态下，向左侧和右侧倾斜最大侧倾稳定角不 允许小于28°；罐式汽车和罐式挂车在满载、静态状态下， 向左侧和右侧倾斜最大侧倾稳定角不允许小于23°；以下 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：总质量为整备质量的1.2倍以下的车辆不允许小于 30°，总质量不小于整备质量的1.2倍的专用作业车和轮 式专用机械车不允许小于32°；其他汽车不允许小于 35°。
FC
Gu 2 gR
整理方程得侧滑前所允许
达到的最高车速为：
u max
gR(l tg ) 1 l tg
2. 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 u max
侧向稳定性
汽车在侧向坡道上行驶侧翻的临界条件 当Fzr=0时，汽ห้องสมุดไป่ตู้可能失去侧向稳定而向左侧翻，其不侧翻
的条件为:
称转向灵敏度。
z 的计算如下：
因z
u R
z
u/R
L / R 1 2
假定汽车在水平道路作等速圆周运动
则有
:
Fcy
Gu 2 gR
FY1 cos FY 2 Fcy
aFY1 cos
bFY 2
IZ
dZ
dt
Fcy Fc
稳态响应
考虑到转向角δ较小，得
FY 1
bmu2 LR
FY 2
amu2 LR
用稳定性因数K表征
中性转向 K=0
不足转向 K＞0
过多转向 K＜0
汽车稳态转向特性
用α1-α2差值表征
刚性车轮转向半径 :
R0
L
弹性车轮转向半径 : R
L
(1 2 )
α1-α2=0，说明R=R0，汽车具有中性转向特性。 α1-α2＞0，说明R＞R0，汽车具有不足转向特性。 α1-α2＜0，说明R＜R0，汽车具有过多转向特性。
不足转向汽车稳定性好，但转向灵敏性差，在相同的弯道行 驶时，前轮的转角较大，驾驶者应多转一下转向盘。
中性转向汽车趋于两者之间，但有向过多转向变化的危险。
直行抗干扰能力
中性转向
直行抗干扰能力 差，驾驶麻烦， 轮胎磨损严重
中性转向特性汽车运动简图
过多转向
无直行抗干扰能力， 驾驶操纵性差，是 一种不稳定的转向 特性
其对最大侧偏力有很大影响。试验证明，粗糙的 路面使最大侧偏力增加；干路面上的最大侧偏力 比湿路面大；当路面有薄水层时，车速达到一定 值，会出现“滑水”现象而完全丧失侧偏力。
二、汽车转向运动学
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/tanδ
当前轮转角不大时， tanδ≈δ，δ用弧度表示， 于是上式可写成：
α
所需的侧偏力。
轮胎的侧偏特性
α通常在3°以内，一般不超过5°。 1－子午线轮胎；2－普通斜交轮胎
轮胎的侧偏特性 轮胎侧偏引起的回正力矩
回正力矩产生原理
回正力矩—侧偏角曲线
3. 轮胎侧偏特性的影响因素 轮胎的结构形式
半径尺寸↑的轮胎，k ↑ ； 子午线轮胎接地面宽，k大； 钢丝轮胎比尼龙轮胎k大； 扁平率：轮胎断面高度与断面宽度之比H /B ↓， k
用静态储备系数表征
静态储备系数S.M.：指中性转向点Cn至前轴距离和汽车质 心至前轴距离之差与轴距L之比值。 中性转向点：指汽车前、后轮产生同一侧偏角的侧向力作 用点。
静态储备系数S.M a FY 2L k2 L FY1 FY 2 k1 k2
S.M . a a k2 a L k1 k2 L
滑转应在纵翻之前发生，即： max max
a ＜ b
L hg
hg
解得 : ＜ b
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b↓
路面条件差，纵向坡度角较大。
一般汽车因a＞b，故下坡时纵翻的危险性较小。
§4-2 汽车转向特性
一、轮胎的侧偏特性 1. 轮胎的侧偏现象
速为 u max
侧向稳定性
画受力图分析（汽车在横向坡度角为β的路面等速向右转向行驶）
侧向稳定性
汽车在侧向坡道上行驶侧滑的临界条件
Fyl=Fzl l 、Fyr=Fzr l 或Fyl+ Fyr=（Fzl+Fzr） l
其方程如下：
FCcosβ－Gsinβ=（FCsinβ+Gcosβ） l
当汽车沿半径为R之圆周等速行驶时有
过多转向特性汽车运动简图
不足转向
直行抗干扰能力强，驾 驶操纵性好，现代汽车 均采用不足转向特性
不足转向特性汽车运动简图
汽车稳态转向特性 三者比较结论
不足转向特性的汽车具有良好的操纵稳定性，所以现代汽车 都采用不足转向特性。人们已习惯于驾驶具有不足转向特性的 汽车，知道如何控制转向盘使汽车遵循期望的路径行驶。若汽 车的转向特性因使用因素的变化而突然发生改变，由于驾驶者 的经验不适应新的、不良的转向特性，则转弯时就有可能出现 汽车失控而造成事故。