第六章-汽车操纵稳定性PPT课件
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汽车的操纵稳定性详解
轮胎滑移率：指汽车在制动时，车轮抱死程度。 轮胎滑转率：指汽车驱动时，车轮滑转程度。 轮胎滑动率：轮胎滑移率和轮胎滑转率。
转向盘中心区操纵稳定性：指转向盘小转角、低频正弦输入下汽车高 速行驶时的操纵稳定性，它代表了汽车经常行驶工况下的操纵稳定性。
机动性：代表汽车机动灵活性的性能，最小转弯半径是评价汽车机动 性的重要指标。
直线行驶性：侧风稳定性与路面不平度稳定性是汽车直线行驶时在外 界干扰输入下的时域响应。
极限行驶性能：指汽车在处于正常行驶与异常危险运动之间的运动状 态下的特性，它表明了汽车安全行驶的极限性能。
汽车在附着系数较大的路面上作小转向运动，认为是线性区评价； 汽车在附着系数较小的路面作大转向运动，认为是非线性区评价。
5．稳态评价和动态评价
稳态：指没有外界扰动、车速恒定、转向盘上的指令固定不变，汽 车的输出运动达到稳定平衡的状态。
稳态评价：汽车达到稳态状态的评价。 动态评价：汽车从接收转向指令或扰动指令开始到达到稳态状态之 前的运动评价。 稳态不存在操纵稳定性问题，所有的操纵稳定性问题都是动态反应 问题。
第2页
汽车操纵稳定性
定义：指在驾驶人不感觉过分紧张、疲劳的条件下，汽车能按照驾 驶人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。
操纵性:即汽车能够确切地响应驾驶人通过转向盘给定的转向指令 行驶的能力，反映了汽车与驾驶人配合的程度。
2021/1/30
5.1.2 汽车操纵稳定性的基本内容和评价指标
➢ 汽车操纵稳定性需要采用较多的物理量从多个方面进行 评价，见表书本中的5-1。
转向盘角阶跃输入下的稳态响应和瞬态响应：是表征汽车操纵稳定性 的转向盘角位移输入下的时域响应，是汽车操纵稳定性的基础特性。
转向盘中心区操纵稳定性：指转向盘小转角、低频正弦输入下汽车高 速行驶时的操纵稳定性，它代表了汽车经常行驶工况下的操纵稳定性。
机动性：代表汽车机动灵活性的性能，最小转弯半径是评价汽车机动 性的重要指标。
直线行驶性：侧风稳定性与路面不平度稳定性是汽车直线行驶时在外 界干扰输入下的时域响应。
极限行驶性能：指汽车在处于正常行驶与异常危险运动之间的运动状 态下的特性，它表明了汽车安全行驶的极限性能。
汽车在附着系数较大的路面上作小转向运动，认为是线性区评价； 汽车在附着系数较小的路面作大转向运动，认为是非线性区评价。
5．稳态评价和动态评价
稳态：指没有外界扰动、车速恒定、转向盘上的指令固定不变，汽 车的输出运动达到稳定平衡的状态。
稳态评价：汽车达到稳态状态的评价。 动态评价：汽车从接收转向指令或扰动指令开始到达到稳态状态之 前的运动评价。 稳态不存在操纵稳定性问题，所有的操纵稳定性问题都是动态反应 问题。
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汽车操纵稳定性
定义：指在驾驶人不感觉过分紧张、疲劳的条件下，汽车能按照驾 驶人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。
操纵性:即汽车能够确切地响应驾驶人通过转向盘给定的转向指令 行驶的能力，反映了汽车与驾驶人配合的程度。
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5.1.2 汽车操纵稳定性的基本内容和评价指标
➢ 汽车操纵稳定性需要采用较多的物理量从多个方面进行 评价，见表书本中的5-1。
转向盘角阶跃输入下的稳态响应和瞬态响应：是表征汽车操纵稳定性 的转向盘角位移输入下的时域响应，是汽车操纵稳定性的基础特性。
汽车操纵稳定性能与检测
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汽车操纵稳定性能与检测
•6．后轮外倾和后轮前束
• 后轮定位包括后轮前束和后轮外倾角。前后轮定位统称为 车轮定位，乘用车一般称之为四轮定位。
• 四轮定位的作用是使汽车保持稳定的直线行驶、转向轻便， 并可减少汽车行驶中轮胎和转向机件的磨损。
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汽车操纵稳定性能与检测
•一、车轮定位参数及作用
•1．前轮外倾
• （1） 前轮外倾
• 从汽车的正前方看去，前轮中心平面与地面并不垂直，而是 倾斜一个角度（图5-1-1），这种现象称为前轮外倾。呈现“八” 形的称为负外倾，朝向相反的则称为正外倾。
•图 5-1-5 汽车主销后倾
• (2) 主销后倾的功用
• • 主销后倾主要是使前轮在行进过程中具有回正能力。当车轮偏离直线行 驶位置或转向时，路面的横向反作用力相对主销轴线形成迫使车轮自动回正 的稳定力矩。后倾角较大时可提高汽车直线行驶性能，但会使转向盘转向沉 重，同时路面干扰会加剧车轮的前后颠簸。
•3．主销内倾
• (1) 主销内倾角 • • 在装配主销时，主销的上端略微内倾，使主销轴线延长线 和路面相交点与轮胎中线和路面相交点很接近。通过该交点的垂 线与真实或假想的转向节主销轴线在垂直于车辆纵向对称平面的 垂面上的投影锐角，就是主销内倾角，如图 5-1-4 所示。
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•图 5-1-4 主销内倾角
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汽车操纵稳定性能与检测
•知识链接
• 为了提高汽车的转向操纵稳定性、轻便性，确保车辆直线 行驶和自动回正，减少轮胎的磨损，汽车车轮和主销都设计了 多种角度参数，统称车轮定位参数。
• 由于汽车的转向车轮一般在前轮，在前轮上设计了前轮前 束、前轮外倾角、主销后倾角和主销内倾角等参数，统称为前 轮定位。
汽车操纵稳定性概述
u前进速度
5.1 概述
w r横摆角速度( yaw)
w垂直速度
o u
x p
车辆坐标系
Vehicle-fixed coordinate system
q
y
q俯仰角速度( pitch) 侧向速度
6/95
5.1 概述
汽车时域响应分为稳态响应和瞬态响应。
Steady and transient-state response
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, 即对转向盘施以角阶跃输入,汽车经短暂过渡过 程后进入等速圆周行驶工况。
Steering wheel angle step input
转向盘角阶跃输入下的瞬态响应：在汽车等 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。
转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应,包括:
横摆角速度增益(转向灵敏度) r S
横摆角速度增益曲线
r
S
ua
稳定性因数K
☆主观评价法: 凭借主观感觉的评价,最终决定权
Steady state response 12/95
Transient state response 5.1 概述
转向盘角阶跃输入下的瞬态响应：
8/95
sw const.
sw=steering wheel 转向盘
Understeering
K 0不足转向
Neutral steering
uu
汽车瞬时速度矢量
un
uo
K＝0中性转向
5.1 概述
Oversteering
K 0过度转向
9/95
T r1
r0
5.1 概述
w r横摆角速度( yaw)
w垂直速度
o u
x p
车辆坐标系
Vehicle-fixed coordinate system
q
y
q俯仰角速度( pitch) 侧向速度
6/95
5.1 概述
汽车时域响应分为稳态响应和瞬态响应。
Steady and transient-state response
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, 即对转向盘施以角阶跃输入,汽车经短暂过渡过 程后进入等速圆周行驶工况。
Steering wheel angle step input
转向盘角阶跃输入下的瞬态响应：在汽车等 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。
转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应,包括:
横摆角速度增益(转向灵敏度) r S
横摆角速度增益曲线
r
S
ua
稳定性因数K
☆主观评价法: 凭借主观感觉的评价,最终决定权
Steady state response 12/95
Transient state response 5.1 概述
转向盘角阶跃输入下的瞬态响应：
8/95
sw const.
sw=steering wheel 转向盘
Understeering
K 0不足转向
Neutral steering
uu
汽车瞬时速度矢量
un
uo
K＝0中性转向
5.1 概述
Oversteering
K 0过度转向
9/95
T r1
r0
《汽车操纵稳定性》课件
06
汽车操纵稳定性案例分析
案例一：某品牌汽车操纵稳定性优化案例
要点一
总结词
要点二
详细描述
通过优化悬挂系统和转向系统，提高汽车操纵稳定性
该品牌汽车通过改进悬挂系统和转向系统的设计和参数， 实现了在各种路况下都能够保持较好的操纵稳定性。具体 措施包括采用先进的悬挂系统、优化转向齿条和齿轮的设 计、改善轮胎的抓地力等。这些改进使得汽车在高速行驶 、紧急变道和弯道行驶时更加稳定，提高了驾驶的安全性 和舒适性。
汽车操纵稳定性是评价汽车性能的重要指ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ之一，它涉及到汽车的操 控性、安全性、舒适性等多个方面，对驾驶员的驾驶体验和行车安全 具有重要影响。
汽车操纵稳定性的重要性
03
提高行车安全性
提高行驶稳定性
提高乘坐舒适性
良好的汽车操纵稳定性可以提高驾驶员对 汽车的操控信心，减少因失控而引发的交 通事故。
良好的汽车操纵稳定性可以使汽车在行驶 过程中保持稳定，减少侧滑、失稳等现象 的发生，提高行驶安全性。
案例二：某品牌汽车控制系统优化案例
总结词
通过先进的控制系统，提高汽车操纵稳定性
详细描述
该品牌汽车采用了先进的控制系统，如电子稳定程序和 牵引力控制系统，来提高汽车的操纵稳定性。这些系统 通过实时监测车辆的动态特性和驾驶员的操作，自动调 整发动机输出和制动系统的制动力，以保持车辆的稳定 性和控制性。通过这些控制系统的优化，该品牌汽车在 各种驾驶条件下都能够提供更好的操纵性能和安全性。
良好的汽车操纵稳定性可以使汽车在行驶 过程中更加平顺，减少颠簸和振动，提高 乘坐舒适性。
汽车操纵稳定性的历史与发展
历史回顾
早期的汽车由于没有转向助力、悬挂系统等装置，操纵稳定 性较差。随着技术的不断发展，汽车操纵稳定性逐渐得到改 善。
汽车操稳主观评价ppt课件
4.试验前的准备工作
4.1检查轮胎气压。 4.2测量车轮定位参数。 4.3检查车辆状态（转向系统、制动系统、灯光、喇叭）。 4.4确认试验内容（操控性主观评价、转向性主观评价、平顺性主观评价）。
4.5确认试验条件。 4.6车手的确定（不少于三人），参与评价的车手必须是经过专业培训或经过公
司认可具有评价能力的人员，没有经过高级驾驶培训的人员应禁止参与评 价。
几乎没有功能 没有功能
功能 完美 非常好
好 较好 可接受 接受边缘
差 很差 有害 非常有害
4
6试验结果
6.1汽车操纵稳定性主观评价试验结果按附录A记录表填写。 6.2汽车操纵稳定性主观评价试验方法和术语解释按照附录B实施。
5
附录A
转向主观评价结果
序号
项目
注释
1 驻车/低速转向力
2 动力转向泵噪音和方向盘振动
序号
项目
注释
1
俯仰角
2
受路面干扰引起的侧倾
3
侧倾晃动（头部摆动）
4
上下起伏
5
点头 / 后蹲
6
转向管柱振动
7
非簧载部分振动
8
轮胎滚动舒适性
9
轮噪声
10
大的冲击
11
小的冲击
12
振动吸收能力
13
车厢紧密性
CTTC
评分
10
附 录 B 汽车操纵稳定性主观评价试验方法和术语解释
转向主观评价
CTTC
1.驻车/低速转向力 试验路面：沥青或水泥路面。
小方向盘转角。 评价内容：评价在弯道中的转向响应。
12.响应线性 试验路面：平直路面。 驾驶方式：以40km/h－100km/h的速度行驶，以不同大小的转角向左或 向右转动方向盘，从低到中高侧向加速度。 评价内容：评价转向响应在整个侧向加速度区域内是否有大的变化。
4.1检查轮胎气压。 4.2测量车轮定位参数。 4.3检查车辆状态（转向系统、制动系统、灯光、喇叭）。 4.4确认试验内容（操控性主观评价、转向性主观评价、平顺性主观评价）。
4.5确认试验条件。 4.6车手的确定（不少于三人），参与评价的车手必须是经过专业培训或经过公
司认可具有评价能力的人员，没有经过高级驾驶培训的人员应禁止参与评 价。
几乎没有功能 没有功能
功能 完美 非常好
好 较好 可接受 接受边缘
差 很差 有害 非常有害
4
6试验结果
6.1汽车操纵稳定性主观评价试验结果按附录A记录表填写。 6.2汽车操纵稳定性主观评价试验方法和术语解释按照附录B实施。
5
附录A
转向主观评价结果
序号
项目
注释
1 驻车/低速转向力
2 动力转向泵噪音和方向盘振动
序号
项目
注释
1
俯仰角
2
受路面干扰引起的侧倾
3
侧倾晃动（头部摆动）
4
上下起伏
5
点头 / 后蹲
6
转向管柱振动
7
非簧载部分振动
8
轮胎滚动舒适性
9
轮噪声
10
大的冲击
11
小的冲击
12
振动吸收能力
13
车厢紧密性
CTTC
评分
10
附 录 B 汽车操纵稳定性主观评价试验方法和术语解释
转向主观评价
CTTC
1.驻车/低速转向力 试验路面：沥青或水泥路面。
小方向盘转角。 评价内容：评价在弯道中的转向响应。
12.响应线性 试验路面：平直路面。 驾驶方式：以40km/h－100km/h的速度行驶，以不同大小的转角向左或 向右转动方向盘，从低到中高侧向加速度。 评价内容：评价转向响应在整个侧向加速度区域内是否有大的变化。
汽车操纵稳定性
（4）用转向半径表示汽车稳态转向特性
（5）用静态储备系数S·M来表征汽车稳态转向特性
S M a' a k2 a L k1 k2 L
3.汽车稳态转向特性对操纵稳定性的影响
汽车不能具有过多转向特性。汽车具有中性转向特性 也不好，因为汽车本身或外界使用条件的某些变化，中性 转向特性的汽车常会转变成过多转向特性而使操纵稳定性 变差。不足转向特性的汽车转向灵敏性较差，汽车的不足 转向性不可过大。因此，只有具有适度不足转向特性的汽 车，才具有良好的操纵稳定性，才能保持行车安全。《机 动车运行安全技术条件》（GB7258-2004）规定，汽车（三 轮汽车除外）应具有适度的不足转向特性。
6.4.2 轮胎
1.轮胎气压 2.轮胎结构型式
6.4.3 汽车驱动方式
转向时随施加于轮胎上切向力的增加， 轮胎的侧偏刚度减小，使汽车产生的侧偏角增 大。因此，后轮驱动的汽车转向时施加驱动力， 后轮侧偏刚度减小，使后轮侧偏角增加，有减 小不足转向、向过多转向转化的趋势。前轮驱 动的汽车转向时施加驱动力，前轮侧偏刚度减 小，使前轮侧偏角增加，有增加不足转向的作 用。
第三节
汽车稳态转向特性与瞬态响应
主讲教师：刁立福
由转向盘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， 相应的汽车响应称为稳态响应与瞬态响应。
6.3.1 汽车稳态转向特性
1.汽车稳态转向的几何关系
L R
(1
2)
2.汽车稳态转向特性的表示方法
（1）用汽车稳定性因数表示汽车稳态转向特性
过多转向特性增加。 对载货汽车来说，由于后轮载荷的变化常比前轮载
荷变化大3～4倍，因而如果在一定的侧向加速度下，空 载时前轮侧偏角往往比后轮侧偏角大；那么满载时后轮 侧偏角则往往比前轮侧偏角大得多。因此，加大后轴载 荷会增大汽车的过多转向的倾向，这可以说是所有汽车 的共同的特性。而载货汽车由于其后轴载荷变化幅度大， 所以重载时往往出现过多转向的倾向。
车辆操纵稳定性(整理版)
2
r
t
B0 0 02
Ce0tsin t
r
t
r
s
0
1
mua Lk2
2
02
2mua0
Lk2
1
1
1 2
e0tsin t
当t
时，e0t
0，r
r
s
0
r0
r
t
r
s
0
1
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2
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2mua0
Lk2
1
1
1 2
e0t
sin
t
在达到稳态的之前，（r t）是衰
r
r0 3
4
由于正常的汽车都具有小阻尼的瞬态响应，当ζ<1时
r
t
B0 0 02
Ce0tsin
0
1 2t
令 0 1 2
r
t
B0 0 02
A1e0t cos t
A2 e 0t sin t
由运动起始条件确定积分常数C、A1、A2
t
0时，wr
0, v
0,
0 , wr
ak10
IZ
B1 0
R/R0>1，K>0 ， 不足转向；
R/R0<1， K<0， 过多转向。
几个表征稳态响应的参数
3）静态储备系数S.M. 1）前、后轮侧偏角绝对值之差α1-α2 2）转向半径的比FRY/1R0
汽 静态储备系数 S.M.：中性
车
质 转向点到前轮的距离a与
心
汽车质心到前轴距离 a 之
中 差与轴距L之比。
mv
ur
ak1
bk2
汽车操纵稳定性
减震器的影响：减震器的作用是当钢板弹簧变形
时，能迅速消减其震动，使汽车平稳行驶。重影响操纵稳定性。 前轴和车架变形：由于车架是汽车的基础，他的 变形会直接影响各部件的连接及配合，从而直接 影响操纵稳定性。
转向系的影响
行驶系
轮胎
悬架和减震器
前轴和车架变形
轮胎的影响：轮胎是影响汽车操纵稳定性的一个
重要因素，增大轮胎的能力，特别是后胎的载荷 能力，例如加大轮胎的尺寸，合适的胎压，会改 善汽车的操纵操纵稳定性。 悬架的影响：悬架的作用是把车架与汽车前后桥 连接在一起，并使车轮在行驶中所承受的冲击力 不直接到车架，以免引起车身的剧烈震动而加速 零件的损坏。
制动系的影响
制动系
制动间隙
前后轮抱死次序
制动间隙：制动间隙不合适，会使汽车制动是发
生跑偏，汽车向制动间隙小的一侧跑偏，从而影 响汽车操纵稳定性。 前后轮抱死次序对操稳性的影响：紧急制动时， 如果汽车后轮制动抱死，汽车后轴将产生严重侧 滑，失去操纵稳定性，而前轮抱死，汽车又失去 转向能力。因此，汽车应安装防抱死系统。
汽车操纵稳定性
汽车操纵稳定性
概念：汽车操纵稳定性，是指在驾驶员不
感觉过分紧张、疲劳的条件下，汽车能按 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。
影响汽车操纵稳定性的因素
行驶系的影响
转向系
转向器
转向传动机构
转向器的影响：汽车行驶时，驾驶员对汽车行驶
方向的改变是通过操纵方向盘来实现的，转向盘 的性能直接影响汽车的操纵稳定性。转向器出现 的问题：转向器缺油﹑转向器游隙过大
汽车理论课件 第六章 汽车的操纵稳定性
• 操纵性是指汽车能够确切地响应
驾驶员指令的能力。
• 稳定性是指汽车抵抗改变其行驶方向
的各种外界干扰（路面扰动或风扰 动），并保持稳定行驶而不失去控制， 甚至翻车或侧滑的能力。
一 汽车坐标系
• 汽车坐标系及其描述
r横摆角速度( yaw) w垂直速度
p侧倾角速度(roll ) q俯仰角速度( pitch)
汽车理论
Automobile Theory
XXXX大学车辆与动力学院
车辆与动力工程学院
School of Vehicle & Motive Power Engineering
本节课内容提要
本课程的结构、地位和要求； 汽车动力性等六大性能概念；
汽车理论学科发展情况。
车辆与动力工程学院
School of Vehicle & Motive Power Engineering
第二节 汽车转向运动学和动力学
一、无侧偏时的转向运动
cot1
co t 2
OG L
OD L
d L
1 2
2
R0
L
tan
R0
L
二、有侧偏时的转向运动
tan(
1)
AD OD
tan 2
BD OD
R
L
2 1
L R
1
2
三、转向时的受力分析
FY1
mu2 R
b L
cos
1
mu2 R
b L
FY 2
基本要求
• 纪律要求： • 作业：
车辆与动力工程学院
School of Vehicle & Motive Power Engineering
汽车操纵稳定性的基本内容及评价所用的物理参数
度、抗侧翻能力、发生侧滑时控制能力等
路径所需时间
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
等等。
y
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。
➢开环控制系统：只把汽车本身作为研究对象，不允许驾驶员 起任何反馈作用。
➢人—车闭环系统：把驾驶员与汽车作为统一的整体进行研 究，驾驶员可以根据需要进行反馈控制。
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。
wr (t)
B0 0
w02
Cew0t
sin(
w0
1 2 t )
令： 则： 或：
w w0 1 2
wr (t)
B0 0
w02
Cew0t
sin( wt )
wr (t)
B0 0
w02
A1e w0t
cos(wt)
A2 e w0t
sin( wt)
•
初始条件： t 0，wr 0 v 0 0 wr ak1 0 / I Z
➢ 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。
➢ 稳态时横摆角速度
r为定值，此时
•
v
•
0、wr
0,汽车的运动
微分方程变为：
(k1
k2 )
《汽车理论》汽车操纵稳定性
(a 2 k1
b 2 k 2 )wr
ak1
0
消除v，便可求出稳态横摆角度增益：
wr
s
1
m L2
u/L
a k2
b k1
u 2
1
u
/L Ku
2
式中：
K
m L2
a k2
b k1
K为稳定性因数，它是表征稳态响应的一个重要参数。
齐✓齐次次方方程 程的通通解解为:
1，wr Cewot sin wo 1，wr C1 C2 ewot
1 2 t
1，w C e C e wo wo 2 1 t
反应时间τ、衰减振动圆频率ω。
横摆角速度频率响应特性评价
共振峰频率f、1Hz时的相位滞后角。
6.2 轮胎的侧偏特性
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
3）轮胎的结构、工作条件 对侧偏特性的影响
b0 Lk1 k2 b1 muak1
上式为单自由度强迫振动微分方程，通常写作：
••
•
•
wr 2w0 wr w02 wr B0 B 1
式中：
w02
h
c / m' /(2w0 m' )
B0 b0 / m'
o称为固有频率 称为阻尼比
B1 b1 / m'
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。
汽车理论第六章
u v
因此有 同理有
ax
u v
t
du dt
v d
dt
u vr
ay
v u
t
dv dt
u d
dt
v ur
对二自由度汽车模型进行受力分析，外力沿y轴 方向的合力以及绕质心的力矩分别为
FY FY1 cos FY 2
M Z aFY1 cos bFY 2
b r
u
整理得
FY
k1(
ar
u
) k2(
br )
u
MZ
ak1 (
a r
u
) bk2 (
br )
u
由牛顿定理
FY
k1(
a r
u
) k2(
br
u
) m(v ur )
MZ
ak1 (
且忽略左、右侧车轮由于载荷的变化引起的轮胎特性的改变以及轮胎回正力 矩的作用； • 6）汽车运动时的驱动力不大，因此不考虑地面切向力对轮胎特性的影响； • 7）不考虑空气动力的作用。
2、线性二 y u u
x
y r
2
V
u2
u
b
第六章 汽车的操纵稳定性
第一节 概述
• 汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感
到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循 驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向 行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗 干扰而保持稳定行驶的能力。
• 稳定性是指汽车抵抗改变其行驶方向
的各种外界干扰（路面扰动或风扰 动），并保持稳定行驶而不失去控制， 甚至翻车或侧滑的能力。
汽车的操纵稳定性分析和评价指标
当车速为 ucr -1 K u c r称为临界车速。临界车速越低，过多转向量越大。
32
以上分析可知： 具有适度不足转向的汽车具有良好的操作稳定性； 过度的不足转向会加剧轮胎的磨损。
FY k
k—侧偏刚度。
FY一定时希望侧 偏角越小越好，所 以 |k| 越大越好。
（1）扁平率小，k大 （2）垂直载荷大，k大 （3）轮胎气压高，k大
垂直载荷过 大时，轮胎与 地面接触区的 压力分布不均 匀，使 k反而有 所减小。
18
α一定时， W大，FY大。
FY = k ，即k 大。
19
（3）轮胎气压高，k大
20
（4）FX 越大，FY 越小
FY1
FY2
FX2
FX1
21
（5）路面干湿状态
22
轮胎胎面、路面粗糙程度、水层厚度与滑水现象的关系
转向油泵
转向减振器 转向直拉杆 转向器 转向摇臂
转向横拉杆
转向油管 转向控制阀
转向节臂
3
4
5
操纵稳定性的研究方法
将汽车作为开路控制系统 人—汽车系统作为闭路系统
6
操纵稳定性的两种试验评价方法
开路系统
人—汽车闭路系统
客观评价法
主观评价法
通过仪器测出横摆角 速度、侧向加速度、侧 倾角及转向力。
让试验评价人员根 据试验时自己的感觉 进行评价。
7
4.1 汽车的转向特性
➢轮胎的侧偏特性 ➢汽车的转向特性
一、轮胎的侧偏现象和侧偏力—侧偏角曲线 1.侧偏力FY
地面作用于车轮的侧向反作用力。
8
1）在刚性轮上作用侧向力 F y
c
c
u
u
u'
32
以上分析可知： 具有适度不足转向的汽车具有良好的操作稳定性； 过度的不足转向会加剧轮胎的磨损。
FY k
k—侧偏刚度。
FY一定时希望侧 偏角越小越好，所 以 |k| 越大越好。
（1）扁平率小，k大 （2）垂直载荷大，k大 （3）轮胎气压高，k大
垂直载荷过 大时，轮胎与 地面接触区的 压力分布不均 匀，使 k反而有 所减小。
18
α一定时， W大，FY大。
FY = k ，即k 大。
19
（3）轮胎气压高，k大
20
（4）FX 越大，FY 越小
FY1
FY2
FX2
FX1
21
（5）路面干湿状态
22
轮胎胎面、路面粗糙程度、水层厚度与滑水现象的关系
转向油泵
转向减振器 转向直拉杆 转向器 转向摇臂
转向横拉杆
转向油管 转向控制阀
转向节臂
3
4
5
操纵稳定性的研究方法
将汽车作为开路控制系统 人—汽车系统作为闭路系统
6
操纵稳定性的两种试验评价方法
开路系统
人—汽车闭路系统
客观评价法
主观评价法
通过仪器测出横摆角 速度、侧向加速度、侧 倾角及转向力。
让试验评价人员根 据试验时自己的感觉 进行评价。
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4.1 汽车的转向特性
➢轮胎的侧偏特性 ➢汽车的转向特性
一、轮胎的侧偏现象和侧偏力—侧偏角曲线 1.侧偏力FY
地面作用于车轮的侧向反作用力。
8
1）在刚性轮上作用侧向力 F y
c
c
u
u
u'
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汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度，也 是影响汽车安全性的重要因素之一。
汽车的操纵稳定性包括两个相互关联的部分，即操作性和稳 定性。
操纵性是汽车能够确切地响应驾驶员指令的能力。
稳定性是汽车抵抗改变其行驶方向的各种外界干扰(路面扰
动或风扰动)，并保持稳定行驶而不失去控制，甚至翻车或侧
滑的能力。
力越小。 ➢薄水层的影响
路面有薄水层时，轮 胎可能会完全失去侧偏 力，这称为“滑水”现 象。
24
回 正 力 矩 TZ
载荷W
回 正 力 矩 TZ
赛车胎 子午线胎
斜交胎
侧偏角
回 正 力 矩 TZ
4~6 TZ 制动力 F b 4~6 TZ
驱动 FX或 力制F 动 bF 力 TZ 驱动 FX或 力制F 动 bF 力 TZ
式 中 ， kF称y 为k侧 偏 刚 度
（ N/rad ） 。 为 曲 线 在 =0 处 的斜率。按轮胎坐标系，侧 偏力和侧偏角总是反号，故 侧偏刚度总是负值。
17
汽车理论
侧偏力与侧偏角的关系
18
汽车理论
影响轮胎侧偏特性的主要因素
影响轮胎侧偏弹性的主要因素是： 轮胎结构参数 轮胎的使用参数 具体包括侧偏角、外倾角、垂直载荷、在接地印迹 上的分布、路面附着系数、轮胎的纵向滑移率等
种情况：
c
c
u
u
u′
Fy
Fy
△
FY lFz c
没有侧向滑移
u
c
有侧向滑移
FY lFz
图 有侧向力作用时刚性车轮的滚动
实际上：车轮都不是刚性的，车轮存在侧向弹性，因此，即
使侧向力Fy没有达到车轮与地面之间的附着极限，车轮的行驶
方向也将偏离车轮平面的方向，即发生侧偏现象。
13
汽车理论
轮 胎 的 侧 偏 现 象
4
汽车理论 车辆坐标系和汽车主要运动形式
沿X方向：纵向运动；绕x方向：侧倾运动； 沿Y方向：侧向运动；绕y方向：俯仰运动； 沿z方向：上下运动；绕z方向：横摆运动。
5
汽车理论
汽车操纵稳定性评价方法
6
汽车理论
7
汽车理论
人--车闭环系统
8
汽车理论
汽车试验的两种评价方法
➢ 客观评价法 客观评价通过仪器测试能定量评价汽车性能， 且能通过分析求出其与汽车结构参数间的关系。
22
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 轮胎侧线弹性有所改变的
Fx
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。
FY Fb
或Fx
Fb
附着椭圆
FY
侧偏角 Fb或 Fx FY
23
路面对侧偏特性的影响
➢路面干湿程度的影响 路面越湿，最大侧偏
二自由度汽车的运动微分方程：
(k1k2)u1(a1kb2k)r k1m(v ur) (a1kbk2)u1(a2k1b2k2)r a1kIz r
27
汽车理论
2.1 二 自 由 度 汽 车 模 型
---前轮转角(车轮旋转
平面与汽车纵向的夹角)
a b ---汽车前后轴到质
心的水平距
-r --横摆角速度
---质心处的侧偏角
α1 α2---分别为汽车前、后 车轮上的侧偏角(车轮的旋
转平面与车轮行驶速度方向之 间的夹角)
28
汽车理论
29
汽车理论
具有侧向弹性的车轮在垂直载 荷的作用下，车轮中心受到侧向 力Fy，地面有相应的侧偏力Fy时 具有下面的两种情况：
车轮静止不滚动：轮胎胎面接 地印迹的中心线与轮胎平面分开 一个距离Δh，且平行。
车轮滚动：接地印迹的中心线
与轮胎平面错开，且有一夹角
(侧偏角)，此时，车轮沿接地印
迹的中心线方向滚动。
14
汽车理论
驱动力 FX
25
汽车理论
第二节
26
汽车理论
汽车模型的简化
*忽略转向系统的影响，直接以前轮转角为输入。 *不考虑振动、侧倾、俯仰运动，认为汽车只作平行 于地面的运动； *不考虑轮胎切向力、外倾角、空气阻力的影响； *忽略左右轮胎载荷变化引起的侧偏特性变化； *忽略轮胎回正力矩； *认为轮胎侧偏特性处于线性范围； *认为汽车沿x轴速度不变。
轮胎不对称受力 产生的回正力矩
15
回正力矩——绕OZ轴的力矩 Tz是使转向车轮回复到直线行驶位置的主要恢复力矩
之一，称为回正力矩。回正力矩是由接地面内分布的微元 侧向反力产生的。
Tz Fy e
16
汽车理论
轮胎的侧偏特性
侧偏特性主要是阐述侧偏力、 回正力矩、侧偏角之间的关系。
在侧偏角<5时，侧偏力 和侧偏角成线性关系。这时，
11
汽车理论
轮胎的侧偏现象
汽车在行驶中由于受转向、路面倾斜、风力等引 起的侧向力的作用，使轮心速度方向偏离车轮平面的 现象。
转向引起的侧向力总是指向汽车内侧。侧偏角总 是位于和侧偏力指向相反的一侧。
Fy
FY
12
汽车理论
车轮中心沿Y轴方向若作用有侧向力Fy，相应地在地 面上产生地面侧向反作用力FY， FY也称为侧偏力。当有 地面侧向反作用力时，若车轮是刚性的，则可能发生两
➢ 主观评价法 主观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。
9
汽车理论
第二节
10
汽车理论
轮胎坐标系
地面作用在轮胎上的主要力和力矩：
沿x方向：地面切向反作用力(纵向力)Fx; 沿y方向：地面侧向反作用力(侧向力)Fy; 沿z方向：地面法向反作用力Fz; 绕x轴：翻转力矩Mx； 绕y轴：滚动阻力矩My； 绕z轴：回正力矩Mz；
19
汽车理论 垂直载荷增大，k增大；但垂直载荷过大，轮胎与
地面接触区的压力变得极不均匀，k反而减小。
20
汽车理论 轮胎形式和结构参数的影响 a. 子午线胎比斜交胎侧偏刚度高。 b. 扁平率（=轮胎高度H/宽度B）小的轮胎侧偏 刚度大。
21
汽车理论 c. 胎压大，则侧偏刚度大，但胎压太大侧偏刚度基 本不变。试验时，可能通过改变减少胎压改变稳态 试验结果。
汽车理论
1
汽车理论
▪ 预备知识
汽车转向系的功能、 组成、构造及工作原 理。
▪ 中心思想
首先介绍操纵稳定性的 基本概念（评价指标、 轮胎侧偏特性），然后 分析线性二自由度的汽 车模型，最后介绍汽车 行驶时的侧翻和侧滑。
2
汽车理论
第一节
3
汽车理论
汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的 条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向 行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶 的能力。