第5章 汽車操縱穩(wěn)定性[共20頁]

第5章 汽車的操縱穩(wěn)定性學(xué)習(xí)目標(biāo)通過本章的學(xué)習(xí)，應(yīng)掌握汽車行駛的縱向和橫向穩(wěn)定性條件；掌握車輛坐標(biāo)系的有關(guān)術(shù)語，了解影響側(cè)偏特性的因素，掌握輪胎回正力矩與側(cè)偏特性的關(guān)系；熟練掌握汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性及其影響因素；了解汽車轉(zhuǎn)向輪的振動(dòng)和操縱穩(wěn)定性的道路試驗(yàn)內(nèi)容。汽車在其行駛過程中，會(huì)碰到各種復(fù)雜的情況，有時(shí)沿直線行駛，有時(shí)沿曲線行駛。在出現(xiàn)意外情況時(shí)，駕駛員還要作出緊急的轉(zhuǎn)向操作，以求避免事故。此外，汽車還要經(jīng)受來自地面不平、坡道、大風(fēng)等各種外部因素的干擾。一輛操縱性能良好的汽車必須具備以下的能力： （1）根據(jù)道路、地形和交通情況的限制，汽車能夠正確地遵循駕駛員通過操縱機(jī)構(gòu)所給定的方向行駛的能力汽車的操縱性。 （2）汽車在行駛過程中具有抵抗力圖改變其行駛方向的各種干擾，并保持穩(wěn)定行駛的能力汽車的穩(wěn)定性。 操縱性和穩(wěn)定性有緊密的關(guān)系：操縱性差，導(dǎo)致汽車側(cè)滑、傾覆，汽車的穩(wěn)定性就破壞了。如穩(wěn)定性差，則會(huì)失去操縱性，因此，通常將兩者統(tǒng)稱為汽車的操縱穩(wěn)定性。汽車的操縱穩(wěn)定性，是汽車的主要使用性能之一，隨著汽車平均速度的提高，操縱穩(wěn)定性顯得越來越重要。它不僅影響著汽車的行駛安全，而且與運(yùn)輸生產(chǎn)率與駕駛員的疲勞強(qiáng)度有關(guān)。5.1節(jié)汽車行駛的縱向和橫向穩(wěn)定性5.1.1 汽車行駛的縱向穩(wěn)定性汽車在縱向坡道上行駛，例如等速上坡，隨著道路坡度增大，前輪的地面法向反作用力不斷減小。當(dāng)?shù)缆菲露却蟮揭欢ǔ潭葧r(shí)，前輪的地面法向反作用力為零。在這樣的坡度下，汽車將失去操縱性，并可能產(chǎn)生縱向翻倒。汽車上坡時(shí)，坡度阻力隨坡度的增大而增加，在坡度大到一定程度時(shí)，為克服坡度阻力所需的驅(qū)動(dòng)力超過附著力時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪將滑轉(zhuǎn)。這兩種情況均使汽車的行駛穩(wěn)定性遭到破壞。 圖5.1 汽車上坡時(shí)的受力圖 圖5.1為汽車上坡時(shí)的受力圖，如汽車在硬路面上以較低的速度上坡，空氣阻力可以忽略不計(jì)，由于剩余驅(qū)動(dòng)力用于等速爬坡，即汽車的加速阻力，加速阻力矩，而車輪的滾動(dòng)阻力矩的數(shù)值相對(duì)來說比較小，可不計(jì)入。分別對(duì)前輪著地點(diǎn)及后輪著地點(diǎn)取力矩，經(jīng)整理后可得 （5.1）當(dāng)前輪的徑向反作用力時(shí)，即汽車上陡坡時(shí)發(fā)生繞后軸翻車的情況，由式(5.1) 可得 將上式整理，可得不發(fā)生翻車的最大坡度角由下式確定： （5.2）當(dāng)?shù)缆返钠露冉菚r(shí)，汽車即失去操縱并可能后軸翻倒。汽車重心至后軸的距離越大，重心高度越小，則汽車越不容易發(fā)生繞后軸翻倒，汽車的縱向穩(wěn)定性越好。在正常裝載情況下，式（5.2）是能夠滿足的。在上述穩(wěn)定分析中，尚未考慮驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)的可能性。后輪驅(qū)動(dòng)的汽車，以較低速度等速上坡時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪不發(fā)生滑轉(zhuǎn)的臨界狀態(tài)為 （5.3）式中：汽車后輪不發(fā)生滑轉(zhuǎn)所能克服的最大道路坡度角。驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)與附著系數(shù)，汽車重心的位置及汽車的驅(qū)動(dòng)型式有關(guān)。將式(5.2)代入式(5.3)中，整理得 （5.4）顯然，如果 即 則當(dāng)汽車遇有坡度角為的坡道時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪因受附著條件的限制而滑轉(zhuǎn)，地面不能提供足夠的驅(qū)動(dòng)力以克服坡度阻力，因而無法上坡，也就避免了汽車的縱向翻倒。所以，汽車滑轉(zhuǎn)先于翻倒的條件是 將上式整理得 （5.5）上式即為后輪驅(qū)動(dòng)型汽車的縱向穩(wěn)定性條件。對(duì)于前輪驅(qū)動(dòng)型汽車，其縱向穩(wěn)定性條件為 對(duì)于全輪驅(qū)動(dòng)型汽車，其縱向穩(wěn)定性條件為 由于現(xiàn)代汽車的重心位置較低，因此上述條件均能滿足而有余。但是對(duì)于越野汽車，其軸距較小，重心較高(較大)，輪胎又具有縱向防滑花紋因而附著系數(shù)較大，故其喪失縱向穩(wěn)定性的危險(xiǎn)增加。因此，對(duì)于經(jīng)常行駛于坎坷不平路面的越野汽車，應(yīng)盡可能降低其重心位置，而前輪驅(qū)動(dòng)型汽車的縱向穩(wěn)定性最好。5.1.2 汽車橫向穩(wěn)定性汽車橫向穩(wěn)定性的喪失，表現(xiàn)為汽車的側(cè)翻或橫向滑移。由于側(cè)向力作用而發(fā)生的橫向穩(wěn)定性破壞的可能性較多，也較危險(xiǎn)。 圖5.2 汽車在橫向坡道上轉(zhuǎn)向時(shí)的受力圖 圖5.2所示汽車在橫向坡路上作等速彎道行駛時(shí)的受力圖。隨著行駛車速的提高，在離心力作用下，汽車可能以左側(cè)車輪為支點(diǎn)向外側(cè)翻。當(dāng)右側(cè)車輪法向反力時(shí)，開始側(cè)翻。因此，汽車?yán)@左側(cè)車輪側(cè)翻的條件為 （5.6） 如汽車轉(zhuǎn)彎半徑為R，行駛速度為u，則 將代入式（5.6），可求出在橫向坡道上不發(fā)生向外側(cè)翻的極限車速為 （5.7） 由式（5.7）可見，當(dāng)橫向坡度值時(shí)，式中分母為零，說明汽車在此坡度彎道行駛時(shí)，任意速度也不會(huì)使汽車?yán)@外側(cè)車輪側(cè)翻。因此在公路建設(shè)上常將彎道外筑有一定的坡度，以提高汽車的橫向穩(wěn)定性。 若在水平路面上（），汽車轉(zhuǎn)彎行駛不發(fā)生側(cè)翻的極限車速為 （5.8） 比較式（5.7）和式（5.8），式（5.7）的顯然比式（5.8）大。 汽車在橫向坡道上行駛發(fā)生側(cè)滑的臨界條件為式中 附著系數(shù)。整理后，得汽車在側(cè)滑前允許的最大速度為 當(dāng)時(shí)，則以任何車速行駛也不發(fā)生側(cè)滑。在的水平道路上，汽車側(cè)滑前所允許最大速度為 （5.9） 為了行駛安全，應(yīng)使側(cè)滑發(fā)生在側(cè)翻之前，即整理后得 （5.10） 比值稱為側(cè)向穩(wěn)定性系數(shù)，側(cè)翻只能在附著系數(shù)大于側(cè)向穩(wěn)定性系數(shù)的道路上才能發(fā)生。在干燥瀝青路面上，=0.70.8，一般滿足式（5.10）的條件。只有當(dāng)汽車重心提高后，減小了橫向穩(wěn)定性系數(shù)，才增加了翻車的危險(xiǎn)。5.2節(jié) 輪胎的側(cè)偏特性 輪胎的側(cè)偏特性是研究汽車操縱穩(wěn)定性理論的出發(fā)點(diǎn)。5.2.1 輪胎的坐標(biāo)系與術(shù)語圖5.3 車輪坐標(biāo)系 圖5.3示出車輪的坐標(biāo)系，其中車輪前進(jìn)方向?yàn)檩S的正方向，向下為軸的正方向，在軸的正方向的右側(cè)為軸的正方向。 （1）車輪平面 垂直于車輪旋轉(zhuǎn)軸線的輪胎中分平面。 （2）車輪中心 車輪旋轉(zhuǎn)軸線與車輪平面的交點(diǎn)。 （3）輪胎接地中心 車輪旋轉(zhuǎn)軸線在地平面（平面）上的投影（軸），與車輪平面的交點(diǎn)，也就是坐標(biāo)原點(diǎn)。 （4）翻轉(zhuǎn)力矩 地面作用于輪胎上的力，繞軸的力矩。圖示方向?yàn)檎?（5）滾動(dòng)阻力矩 地面作用于輪胎上的力，繞軸的力矩。圖示方向?yàn)檎?（6）回正力矩 地面作用于輪胎上的力，繞軸的力矩。圖示方向?yàn)檎?（7）側(cè)偏角 輪胎接地中心位移方向（車輪行駛方向）與軸的夾角。圖示方向?yàn)檎?（8）外傾角 平面與車輪平面的夾角。圖示方向?yàn)檎?.2.2 輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象如果車輪是剛性的，在車輪中心垂直于車輪平面的方向上作用有側(cè)向力。當(dāng)側(cè)向力不超過車輪與地面的附著極限時(shí)，車輪與地面沒有滑動(dòng)，車輪仍沿著其本身行駛的方向行駛；當(dāng)側(cè)向力達(dá)到車輪與地面間附著極限時(shí)，車輪與地面產(chǎn)生橫向滑動(dòng)，若滑動(dòng)速度為u，車輪便沿某一合成速度u方向行駛，偏離了原行駛方向，如圖5.4所示。圖5.4 有側(cè)向力作用時(shí)剛性車輪的滾動(dòng) 當(dāng)車輪有側(cè)向彈性時(shí)，即使沒有達(dá)到附著極限，車輪行駛方向也將偏離車輪平面的方向，這就是輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象。下面討論具有側(cè)向彈性車輪，在垂直載荷為的條件下，受到側(cè)向力作用后的兩種情況： （1）車輪靜止不動(dòng)時(shí) 由于車輪有側(cè)向彈性，輪胎發(fā)生側(cè)向變形，輪胎與地面接觸印跡長軸線與車輪平面不重合，錯(cuò)開h，但仍平行于，如圖5.5a所示。（2）車輪滾動(dòng)時(shí) 接觸印跡的長軸線，不只是和車輪平面錯(cuò)開一定距離，而且不再與車輪平面平行。圖5.5b示出車輪的滾動(dòng)過程中，車輪平面上點(diǎn)Al、A2、A3、依次落在地面上，形成點(diǎn)、，點(diǎn)、的連線與的夾角，即為側(cè)偏角。車輪就是沿著方向滾動(dòng)的。顯然，側(cè)偏角的數(shù)值是與側(cè)向力有關(guān)的。圖5.5 輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象 a)靜止 b)滾動(dòng)5.2.3 輪胎的側(cè)偏特性圖5.6 輪胎的側(cè)偏特性 圖5.6所示為一輪胎的側(cè)偏力側(cè)偏角關(guān)系曲線。曲線表明，側(cè)偏角不超過34時(shí)，可認(rèn)為與成線性關(guān)系。隨著的增大，增大較快，輪胎產(chǎn)生滑移。汽車正常行駛時(shí)，側(cè)向加速度一般不超過（0.30.4）g，側(cè)偏角不超過45，故可認(rèn)為側(cè)偏力與側(cè)偏角成線性關(guān)系，可用下式表示： （5.11）式中 k側(cè)偏剛度N/（），其值應(yīng)為負(fù)值，汽車用低壓輪胎k值在3001000N/(）。 試驗(yàn)表明，潮濕地面上最大側(cè)偏力減小，但直線段的側(cè)偏剛度無多大變化。垂直載荷對(duì)側(cè)偏特性有很大影響。圖5.7表明，垂直載荷增大后，最大側(cè)偏力增加。側(cè)偏剛度隨垂直載荷的增加而加大。這是因?yàn)?，輪胎的垂直載荷越大，附著力就越大，輪胎側(cè)滑的傾向就越小，最大側(cè)偏力增大。但垂直載荷過大時(shí)，輪胎產(chǎn)生劇烈的徑向變形，側(cè)偏剛度反而有所下降。 圖5.7 垂直載荷對(duì)側(cè)偏特性的影響 a)圖 b) 圖 輪胎的型式和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)輪胎側(cè)偏特性有顯著影響。尺寸較大的輪胎，側(cè)偏剛度一般較大。尺寸相同的子午線輪胎和斜交輪胎相比，子午線輪胎具有較大的側(cè)偏剛度。同一型號(hào)、同一尺寸的輪胎，簾布層越多、簾線與車輪平面的夾角越小、氣壓越高、側(cè)偏剛度越大。另外，輪輞的型式對(duì)側(cè)偏剛度亦有影響。裝有寬輪輞的輪胎，側(cè)偏剛度較大。5.2.4 回正力矩（繞軸的力矩） 圖5.8 回正力矩的產(chǎn)生 在輪胎發(fā)生側(cè)偏時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生圖5.3所示作用于輪胎繞軸的力矩。圓周行駛時(shí)，是使轉(zhuǎn)向車輪恢復(fù)到直線行駛位置的主要恢復(fù)力矩之一，稱為回正力矩。 回正力矩是由接地面內(nèi)分布的微元側(cè)向反力產(chǎn)生的。由圖5.5可知，車輪在靜止時(shí)受到側(cè)向力后，印跡長軸線與車輪平面平行，錯(cuò)開h，即印跡長軸線上各點(diǎn)的橫向變形（相對(duì)于平面）均為h，故可以認(rèn)為地面?zhèn)认蚍醋饔昧ρ鼐€是均勻分布的（圖5.8a）。車輪滾動(dòng)時(shí)，印跡長軸線不僅與車輪平面錯(cuò)開一定距離，而且轉(zhuǎn)動(dòng)了角，因而印跡前端離車輪平面近，側(cè)向變形小；印跡后端離車輪平面遠(yuǎn)，側(cè)向變形大?？梢哉J(rèn)為，地面微元側(cè)向反作用力的分布與變形成正比，故地面微元側(cè)向反作用力的分布情況如圖5.8b所示，其合力的大小與側(cè)向力相等，但其作用點(diǎn)必然在接地印跡幾何中心的后方，偏移某一距離e，e稱為輪胎拖距，就是回正力矩。 在增加時(shí)，接地印跡內(nèi)地面微元側(cè)向反作用力的分布情況如圖5.8c所示。增大至一定程度時(shí)，接地印跡后部的某些部分便達(dá)到附著極限，反作用力將沿345線分布（圖5.8d）。隨著的進(jìn)一步加大，將有更多部分達(dá)到附著極限，直到整個(gè)接地印跡發(fā)生側(cè)滑，因而輪胎拖距會(huì)隨著側(cè)向力的增加而逐漸變小。5.3節(jié) 汽車的轉(zhuǎn)向特性 駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤使汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，要通過眼睛、手和身體等感知汽車的轉(zhuǎn)向效果，并經(jīng)過頭腦比較和判斷，修正轉(zhuǎn)向盤的操縱，這是通過駕駛員把系統(tǒng)的輸出，反饋到輸入而構(gòu)成一個(gè)人工閉路系統(tǒng)。如不計(jì)入駕駛員的反饋?zhàn)饔?，便稱為開路系統(tǒng)，它的特點(diǎn)是系統(tǒng)的輸出參數(shù)對(duì)輸入控制沒有影響。由于駕駛員的反饋?zhàn)饔檬謴?fù)雜，作為閉路系統(tǒng)研究仍很不成熟，這里只把汽車作為一個(gè)開路系統(tǒng)，研究轉(zhuǎn)向盤輸入時(shí)汽車的運(yùn)動(dòng)把汽車作為開路系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)見圖5.9改變汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的輸入量（或稱“干擾”），主要來自三個(gè)方面： 圖5.9 作為開路系統(tǒng)的汽車簡圖（1） 駕駛員通過力（力矩）操縱或位置（轉(zhuǎn)角）操縱轉(zhuǎn)向盤，使前輪轉(zhuǎn)向；（2） 空氣動(dòng)力作用（如橫向風(fēng)）；（3） 路面不平等對(duì)汽車的作用。 汽車大多數(shù)行駛狀況下，其側(cè)向加速度不超過0.30.4g，可以把它看作一個(gè)線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)來分析。線性系統(tǒng)一個(gè)重要標(biāo)志是可以運(yùn)用疊加原理，可以把一個(gè)復(fù)雜的輸出量，分解為簡單的輸入量，或者有多個(gè)輸入量時(shí)，可按單個(gè)輸入量求解，然后加以疊加。 由輸入引起的汽車運(yùn)動(dòng)狀況，可分為不隨時(shí)間而變化的穩(wěn)態(tài)與隨時(shí)間變化的瞬態(tài)兩種。相應(yīng)的車輛響應(yīng)稱為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)與瞬態(tài)響應(yīng)。例如給等速直線行駛的汽車以前輪角階躍輸入，即急速轉(zhuǎn)動(dòng)前輪，然后維持前輪轉(zhuǎn)角不變，一般汽車經(jīng)過短暫時(shí)間后，將進(jìn)入等速圓周行駛。一定車輪轉(zhuǎn)角下的等速圓周行駛狀態(tài)便是一種穩(wěn)態(tài)。而等速直線行駛與等速圓周行駛間的過渡過程便是瞬態(tài)。 汽車的“等速圓周行駛”穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，是評(píng)價(jià)汽車操縱穩(wěn)定性的重要特性之一，稱為汽車的“穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性”。汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性分成三種類型：不足轉(zhuǎn)向、中性轉(zhuǎn)向和過多轉(zhuǎn)向。在圓周行駛時(shí)，駕駛員使轉(zhuǎn)向盤保持一個(gè)固定的轉(zhuǎn)角，令汽車以不同固定車速行駛，若行駛車速高時(shí)，汽車的轉(zhuǎn)向半徑R增大，這種汽車具有不足轉(zhuǎn)向的特性。若汽車的轉(zhuǎn)向半徑R不變，這種汽車具有中性轉(zhuǎn)向的特性。若轉(zhuǎn)向半徑愈來愈小，則具有過多轉(zhuǎn)向的特性。只有具有適度不足轉(zhuǎn)向的汽車，才有良好的操縱穩(wěn)定性。汽車不能具有過多轉(zhuǎn)向特性。具有中性轉(zhuǎn)向特性的汽車也不好，因?yàn)槠嚤旧砘蛲饨缡褂脳l件的某些變化，中性轉(zhuǎn)向特性的汽車通常會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)檫^多轉(zhuǎn)向特性而失去穩(wěn)定。人們已經(jīng)習(xí)慣于駕駛具有不足轉(zhuǎn)向特性的汽車，知道如何通過轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使汽車遵循期望的路徑行駛。5.3.1 汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性對(duì)汽車曲線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行初步分析時(shí)，把汽車看作平行于路面的平面運(yùn)動(dòng)。即汽車沒有垂直運(yùn)動(dòng)，沿z軸的位移為零，繞y軸的俯仰角、繞x軸的側(cè)傾角均為零。另外假設(shè)汽車前進(jìn)速度不變，即沿x軸的汽車（絕對(duì)）速度u不變。因此汽車只有沿y軸的側(cè)向運(yùn)動(dòng)與繞z軸的橫擺運(yùn)動(dòng)這樣兩個(gè)自由度。 圖5.10 二自由度汽車模型 圖5.10是一個(gè)由前后兩個(gè)具有側(cè)向彈性的彈簧（輪胎）支承于地面、具有側(cè)向及橫擺的二自由度汽車模型。下面分析中令固結(jié)于汽車上的動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)與汽車重心重合。 從運(yùn)動(dòng)關(guān)系可以求得：則 （5.12） 汽車高速行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向角一般不大，側(cè)偏角一般不超過68，故可以認(rèn)為 或 令穩(wěn)態(tài)時(shí)單位前輪轉(zhuǎn)角所引起的橫擺角速度為“穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益”，用表示。則 （5.13） 假定汽車在水平道路上作等速圓周運(yùn)動(dòng)，則作用在汽車上的側(cè)向力，僅為離心力之側(cè)向分力，其值為 當(dāng)轉(zhuǎn)角不大時(shí)，前輪側(cè)偏力Fy1沿y軸的分力，故前后輪的側(cè)偏力Fy1、Fy2可用下式計(jì)算： （5.14） 由側(cè)偏特性=ka知，連同式（5.14）代入式（5.13），得 （5.15） （5.16）式中 G1，G2前后軸的垂直載荷； K穩(wěn)定性因數(shù)。從式（5.16）看出，不同的汽車重心位置和不同前后輪側(cè)偏剛度匹配時(shí)，穩(wěn)定性因數(shù)可以等于零、大于零或小于零。 圖5.11 汽車的穩(wěn)態(tài)橫擺增益曲線 當(dāng)K=0時(shí)，。即穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益與車速u成線性關(guān)系如圖5.11所示。具有這種特性的汽車，稱為中性轉(zhuǎn)向汽車。這個(gè)關(guān)系就是汽車輪胎無側(cè)偏角時(shí)的轉(zhuǎn)向關(guān)系。 當(dāng)K0時(shí)，式（5.15）中分母大于1，橫擺角速度增益比中性轉(zhuǎn)向時(shí)小，即前輪轉(zhuǎn)過相同的角度，汽車橫擺角速度要小些，是一條低于中性轉(zhuǎn)向汽車穩(wěn)態(tài)響應(yīng)線，后來又向下彎曲的曲線。具有這樣特性的汽車，稱為不足轉(zhuǎn)向汽車。K值越大，不足轉(zhuǎn)向量越大。 當(dāng)K0時(shí)，式（5.15）分母小于1，橫擺角速度增益比中性轉(zhuǎn)向時(shí)大，即前輪轉(zhuǎn)過相同的角度，汽車橫擺角速度要大。具有這樣特性的汽車，稱為過多轉(zhuǎn)向汽車。隨車速增加，曲線向上彎曲。K值越小，過多轉(zhuǎn)向量越大。除了穩(wěn)定性因數(shù)K外，為了試驗(yàn)分析計(jì)算的方便，常引用別的參數(shù)來表征汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性。（1） 用前后軸側(cè)偏角差來表征汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性令為側(cè)向加速度系數(shù)，表征側(cè)向加速度有零點(diǎn)幾個(gè)g。則所以 即當(dāng) K=0時(shí)，汽車為中性轉(zhuǎn)向，K0時(shí)，汽車為不足轉(zhuǎn)向，0K0時(shí)，汽車為過多轉(zhuǎn)向，0（2） 用轉(zhuǎn)向半徑比值表征汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性當(dāng)前輪轉(zhuǎn)角一定的條件下，側(cè)向加速度為零時(shí)，車輪無側(cè)偏角，汽車轉(zhuǎn)向半徑假定為，有一定側(cè)向加速度時(shí)的轉(zhuǎn)向半徑為，則可用來表征汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性。如圖5.10所示，當(dāng)和都為零時(shí)，所得汽車轉(zhuǎn)向半徑為 由式（5.15）可得 （5.17）當(dāng) K=0時(shí)，=1，汽車為中性轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向半徑不隨車速變化，始終等于。K0時(shí)，1，汽車為不足轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向半徑總大于，且隨車速的增加而加大。K0時(shí)，1，汽車為過多轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向半徑總小于，且隨車速的增加而減小。 總之，汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性，取決于穩(wěn)定性系數(shù)K的數(shù)值。把汽車簡化為二個(gè)自由度模型進(jìn)行分析時(shí)，K值取決于重心位置、軸距及前后輪側(cè)偏剛度的匹配。當(dāng)重心向前移動(dòng)或減小前后軸輪胎側(cè)偏剛度比時(shí)，會(huì)增加汽車的不足轉(zhuǎn)向量。5.3.2 汽車的瞬態(tài)響應(yīng)給等速直線行駛的汽車以前輪角階躍輸入，經(jīng)過短暫時(shí)間后，將進(jìn)入等速圓周行駛。等速直線行駛與等速圓周行駛的過渡過程便是瞬態(tài)，相應(yīng)的響應(yīng)稱為前輪角階躍輸入引起的汽車瞬態(tài)響應(yīng)。在一般汽車行駛時(shí)，實(shí)際上駕駛員不斷接觸到的是汽車的瞬態(tài)響應(yīng)。圖5.12 轉(zhuǎn)向盤階躍輸入時(shí)的汽車瞬態(tài)響應(yīng) 圖5.12所示為一輛直線行駛汽車，駕駛員在處突然猛打轉(zhuǎn)向盤，轉(zhuǎn)過某一角度后，保持轉(zhuǎn)向盤不動(dòng)，即給汽車一個(gè)轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入后的瞬態(tài)響應(yīng)曲線。當(dāng)車速不變時(shí)，汽車橫擺角速度本應(yīng)立即達(dá)到相應(yīng)的，但實(shí)際上汽車橫擺角速度的變化為。作為這一過程的評(píng)價(jià)指標(biāo)如下： （1）響應(yīng)時(shí)間 以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角達(dá)到終值的50%的時(shí)刻，作為時(shí)間坐標(biāo)原點(diǎn)，到所測橫擺角速度第一次過渡到新穩(wěn)態(tài)值的50%所用的時(shí)間，稱為響應(yīng)時(shí)間。這段時(shí)間應(yīng)盡量短些， 響應(yīng)時(shí)間太長，駕駛員將感到汽車轉(zhuǎn)向反應(yīng)遲鈍。 （2）峰值響應(yīng)時(shí)間 從時(shí)間坐標(biāo)原點(diǎn)開始，到所測橫擺角速度響應(yīng)達(dá)到第一個(gè)峰值止， 這段時(shí)間稱為峰值響應(yīng)時(shí)間。由于打轉(zhuǎn)向盤的起始時(shí)間難以準(zhǔn)確確定，而且開始轉(zhuǎn)動(dòng)及停止 轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤前，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角變化速率較大，所以響應(yīng)時(shí)間與峰值響應(yīng)時(shí)間只是一個(gè)相互比較 的參考性數(shù)據(jù)。 （3）橫擺角速度超調(diào)量 在時(shí)，橫擺角速度達(dá)到最大值，往往大于，的百分?jǐn)?shù)稱為超調(diào)量。超調(diào)量表明瞬態(tài)響應(yīng)中執(zhí)行指令誤差的大小。超凋量越小越好。減小超調(diào)量可使橫擺角速度波動(dòng)較快衰減。 （4）橫擺角速度的波動(dòng)量 在瞬態(tài)響應(yīng)中，橫擺角速度值在值上、下波動(dòng)。車速一定時(shí)，值的波動(dòng)表現(xiàn)在轉(zhuǎn)向半徑R的時(shí)大時(shí)小，這就增加了駕駛的困難。汽車橫擺角速度的波動(dòng)周期T或頻率，也是評(píng)價(jià)瞬態(tài)響應(yīng)的重要參數(shù)。 （5）穩(wěn)定時(shí)間 橫擺角速度達(dá)到穩(wěn)定值的95%105%之間的時(shí)間，稱為穩(wěn)定時(shí)間。這段時(shí)間應(yīng)盡量短些，凡是能使橫擺角速度加快衰減的因素，也是使穩(wěn)定時(shí)間縮短的因素。少數(shù)汽車可能出現(xiàn)橫擺角速度不收斂情況，即越來越大，若車速不變即轉(zhuǎn)向半徑R越來越小，就會(huì)急劇增加離心力，汽車將發(fā)生側(cè)滑或側(cè)翻等危險(xiǎn)情況。5.4節(jié) 汽車轉(zhuǎn)向輪的振動(dòng) 汽車在行駛過程中，有時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪的左右擺動(dòng)和上下跳動(dòng)。轉(zhuǎn)向輪的振動(dòng)使輪胎磨損急劇增加，并增加了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的動(dòng)載荷，降低零件使用壽命，同時(shí)也嚴(yán)重影響行駛安全。汽車的轉(zhuǎn)向輪通過懸架及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與車架相連，這些互相聯(lián)系的機(jī)件，組成了彈性振動(dòng)系統(tǒng)。一是前軸繞縱軸的角振動(dòng)，另一是前輪繞主銷的角振動(dòng)。直線行駛的汽車，當(dāng)車輪越過單個(gè)凸起或凹坑時(shí)，前輪產(chǎn)生繞汽車縱軸的角振動(dòng)。前輪將繞主銷偏轉(zhuǎn)，如果左輪升高，車輪將向右偏轉(zhuǎn)；如果左輪下降，車輪將向左偏轉(zhuǎn)，即激發(fā)了前輪繞主銷的角振動(dòng)，同時(shí)，由于陀螺效應(yīng)，車輪繞主銷的角振動(dòng)，會(huì)反過來加劇前軸繞汽車縱軸的角振動(dòng)。嚴(yán)重地破壞了汽車直線行駛的穩(wěn)定性。為了避免這種現(xiàn)象，要求減小懸架下前軸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高角振動(dòng)的固有頻率；改善公路狀況，提高路面平整度；適當(dāng)降低輪胎氣壓，增加輪胎吸振能力。圖5.13 車輪不平衡對(duì)轉(zhuǎn)向輪振動(dòng)的影響 車輪的不平衡可以引起周期性的激勵(lì)，造成轉(zhuǎn)向輪的振動(dòng)。如圖5.13所示。車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其不平衡質(zhì)量所引起的離心力的水平分力，與力臂形成力矩。此力矩直接使車輪偏轉(zhuǎn)，其數(shù)值按正弦關(guān)系作周期性變化，變化的頻率決定于汽車的行駛速度。此外，離心力的垂直分力，則引起車輪的上下跳動(dòng)，其特性與上述相同。 當(dāng)左右車輪都不平衡，且不平衡質(zhì)量處于對(duì)稱位置時(shí)，則振動(dòng)更為嚴(yán)重。為了避免因車輪不平衡引起的振動(dòng)，要求無論是新輪胎或經(jīng)翻修過的輪胎，在裝用之前，都要進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，并消除不平衡因素。對(duì)于高速行駛的車，對(duì)車輪的不平衡度要求也高。5.5節(jié)汽車操縱穩(wěn)定性的道路試驗(yàn)5.5.1 試驗(yàn)條件5.5.1.1 試驗(yàn)應(yīng)在平坦、干燥、清潔的水泥或?yàn)r青路面的場地上進(jìn)行，場地在任意方向的坡度不大于0.1%。5.5.1.2 試驗(yàn)風(fēng)速不大于5m/s，大氣溫度一般在532之間。5.5.1.3 所有對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有影響的零部件均應(yīng)經(jīng)過檢查、緊固和調(diào)整，特別是轉(zhuǎn)向系和懸架機(jī)構(gòu)的各零部件。5.5.1.4 所有輪胎和輪輞型式及大小必須滿足有關(guān)要求。使用新輪胎需有200km的正常行駛磨合；若使用舊輪胎，則在試驗(yàn)終了，從花紋溝底測量殘留花紋的高度不小于0.15cm。輪胎氣壓按有關(guān)規(guī)定，氣壓小于250kPa時(shí)，允許的偏差為5kPa，若氣壓大于250kPa，則允許的偏差為2kPa。5.5.1.5 試驗(yàn)應(yīng)在汽車輕載及額定滿載兩種狀態(tài)下進(jìn)行。5.5.2 試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)方法5.5.2.1 低速行駛轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)該試驗(yàn)用于測定汽車在低速大轉(zhuǎn)彎時(shí)的轉(zhuǎn)向輕便性。圖5.14 測定轉(zhuǎn)向輕便性的雙紐線試驗(yàn)時(shí)汽車按照畫在場地上的雙紐線（圖5.14），以10km/h的車速行駛。雙紐線軌跡的極坐標(biāo)方程為 在=0時(shí)，雙紐線頂點(diǎn)處的曲率半徑最小，其數(shù)值為。雙紐線的最小曲率半徑應(yīng)按試驗(yàn)汽車的最小轉(zhuǎn)彎半徑乘以1.05倍，并圓整到比此乘積大的一個(gè)整數(shù)來確定。 圖5.15 方向盤轉(zhuǎn)矩方向盤轉(zhuǎn)角曲線試驗(yàn)中記錄方向盤轉(zhuǎn)角及方向盤轉(zhuǎn)矩，并按雙紐線路徑每一周整理出如圖5.15所示的方向盤最大轉(zhuǎn)矩、方向盤最大作用力及方向盤作用功來評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向輕便性。5.5.2.2 汽車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)定方向盤轉(zhuǎn)角、連續(xù)加速法試驗(yàn)中，將方向盤轉(zhuǎn)過某一角度后，固定不變，汽車連續(xù)加速至達(dá)到所需的側(cè)向加速度，用于測定汽車車速及橫擺角速度等參量，求出轉(zhuǎn)彎半徑隨側(cè)向加速度變化的特性。試驗(yàn)前，在試驗(yàn)場地上畫出半徑為15m的圓周作為試驗(yàn)起始圓周（起始轉(zhuǎn)向半徑=15m）。該試驗(yàn)的試驗(yàn)方法是先使輪胎升溫，而后汽車以最低穩(wěn)定速度沿所畫圓周行駛，待拖掛于汽車后部中點(diǎn)的第五車輪在半圈內(nèi)都能對(duì)準(zhǔn)地面上所畫的圓周時(shí)，固定方向盤不動(dòng)，汽車停車，啟動(dòng)記錄儀器，記錄下各變量的零線。汽車起步，緩慢連續(xù)加速，但縱向加速度不能超過0.25m/s2，直至汽車重心的側(cè)向加速度達(dá)到6.5 m/s2，或受到發(fā)動(dòng)機(jī)功率限制而達(dá)到的最高車速，或汽車出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)為止。汽車先向左轉(zhuǎn)，后向右轉(zhuǎn)，每個(gè)方向重復(fù)試驗(yàn)三次。根據(jù)試驗(yàn)記錄，作出汽車轉(zhuǎn)彎半徑（為轉(zhuǎn)彎半徑）與側(cè)向加速度的關(guān)系曲線、汽車前、后輪側(cè)偏角差值與側(cè)向加速度的關(guān)系曲線以及方向盤力矩與側(cè)向加速度的關(guān)系曲線等。5.5.2.3 汽車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)定轉(zhuǎn)彎半徑法試驗(yàn)中，以若干個(gè)固定車速，通過某一確定半徑的圓弧，測量在不同測向加速度下方向盤轉(zhuǎn)角的大小。試驗(yàn)前，在試驗(yàn)場地上用明顯顏色畫出中心線為30m的圓弧形試驗(yàn)路徑，如圖5.16所示。 圖5.16 圓弧形試驗(yàn)路徑試驗(yàn)方法是按汽車處于輕載及額定滿載兩種狀態(tài)下進(jìn)行，且輪胎應(yīng)有一定的溫升。汽車以最低穩(wěn)定車速行駛，適當(dāng)調(diào)整方向盤轉(zhuǎn)角，以使汽車能按圓弧軌跡行駛。進(jìn)入彎道后，保持節(jié)氣門和方向盤位置在3s內(nèi)不變，記錄各變量。增加車速，但速度增加量每次不得大于0.5m/s，重復(fù)上述試驗(yàn)，直至側(cè)向加速度達(dá)到6.5 m/s2為止。試驗(yàn)應(yīng)按向左轉(zhuǎn)及向右轉(zhuǎn)兩個(gè)方向進(jìn)行?？梢韵冗M(jìn)行向左轉(zhuǎn)或向右轉(zhuǎn)的試驗(yàn)，從低速直至高速，然后反向試驗(yàn)；也可以在某一車速下向左、右兩個(gè)方向進(jìn)行后再增加車速。根據(jù)記錄的方向盤轉(zhuǎn)角，前進(jìn)車速及橫擺角速度，求出側(cè)向加速度，然后作出曲線。并根據(jù)記錄的方向盤力矩，作出曲線。5.5.2.4 汽車回正能力試驗(yàn)回正試驗(yàn)是表征和測定汽車從曲線行駛自行回復(fù)到直線行駛的過渡過程，是測定自由操縱力輸入的基本性能試驗(yàn)。汽車回正能力試驗(yàn)在平坦場地上進(jìn)行，汽車以某一車速（一般車輛僅做中速回正試驗(yàn)；最高車速超過100km/h的車輛加做80km/h的高速回正試驗(yàn)）等速圓周（中速回正試驗(yàn)，圓周半徑為151m）行駛，當(dāng)側(cè)向加速度達(dá)到（40.2）m/s2時(shí)，穩(wěn)定3s，然后突然松開方向盤，在回正力矩作用下，前輪將要回復(fù)到直線行駛，記錄這個(gè)過程的時(shí)間、車速、方向盤轉(zhuǎn)角和橫擺角速度、整理出曲線。5.5.2.5 汽車蛇行試驗(yàn)在汽車以某一車速穿越若干直線布置的極樁時(shí)，測定汽車的橫擺角速度、方向盤轉(zhuǎn)角等變量。這些變量對(duì)汽車的方向穩(wěn)定性、駕駛操作方便性、乘坐舒適性均有影響，這是一個(gè)包含駕駛員在內(nèi)的閉環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，按規(guī)定的車速和路線，以不撞倒標(biāo)樁為前提，由三位駕駛員每人往返穿行三次。記錄方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度、方向盤力矩等變量及通過有效標(biāo)樁區(qū)的時(shí)間，最后求出各變量的平均值。試驗(yàn)路線如圖5.17所示。標(biāo)樁間距及車速見表5.1，場地長度不小于1000m，寬度不小于5倍車寬。 圖5.17 蛇行路線表5.1 標(biāo)樁間距及車速車 型極樁間距離L/m規(guī)定蛇行車速/km.h-1轎車3060小型越野汽車和客車，輕型載貨汽車2040中、大型載貨汽車和客車，越野汽車3040小結(jié)1. 汽車行駛的縱向穩(wěn)定性條件：后輪驅(qū)動(dòng)型汽車的縱向穩(wěn)定性條件： 前輪驅(qū)動(dòng)型汽車，其縱向穩(wěn)定性條件為：全輪驅(qū)動(dòng)型汽車，其縱向穩(wěn)定性條件為：2. 汽車行駛的橫向穩(wěn)定性條件：汽車在橫向坡道上不發(fā)生向外側(cè)翻的極限車速汽車在側(cè)滑前允許的最大速度為了行駛安全，應(yīng)使側(cè)滑發(fā)生在側(cè)翻之前，即3. 車輪的坐標(biāo)系：車輪前進(jìn)方向?yàn)檩S的正方向，向下為軸的正方向，在軸的正方向的右側(cè)為軸的正方向。4. 輪胎的側(cè)偏特性：側(cè)偏力與側(cè)偏角成線性關(guān)系，即，其中 k側(cè)偏剛度N/（），其值應(yīng)為負(fù)值。5. 輪胎的側(cè)偏特性的影響因素：側(cè)偏剛度隨垂直載荷的增加而加大；尺寸較大的輪胎，側(cè)偏剛度一般較大；尺寸相同的子午線輪胎和斜交輪胎相比，子午線輪胎具有較大的側(cè)偏剛度。 6. 輪胎回正力矩：是使轉(zhuǎn)向車輪恢復(fù)到直線行駛位置的主要恢復(fù)力矩之一，它是由接地面內(nèi)分布的微元側(cè)向反力產(chǎn)生的。7. 汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性: 分成三種類型_不足轉(zhuǎn)向、中性轉(zhuǎn)向和過多轉(zhuǎn)向。只有具有適度不足轉(zhuǎn)向的汽車，才有良好的操縱穩(wěn)定性。8. 汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性分析：，式中G1，G2前后軸的垂直載荷；K穩(wěn)定性因數(shù)。 當(dāng)K=0時(shí)，。即穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益與車速u成線性關(guān)系。具有這種特性的汽車，稱為中性轉(zhuǎn)向汽車。這個(gè)關(guān)系就是汽車輪胎無側(cè)偏角時(shí)的轉(zhuǎn)向關(guān)系。 當(dāng)K0時(shí)，橫擺角速度增益比中性轉(zhuǎn)向時(shí)小，即前輪轉(zhuǎn)過相同的角度，汽車橫擺角速度要小些。具有這樣特性的汽車，稱為不足轉(zhuǎn)向汽車。K值越大，不足轉(zhuǎn)向量越大。 當(dāng)K0時(shí)，橫擺角速度增益比中性轉(zhuǎn)向時(shí)大，即前輪轉(zhuǎn)過相同的角度，汽車橫擺角速度要大。具有這樣特性的汽車，稱為過多轉(zhuǎn)向汽車。K值越小，過多轉(zhuǎn)向量越大。 9. 用前后軸側(cè)偏角差來表征汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性：即當(dāng) K=0時(shí)，汽車為中性轉(zhuǎn)向，K0時(shí)，汽車為不足轉(zhuǎn)向，0K0時(shí)，汽車為過多轉(zhuǎn)向，010. 用轉(zhuǎn)向半徑比值表征汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性： 當(dāng)K=0時(shí)，=1，汽車為中性轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向半徑不隨車速變化，始終等于。K0時(shí)，1，汽車為不足轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向半徑總大于，且隨車速的增加而加大。K0時(shí)，1，汽車為過多轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向半徑總小于，且隨車速的增加而減小。11. 汽車瞬態(tài)響應(yīng)：給等速直線行駛的汽車以前輪角階躍輸入，經(jīng)過短暫時(shí)間后，將進(jìn)入等速圓周行駛。等速直線行駛與等速圓周行駛的過渡過程便是瞬態(tài)，相應(yīng)的響應(yīng)稱為前輪角階躍輸入引起的汽車瞬態(tài)響應(yīng)。12. 汽車瞬態(tài)響應(yīng)過程的評(píng)價(jià)指標(biāo)有：響應(yīng)時(shí)間、峰值響應(yīng)時(shí)間、橫擺角速度超調(diào)量、橫擺角速度的波動(dòng)量、穩(wěn)定時(shí)間。13. 汽車轉(zhuǎn)向輪的振動(dòng)：汽車在行駛過程中，有時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪的左右擺動(dòng)和上下跳動(dòng)的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)向輪的振動(dòng)使輪胎磨損急劇增加，并增加了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的動(dòng)載荷，降低零件使用壽命，同時(shí)也嚴(yán)重影響行駛安全。當(dāng)左右車輪都不平衡，且不平衡質(zhì)量處于對(duì)稱位置時(shí)，則振動(dòng)更為嚴(yán)重。為了避免因車輪不平衡引起的振動(dòng)，要求輪胎在裝用之前，都要進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，并消除不平衡因素。對(duì)于高速行駛的車，對(duì)車輪的不平衡度要求也高。14. 汽車操縱穩(wěn)定性的道路試驗(yàn)：轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)，汽車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)定方向盤轉(zhuǎn)角、連續(xù)加速法，汽車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)定轉(zhuǎn)彎半徑法，汽車回正能力試驗(yàn)，汽車蛇行試驗(yàn)。 復(fù)習(xí)思考題1、什么是汽車的操縱性和穩(wěn)定性？何謂汽車的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應(yīng)？2、什么是彈性輪胎的側(cè)偏特性？側(cè)偏剛度的物理意義是什么？3、汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性有幾種？一般汽車應(yīng)具有哪些性質(zhì)的轉(zhuǎn)向特性？為什么？4、什么是汽車的穩(wěn)定性系數(shù)K？有幾種方式可以判定或表征汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性？5、汽車轉(zhuǎn)向時(shí)瞬態(tài)響應(yīng)好壞評(píng)價(jià)指標(biāo)是什么？6、 汽車左、右輪垂直載荷重新分配，對(duì)汽車轉(zhuǎn)向特性有什么影響？為什么？7、某汽車輪距，質(zhì)心高度，地面附著系數(shù)。當(dāng)汽車沿曲線半徑為40m無傾斜的道路及有10側(cè)傾角的道路上行駛時(shí)，求：（1）側(cè)翻在側(cè)滑之前還是在側(cè)滑之后？（2）不發(fā)生側(cè)滑的臨介車速。8、某一小客車總質(zhì)量為2010kg，軸距為3.2m，其軸荷分配在靜止水平情況下，前軸為53.5%，后軸為46.5%。（1）已知每個(gè)前輪側(cè)偏剛度為678.9N/（），后輪側(cè)偏剛度為667.2N/（），試確定該車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性。（2）若后輪保持不變，前輪換成子午線輪胎，每個(gè)子午線輪胎的側(cè)偏剛度為834.2N（），試求這時(shí)的汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性。