1、第五章第五章 汽车操纵稳定性5.1 概述o 定义：定义：o 1）在驾驶员不感觉过分紧张、疲劳的条）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件下，汽车能按照驾驶员通过转向系及转向车轮轮给定的方向（直线或转弯）给定的方向（直线或转弯）行驶的行驶的能力能力；o 2）当受到）当受到外界干扰外界干扰(路面不平、侧向风、路面不平、侧向风、货物或乘客偏载货物或乘客偏载)时，汽车能抵抗干扰而保持稳时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的定行驶的能力能力。o 意义意义高速车辆的生命线高速车辆的生命线o 操纵方便性；操纵方便性；o 高速行驶安全性；高速行驶安全性；第五章 汽车操纵稳定性5
2、.1 概述o 一、操纵稳定性的基本内容一、操纵稳定性的基本内容o 表表5-1 汽车操纵稳定性的基本内容及评价所用的物理量汽车操纵稳定性的基本内容及评价所用的物理量第五章 汽车操纵稳定性5.1 概述o续表续表5-1第五章 汽车操纵稳定性5.1 概述研究方法：研究方法： 角输入角输入 时域响应时域响应 力输入力输入 频域响应频域响应 实际上，汽车应为一个具有惯性、弹性、阻尼等实际上，汽车应为一个具有惯性、弹性、阻尼等动力学特性的动力学特性的多自由度动力学系统多自由度动力学系统。主要动力学元件有。主要动力学元件有轮胎、悬架、转向系等，是一个轮胎、悬架、转向系等，是一个非线性系统非线性系统。 当当侧向
3、加速度不超过侧向加速度不超过0.4g，可看作，可看作线性系统线性系统。o 本章研究内容：本章研究内容：o 转向盘脚阶跃输入下的稳态响应和瞬态响应；转向盘脚阶跃输入下的稳态响应和瞬态响应；o 汽车侧翻原理汽车侧翻原理 汽车汽车第五章 汽车操纵稳定性5.1 概述o 2 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与转向盘角阶跃输入下的时域响应o o图图4-34 车辆坐标系车辆坐标系第五章 汽车操纵稳定性5.1 概述汽车时域响应分为汽车时域响应分为稳态响应稳态响应和和瞬态响应瞬态响应。 转向盘角阶跃输入下进入的转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应稳态响应：等：等速直线行驶，急剧转动转向盘，然后维持
4、转角速直线行驶，急剧转动转向盘，然后维持转角不变，即对汽车施以转向盘角阶跃输入，汽车不变，即对汽车施以转向盘角阶跃输入，汽车经短暂的过渡过程后进入等速圆周行驶工况。经短暂的过渡过程后进入等速圆周行驶工况。 转向盘角阶跃输入下的转向盘角阶跃输入下的瞬态响应瞬态响应：等速直：等速直线行驶和等速圆周行驶两个稳态运动之间的过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。渡过程所对应的瞬间运动响应。第五章 汽车操纵稳定性5.1 概述o 稳态转向特性（稳态响应）稳态转向特性（稳态响应）o 不足转向、中性转向、过度转向。不足转向、中性转向、过度转向。o 转向盘保持一个固定转角不变，缓慢
5、加速转向盘保持一个固定转角不变，缓慢加速或以不同车速等速行驶时，不足转向的汽车转或以不同车速等速行驶时，不足转向的汽车转向半径逐渐增大，中性转向的汽车转向半径不向半径逐渐增大，中性转向的汽车转向半径不变，而过度转向的汽车转向半径逐渐减小。变，而过度转向的汽车转向半径逐渐减小。o 见下图所示：见下图所示：第五章 汽车操纵稳定性5.1 概述o 稳态转向特性稳态转向特性第五章 汽车操纵稳定性5.1 概述o 瞬态响应特性曲线瞬态响应特性曲线0r1r)(tr095.0r005.1rT0sw转向盘转角swtt第五章 汽车操纵稳定性5.1 概述o 几个特性参数：几个特性参数：反应时间稳态横摆角速度0r最大横
6、摆角速度1r稳定时间超调量%10001rr滞后时间波动频率第五章 汽车操纵稳定性5.1 概述o 3.人汽车闭环系统人汽车闭环系统第五章 汽车操纵稳定性5.1 概述o 4.试验评价方法试验评价方法o 分为分为主观评价主观评价和和客观评价客观评价两种方法。两种方法。o 客观评价法客观评价法：通过测试仪器测出表征性能的物：通过测试仪器测出表征性能的物理量：如横摆角速度、侧向加速度、侧倾角及理量：如横摆角速度、侧向加速度、侧倾角及转向力等来评价操纵稳定性的方法。转向力等来评价操纵稳定性的方法。o 主观评价法主观评价法：让试验评价者根据试验时自己的：让试验评价者根据试验时自己的感觉来进行评价。感觉来进行
7、评价。最终评价方法最终评价方法。o 汽车本身特性的开环系统只能采用客观评汽车本身特性的开环系统只能采用客观评价法。人车闭环系统的试验常同时采用客观价法。人车闭环系统的试验常同时采用客观评价与主观评价两种方法。评价与主观评价两种方法。第五章 汽车操纵稳定性5.2 轮胎的侧偏特性o 一、轮胎侧偏特性一、轮胎侧偏特性o 定义：侧偏力、回正力矩与侧偏角的关系定义：侧偏力、回正力矩与侧偏角的关系o 1.轮胎坐标系轮胎坐标系第五章 汽车操纵稳定性 5.2 轮胎的侧偏特性o 2.轮胎侧偏现象轮胎侧偏现象o 侧偏角：侧偏角：汽车行驶过程中，因路面侧向倾斜、汽车行驶过程中，因路面侧向倾斜、侧向风或曲线行驶时侧向
8、风或曲线行驶时离心力离心力等的作用，车轮等的作用，车轮中心沿中心沿y轴方向将作用有侧向力轴方向将作用有侧向力Fy，在地面，在地面上产生相应的上产生相应的地面侧向反作用力地面侧向反作用力FY，FY也称也称为侧偏力。为侧偏力。o 当有当有Fy时，若车轮是刚性的，则可以发时，若车轮是刚性的，则可以发生两种情况：生两种情况：o 1）车轮沿直线行驶（）车轮沿直线行驶（ ）o 2）车轮偏离原来的行驶方向）车轮偏离原来的行驶方向ZlYFFZlYFFu uuvyFyFCC刚性轮刚性轮zlYFFzlYFFYFyFYFZFZF轮胎侧偏现象：轮胎侧偏现象：指当指当车轮有侧向弹性车轮有侧向弹性时，即使时，即使FY没有
9、达到没有达到附着极限，车轮行驶方向也将偏离车轮平面的方向。附着极限，车轮行驶方向也将偏离车轮平面的方向。第五章 汽车操纵稳定性 5.2 轮胎的侧偏特性o 轮胎的侧偏特性：轮胎的侧偏特性：在侧偏角在侧偏角0称为称为不足转向不足转向。o 稳态横摆角速度增益较小，即稳态横摆角速度增益较小，即 r较小。但较小。但因因 ，故不足转向汽车转向半径随车速增，故不足转向汽车转向半径随车速增大而增大。大而增大。LuKuLusr21/)/uR 第五章 汽车操纵稳定性定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应(3)过渡转向过渡转向 K0的情况，上式变为：第五章 汽车操纵稳定性定性5.3线性二自由度汽车模型对前
10、轮角输入的响应 式中 1/)2KuLusr201第五章 汽车操纵稳定性定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应第五章 汽车操纵稳定性定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应第五章 汽车操纵稳定性定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应表征瞬态响应的几个参数表征瞬态响应的几个参数小轿车的固有频率f0(=0/2)在0.8-1.2Hz之间。固有频率高些较好。1 1、波动的固有频率、波动的固有频率0 0第五章 汽车操纵稳定性定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应第五章 汽车操纵稳定性定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应2 2、阻尼比、阻尼比 小了超调量大，
11、故大些较好。第五章 汽车操纵稳定性定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应3 3、反应时间、反应时间 反应时间 指r第一次到达稳定值的时间。小些较好。第五章 汽车操纵稳定性定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应4 4、达到第一峰值的时间、达到第一峰值的时间 达到第一峰值的时间小些较好。第五章 汽车操纵稳定性定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应瞬态响应的稳定条件瞬态响应的稳定条件 02200rrr 瞬态响应对应的齐次方程为对应的特征方程为022002ss根为：第五章 汽车操纵稳定性定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应 方程稳定性理论指出，上式中s的实部如
12、为正数，则方程的解不稳定，因为解中总是有一项ereal(s)t存在。可以证明，当稳定性因数K0(过多转向)且车速Kuucr1第五章 汽车操纵稳定性定性5.3线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应o 四、汽车操纵稳定性与悬架的关系四、汽车操纵稳定性与悬架的关系o 由二自由度模型可知由二自由度模型可知o 前、后轮侧偏角（绝对值）是很重要的汽车运动学参数前、后轮侧偏角（绝对值）是很重要的汽车运动学参数。o 回顾二自由度模型的简化假设：回顾二自由度模型的简化假设：o 忽略忽略了前、后轴及左、右轮的了前、后轴及左、右轮的载荷变化载荷变化；忽略了忽略了车轮车轮外倾角外倾角、悬架导向杆系的运动及变形悬架导向
13、杆系的运动及变形对轮胎侧偏角的影响；对轮胎侧偏角的影响；忽略了忽略了驱动力驱动力的影响。的影响。 这时，轮胎的弹性侧偏角绝对这时，轮胎的弹性侧偏角绝对值的大小只取决于值的大小只取决于整车质心位置整车质心位置。o 但是但是，这些影响因素都是存在的；且车身在转弯时将，这些影响因素都是存在的；且车身在转弯时将发生侧倾运动，由所有的因素一起决定汽车的转向运动。发生侧倾运动，由所有的因素一起决定汽车的转向运动。)(21yaLK1第五章 汽车操纵稳定性定性5.1线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应o 1.侧倾时垂直载荷在左右侧车轮上的重新分配及其对侧倾时垂直载荷在左右侧车轮上的重新分配及其对稳态响应的影
14、响稳态响应的影响o 汽车曲线行驶时，由于侧倾力矩的作用，汽车曲线行驶时，由于侧倾力矩的作用，垂直载垂直载荷在左右车轮上不相等荷在左右车轮上不相等。改变了轮胎的侧偏特性，甚至。改变了轮胎的侧偏特性，甚至改变稳态响应的状态。改变稳态响应的状态。o 结论：结论：1)前轴车轮垂直载荷变动越大，汽车趋于增加前轴车轮垂直载荷变动越大，汽车趋于增加不足转向量；后轴车轮垂直载荷变动越大，汽车趋于减不足转向量；后轴车轮垂直载荷变动越大，汽车趋于减少不足转向量；少不足转向量； 2)取决于侧倾角刚度、悬挂质取决于侧倾角刚度、悬挂质量、（非）悬挂质量、质心位置、侧倾中心位置。量、（非）悬挂质量、质心位置、侧倾中心位置
15、。第五章 汽车操纵稳定性5.1 概述o侧倾中心侧倾中心第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性0000000,22或则、有载荷转移时，kkkFkkFkkkkFYrlYrlY第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性o 2.侧倾外倾侧倾外倾（车身侧倾时车辆外倾角的变化）（车身侧倾时车辆外倾角的变化）o 车厢侧顿时，因悬架形式不同，车轮外倾角的变车厢侧顿时，因悬架形式不同，车轮外倾角的变化有三种情况：化有三种情况：o 1）保持不变；）保持不变；o 2）沿地面侧向反作用力作用方向倾斜；）沿地面侧向反作用力作用方向倾斜；o 3)沿地面侧向反作用力作用方向的相反方向倾斜沿地面侧向反作用力作用方向的
16、相反方向倾斜第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性o 结论：结论：o 1）车轮外倾角变化规律将影响汽车稳态与瞬态响应。）车轮外倾角变化规律将影响汽车稳态与瞬态响应。o 2）外倾角为正值时，使侧偏角的绝对值增大。随着外）外倾角为正值时，使侧偏角的绝对值增大。随着外倾角的增加，轮胎的侧向附着性能降低。所以，外倾角倾角的增加，轮胎的侧向附着性能降低。所以，外倾角的变化也影响汽车极限侧向加速度。若要保持高的极限的变化也影响汽车极限侧向加速度。若要保持高的极限性能，性能，急速转弯行驶急速转弯行驶时承受大部分垂直载荷的时承受大部分垂直载荷的外侧车轮外侧车轮应尽量垂直于地面应尽量垂直于地面，使轮始胎面
17、花纹与地面保持良好的，使轮始胎面花纹与地面保持良好的接触。接触。o 3）悬架设计中应恰当控制、设置车厢侧倾引起的外倾）悬架设计中应恰当控制、设置车厢侧倾引起的外倾角。以兼顾横摆角速度响应与直线行驶稳定性角。以兼顾横摆角速度响应与直线行驶稳定性第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性o 车厢侧倾引起的车轮外倾角的变化车厢侧倾引起的车轮外倾角的变化o o 外倾角变化率外倾角变化率o 后侧倾外倾系数后侧倾外倾系数 ryyry（过渡）（过渡）)/(86.00)()/(86.00)(22yy第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性o 3.侧倾转向侧倾转向o 侧倾转向：侧倾转向：在侧向力作用下车厢
18、发生侧倾，由车厢在侧向力作用下车厢发生侧倾，由车厢侧倾所引起的侧倾所引起的前转向轮绕主销的转动、后轮绕垂直前转向轮绕主销的转动、后轮绕垂直于地面轴线的转动于地面轴线的转动，即车轮转向角的变动。，即车轮转向角的变动。o 后轴转向后轴转向是因悬架杆系的运动学关系所产生的车轮是因悬架杆系的运动学关系所产生的车轮转向角。（后轴）转向角。（后轴）o 侧倾干涉转向侧倾干涉转向是是转向轴转向轴因转向杆系和悬架杆系运动因转向杆系和悬架杆系运动学关系干涉所产生的车轮转向角变动。（前轴）学关系干涉所产生的车轮转向角变动。（前轴）o 轴转向轴转向是发生侧倾转向时，车轴发生的绕垂直轴线是发生侧倾转向时，车轴发生的绕垂
19、直轴线的转动。（非独立悬架）的转动。（非独立悬架）o 运动学侧偏运动学侧偏是车轴和车轮围绕垂直轴线的转动与轮是车轴和车轮围绕垂直轴线的转动与轮胎侧偏之效果一样。胎侧偏之效果一样。 具有侧倾转向效应的汽车在路面有不平度时也会使车轮具有侧倾转向效应的汽车在路面有不平度时也会使车轮产生一定的转向角，影响了直线行驶稳定性。应尽量减少。产生一定的转向角，影响了直线行驶稳定性。应尽量减少。第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性o 4.变形转向变形转向o 变形转向变形转向：悬架：悬架导向杆系导向杆系元件在各种力和力矩元件在各种力和力矩作用下的弹性变形可能引起车轮围绕主销或垂作用下的弹性变形可能引起车轮
20、围绕主销或垂直地面的轴线的转动。直地面的轴线的转动。对应的转角称为对应的转角称为变形转向角变形转向角YYcFF1000YF侧向力变形转向系数侧向力变形转向系数YF第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性zTzTzTzT2a1a回回正正力力矩矩系系数数回回正正力力矩矩变变形形转转向向系系数数NTTTN1001杆杆系系均均发发生生变变化化下下，车车轮轮和和悬悬架架在在回回正正力力矩矩作作用用第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性o 5.变形外倾变形外倾o 对独立悬架杆系，在受到侧向力时，杆系的对独立悬架杆系，在受到侧向力时，杆系的变形引起车轮外倾角的变化。用侧向力引起的变形引起车轮外倾角
21、的变化。用侧向力引起的o 外倾角变化率外倾角变化率 来衡量。来衡量。YF)(/83. 020. 0)(/75. 024. 021过渡）（不足）轿车（KNFKNFYY第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性o 五、转向系对汽车横摆角速度稳态响应的影响五、转向系对汽车横摆角速度稳态响应的影响第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性o 1.侧倾时转向系统与悬架对运动的干涉侧倾时转向系统与悬架对运动的干涉o 对非独立悬架汽车，转向系与悬架在运动学对非独立悬架汽车，转向系与悬架在运动学上关系不协调，将会引起上关系不协调，将会引起转向车轮干涉转向转向车轮干涉转向。这会损坏汽车前轮转动的操纵性，应尽
22、量减少。这会损坏汽车前轮转动的操纵性，应尽量减少。o 将转向器与固定吊耳尽可能地靠近。将转向器与固定吊耳尽可能地靠近。第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性o 2.转向系刚度与转向车轮的变形转向转向系刚度与转向车轮的变形转向o 1）转向系刚度低，前轮变形转向角大，增）转向系刚度低，前轮变形转向角大，增加不足转向。但转向系刚度低不仅路感不好，加不足转向。但转向系刚度低不仅路感不好，还可能造成前轮摆振。还可能造成前轮摆振。 2）转向系刚度高，前轮变形转向角小，不）转向系刚度高，前轮变形转向角小，不足转向增加量小。足转向增加量小。 第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性o 六、传动系对汽
23、车操纵稳定性的影响六、传动系对汽车操纵稳定性的影响o 轮胎侧偏特性轮胎侧偏特性受地面受地面切向反作用力切向反作用力的影响，所的影响，所以传动系影响汽车操纵稳定性，切向反作用力也是以传动系影响汽车操纵稳定性，切向反作用力也是改善极限工况下操纵稳定性的一项有效手段改善极限工况下操纵稳定性的一项有效手段。第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性o 当驱动轮为前轮时：当驱动轮为前轮时：o (1)当汽车在弯道上以大驱动力加速行驶时，前轴垂当汽车在弯道上以大驱动力加速行驶时，前轴垂直载荷明显减少，后轴垂直裁荷相对增加。直载荷明显减少，后轴垂直裁荷相对增加。一般载荷范一般载荷范围内围内，轮胎侧偏刚度随载
24、荷的增大或减少而增减。因此，轮胎侧偏刚度随载荷的增大或减少而增减。因此，汽车加速时前轴侧偏角增加，后轴侧偏角减小，汽车加速时前轴侧偏角增加，后轴侧偏角减小，汽车不汽车不足转向趋势增加。足转向趋势增加。o (2)前车轮驱动时，由附着椭圆可知，随着驱动力的前车轮驱动时，由附着椭圆可知，随着驱动力的增加，同一侧偏角下的最大侧偏力下降。因此，汽车在增加，同一侧偏角下的最大侧偏力下降。因此，汽车在弯道上加速行驶时，为了提供足够的侧偏力，弯道上加速行驶时，为了提供足够的侧偏力，前轮侧偏前轮侧偏角必然增大角必然增大。这是前驱动汽车有。这是前驱动汽车有不足转向趋势不足转向趋势的另一个的另一个原因。原因。地面附
25、着条件差地面附着条件差时，如冰雪路面，这种现象更为时，如冰雪路面，这种现象更为突出。突出。 第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性o (3)前轮受半轴驱动转矩的影响会产生前轮受半轴驱动转矩的影响会产生不足不足变形转向变形转向，增加了前驱动汽车不足转向的趋势。，增加了前驱动汽车不足转向的趋势。o (4)随着驱动力的增加，随着驱动力的增加，轮胎回正力矩轮胎回正力矩一般一般也有所增大，这也增加了不足转向趋势。也有所增大，这也增加了不足转向趋势。o 综上所述，驱动力的作用是增加前驱动汽综上所述，驱动力的作用是增加前驱动汽车的不足转向趋势。车的不足转向趋势。第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳
26、定性o 七、提高汽车操纵稳定性的电子控制系统七、提高汽车操纵稳定性的电子控制系统o 1）ABSo 2）4WD、ASR/TCSo 3）4WS与与2WSo 4）VSC、VDC与与ESP第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性o 八、汽车的侧翻八、汽车的侧翻o 汽车侧翻：汽车侧翻：指汽车在行驶过指汽车在行驶过程中绕其纵轴线转动程中绕其纵轴线转动90或或更大的角度，以至车身与地面更大的角度，以至车身与地面相接触的一种危险的侧向运动。相接触的一种危险的侧向运动。o 曲线运动引起的侧翻曲线运动引起的侧翻o 绊倒侧翻绊倒侧翻o 影响因素：影响因素：o 1）汽车结构）汽车结构o 2）驾驶员）驾驶员o 3）道路条件）道路条件第四章 汽车行驶安全性4.3 汽车操纵稳定性o 侧翻阈值：侧翻阈值：ggyhBhBga202时，侧翻阈值为特别地，为道路横坡道角，式中，
