1、第四章第四章 汽车的行驶安全性汽车的行驶安全性汽车的操纵稳定性汽车的操纵稳定性 汽车的操纵稳定性包含两个部分：操纵性和稳定汽车的操纵稳定性包含两个部分：操纵性和稳定性。性。操纵性操纵性是指汽车能够确切地响应驾驶员转向是指汽车能够确切地响应驾驶员转向指令的能力。指令的能力。稳定性稳定性是指汽车受到外界扰动是指汽车受到外界扰动(路面扰动或路面扰动或突然阵风扰动突然阵风扰动)后恢复原来运动状态的能力。后恢复原来运动状态的能力。两者很难断然分开。稳定性好坏直接影响操纵性两者很难断然分开。稳定性好坏直接影响操纵性的好坏，因此，通常只笼统地称为操纵稳定性。的好坏，因此，通常只笼统地称为操纵稳定性。汽车的操
2、纵稳定性直接影响汽车的行驶安全。汽车的操纵稳定性直接影响汽车的行驶安全。内容：（内容：（1 1）汽车操纵稳定性概述；）汽车操纵稳定性概述；（2）分析汽车在纵向与横向的翻倒及侧分析汽车在纵向与横向的翻倒及侧 滑问题；滑问题；（3 3）深入地分析汽车的转向特性；）深入地分析汽车的转向特性；（4 4）转向轮的摆振和稳定效应。）转向轮的摆振和稳定效应。汽车操纵稳定性概述汽车操纵稳定性概述 汽车操纵稳定性包含的内容：汽车操纵稳定性包含的内容：汽车操纵稳定性涉及到的问题较为广泛，汽车操纵稳定性涉及到的问题较为广泛，与前面讨论过的几个性能有所不同，它需与前面讨论过的几个性能有所不同，它需要采用较多的物理参量
3、从多方面来进行评要采用较多的物理参量从多方面来进行评价。价。表表5-l5-l给出了汽车操纵稳定性的基本内容及给出了汽车操纵稳定性的基本内容及评价所用物理参量。评价所用物理参量。在汽车操纵稳定性的研究中，常把汽车作为一控制在汽车操纵稳定性的研究中，常把汽车作为一控制系统，求出汽车曲线行驶的时域响应与频域响应，系统，求出汽车曲线行驶的时域响应与频域响应，并以它们来表征汽车的操纵稳定性能。并以它们来表征汽车的操纵稳定性能。汽车曲线行驶的时域响应系指汽车在转向盘输入或汽车曲线行驶的时域响应系指汽车在转向盘输入或外界侧向干扰输入下的侧向运动响应。外界侧向干扰输入下的侧向运动响应。转向盘输入有两种形式：转
4、向盘输入有两种形式：给转向盘作用一个角位移，称为角位移输入，简称给转向盘作用一个角位移，称为角位移输入，简称角输入；角输入；给转向盘作用一个力矩，称为力矩输入，简称力输给转向盘作用一个力矩，称为力矩输入，简称力输入。入。驾驶员在实际驾驶车辆时，对转向盘的这两种输入驾驶员在实际驾驶车辆时，对转向盘的这两种输入是同时加入的。是同时加入的。外界侧向干扰输入主要是指侧向风与路面不平产生外界侧向干扰输入主要是指侧向风与路面不平产生的侧向力。的侧向力。表表5-15-1中中的转向盘角阶跃输入的转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应及转向盘角阶下进入的稳态响应及转向盘角阶跃输入下的瞬态响应，就是表征汽车操纵稳定性的
5、转向盘角跃输入下的瞬态响应，就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。位移输入下的时域响应。回正性回正性是一种转向盘力输入下的时域响应是一种转向盘力输入下的时域响应。横摆角速度频率响应特性横摆角速度频率响应特性是转向盘转角正弦输人下，频率由是转向盘转角正弦输人下，频率由0 0 时，汽车横摆角速度与转向盘转角的振幅比及相位差的变时，汽车横摆角速度与转向盘转角的振幅比及相位差的变化图形。它是另一个重要的表征汽车操纵稳定性的基础特性。化图形。它是另一个重要的表征汽车操纵稳定性的基础特性。转向盘中间位置操纵稳定性转向盘中间位置操纵稳定性是转向盘小转角、低频正弦输入是转向盘小转角、低频正弦输
6、入下汽车高速行驶时的操纵稳定性下汽车高速行驶时的操纵稳定性。转向半径转向半径是评价汽车机动灵活性的物理参量是评价汽车机动灵活性的物理参量。转向轻便性转向轻便性是评价转动转向盘轻便程度的特性是评价转动转向盘轻便程度的特性。汽车的直线行驶性能汽车的直线行驶性能是评价汽车操纵稳定性的另一个重要方是评价汽车操纵稳定性的另一个重要方面。其中，侧向风稳定性与路面不平度稳定性是汽车直线行面。其中，侧向风稳定性与路面不平度稳定性是汽车直线行驶时在外界侧向干扰输入下的时域响应。驶时在外界侧向干扰输入下的时域响应。典型行驶工况性能典型行驶工况性能(Task Performance)(Task Performanc
7、e)是指汽车通过某种模是指汽车通过某种模拟典型驾驶操作的通道的性能。它们能更如实地反映汽车的拟典型驾驶操作的通道的性能。它们能更如实地反映汽车的操纵稳定性。操纵稳定性。极限行驶性能极限行驶性能是指汽车在处于正常行驶与异常危险运动之间是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。的运动状态下的特性。它表明了汽车安全行驶的极限性能。车辆坐标系与汽车的主要运动形式车辆坐标系与汽车的主要运动形式 汽车的稳态转向特性汽车的稳态转向特性 汽车的稳态转向特性分为三种类型：不足转向、中汽车的稳态转向特性分为三种类型：不足转向、中性转向和过多转向。性转向和过多转向。
8、这三种不同转向特性的汽车具有如下行驶特点这三种不同转向特性的汽车具有如下行驶特点(图图5-2)5-2)：在转向盘保持一固定转角在转向盘保持一固定转角 下，缓慢加速或以不下，缓慢加速或以不同车速等速行驶时，随着车速的增加，不足转向汽同车速等速行驶时，随着车速的增加，不足转向汽车的转向半径车的转向半径R R增大；增大；中性转向汽车的转向半径维持不变；中性转向汽车的转向半径维持不变；而过多转向汽车的转向半径则越来越小。而过多转向汽车的转向半径则越来越小。操纵稳定性良好的汽车应具有适度的不足转向特性。操纵稳定性良好的汽车应具有适度的不足转向特性。一般汽车不应具有过多转向特性，也不应具有中性一般汽车不应
9、具有过多转向特性，也不应具有中性转向特性，因为中性转向汽车在使用条件变动时，转向特性，因为中性转向汽车在使用条件变动时，有可能转变为过多转向特性。有可能转变为过多转向特性。SW汽车的三种稳态转向特性汽车的三种稳态转向特性 K K稳定性因数稳定性因数转向盘角阶跃输入下的汽车瞬态响应转向盘角阶跃输入下的汽车瞬态响应汽车的操纵稳定性同汽车行驶时的瞬态响应有密切关系。常用转向汽车的操纵稳定性同汽车行驶时的瞬态响应有密切关系。常用转向盘角阶跃输入下的瞬态响应来表征汽车的操纵稳定性。盘角阶跃输入下的瞬态响应来表征汽车的操纵稳定性。图中是以汽车横摆角速度图中是以汽车横摆角速度 ，来描，来描述汽车响应的。可以
10、看出，给汽车述汽车响应的。可以看出，给汽车以转向盘角阶以转向盘角阶-跃输入后，汽车横摆跃输入后，汽车横摆角速度经过一过渡过程后达到稳态角速度经过一过渡过程后达到稳态横摆角速度横摆角速度 ，此过渡过程即汽车，此过渡过程即汽车的瞬态响应，它具有如下几个特点：的瞬态响应，它具有如下几个特点：(1)(1)时间上的滞后时间上的滞后 ，可用到达第一，可用到达第一峰值的时间峰值的时间 来表示滞后时间的。来表示滞后时间的。(2)(2)执行上的误差最大横摆角速执行上的误差最大横摆角速度度 ，它表示执行指令误差的大小。，它表示执行指令误差的大小。(3)(3)横摆角速度的波动。横摆角速度的波动。(4)(4)进入稳态
11、所经历的时间。进入稳态所经历的时间。r0r1r人人汽车闭路系统汽车闭路系统 汽车的操纵稳定性最后应该是由驾驶者来评定的，操纵稳定性与驾驶者汽车的操纵稳定性最后应该是由驾驶者来评定的，操纵稳定性与驾驶者的操作特性又是紧密相关的。因此，操纵稳定性的研究对象应该是把驾的操作特性又是紧密相关的。因此，操纵稳定性的研究对象应该是把驾驶者与汽车作为统一整体的人一汽车系统，而不能忽略驾驶者的反馈作驶者与汽车作为统一整体的人一汽车系统，而不能忽略驾驶者的反馈作用。图用。图5-45-4简要地表示了人一汽车系统中驾驶者与汽车的关系。简要地表示了人一汽车系统中驾驶者与汽车的关系。第一节第一节 汽车的纵向和横向稳定性
12、汽车的纵向和横向稳定性 一、汽车不发生纵向倾覆的条件一、汽车不发生纵向倾覆的条件 汽车在纵向坡道上行驶，例如等速上坡，汽车在纵向坡道上行驶，例如等速上坡，随着道路坡度增大，前轮的地面法向反作随着道路坡度增大，前轮的地面法向反作用力不断减小。用力不断减小。当道路坡度大到一定程度时，前轮的地面当道路坡度大到一定程度时，前轮的地面法向反作用力为零，汽车将失去操纵，并法向反作用力为零，汽车将失去操纵，并可能产生纵向翻倒。可能产生纵向翻倒。汽车上坡时，坡度阻力随坡度的增大而增汽车上坡时，坡度阻力随坡度的增大而增加，在坡度大到一定程度时，为克服坡度加，在坡度大到一定程度时，为克服坡度阻力所需的驱动力超过附
13、着力时，驱动轮阻力所需的驱动力超过附着力时，驱动轮将滑转。将滑转。空气阻力可忽略不计；加速阻力，加速阻空气阻力可忽略不计；加速阻力，加速阻力矩；车轮的滚动阻力矩较小，忽略。力矩；车轮的滚动阻力矩较小，忽略。下图为汽车等速上坡时的受力图。下图为汽车等速上坡时的受力图。汽车等速上坡时的受力图汽车等速上坡时的受力图 Z2FhgGsinxb1aLFZ1FbFxb2GGcos后轮驱动的两轴汽车后轮驱动的两轴汽车求FZ1和FZ2 分别对前轮着地点及后轮着地点取力矩，经整理后可得：分别对前轮着地点及后轮着地点取力矩，经整理后可得：水平路面水平路面 0LGhbGFgZsincos1LGhaGFgZsincos
14、2LbGFZ1LaGFZ21 1、汽车不发生后翻的最大坡度角、汽车不发生后翻的最大坡度角 当前轮的径向反作用力当前轮的径向反作用力 时，时，由上式可得由上式可得:即汽车上陡坡时发生绕后轴翻车的情况。即汽车上陡坡时发生绕后轴翻车的情况。将上式整理，可得将上式整理，可得不发生翻车的最大坡度角不发生翻车的最大坡度角由下由下式确定式确定:当道路的坡度角当道路的坡度角 时，汽车即失去操纵并时，汽车即失去操纵并可能绕后轴翻倒。可能绕后轴翻倒。01ZF0sincosGhbGgghbtgmaxmaxmax分析分析 汽车重心至后轴的距离汽车重心至后轴的距离b b越大，重心高度越小，越大，重心高度越小，则汽车越不
15、容易发生绕后轴翻倒，汽车的纵向稳则汽车越不容易发生绕后轴翻倒，汽车的纵向稳定性越好。定性越好。在正常装载情况下，式在正常装载情况下，式 是能够满足的。是能够满足的。在上述稳定分析中，尚未考虑驱动轮滑转的可能在上述稳定分析中，尚未考虑驱动轮滑转的可能性。性。ghbtgmax2 2、汽车的纵向稳定条件、汽车的纵向稳定条件后轮驱动的汽车，以较低速度等速上坡时，驱动轮不发生滑转的临后轮驱动的汽车，以较低速度等速上坡时，驱动轮不发生滑转的临界状态为：界状态为：式中：式中：汽车后轮不发生滑转所能克服的最大道路汽车后轮不发生滑转所能克服的最大道路 坡度角。坡度角。汽车最大驱动力。汽车最大驱动力。驱动轮滑转与
16、附着系数，汽车重心的位置及汽车的驱动型式有关。驱动轮滑转与附着系数，汽车重心的位置及汽车的驱动型式有关。将式将式 代入式代入式 中，中，式两边同除以式两边同除以GcontghgaLtg2maxmaxsinZtFGFmaxmaxtFLGhaGFgZsincos22maxmaxsinZtFGFsincossin2maxgZhaLGFGatghgtgL 整理得整理得 显然，如果显然，如果 即即 则当汽车遇有坡度角为则当汽车遇有坡度角为 的坡道时，驱动轮的坡道时，驱动轮因受附着条件的限制而滑转，地面不能提供足因受附着条件的限制而滑转，地面不能提供足够的驱动力以克服坡度阻力，因而无法上坡，够的驱动力以克
17、服坡度阻力，因而无法上坡，也就避免了汽车的纵向翻倒。也就避免了汽车的纵向翻倒。所以，汽车滑转先于翻倒的条件是所以，汽车滑转先于翻倒的条件是 将上式整理得将上式整理得 上式即为后轮驱动型汽车的纵向稳定性条件。上式即为后轮驱动型汽车的纵向稳定性条件。ghLatgmaxmaxmaxtgtgmaxmaxmaxgghbhLaghb 由于现代汽车的重心位置较低，因此上述由于现代汽车的重心位置较低，因此上述条件均能满足而有余。条件均能满足而有余。对于越野汽车，其轴距对于越野汽车，其轴距L L较小，重心较高较小，重心较高(较大较大)，轮胎又具有纵向防滑花纹因而附，轮胎又具有纵向防滑花纹因而附着系数较大，故其丧
18、失纵向稳定性的危险着系数较大，故其丧失纵向稳定性的危险增加。增加。因此，对于经常行驶于坎坷不平路面的越因此，对于经常行驶于坎坷不平路面的越野汽车，应尽可能降低其重心位置，而前野汽车，应尽可能降低其重心位置，而前轮驱动型汽车的纵向稳定性最好。轮驱动型汽车的纵向稳定性最好。二、汽车的侧翻和侧滑二、汽车的侧翻和侧滑(一一)汽车的侧翻汽车的侧翻 汽车行驶时，常受侧向力的作用。汽车行驶时，常受侧向力的作用。侧向力有重力的侧向分力，离心力、侧向风力和侧向力有重力的侧向分力，离心力、侧向风力和不平道路的侧向冲击等多种。不平道路的侧向冲击等多种。汽车在侧向力的作用下，如车轮的侧向反作用力汽车在侧向力的作用下，
19、如车轮的侧向反作用力达到附着力时，汽车将沿侧向力的作用方向而滑达到附着力时，汽车将沿侧向力的作用方向而滑移。移。侧向力同时将引起左、右车轮法向反作用力的改侧向力同时将引起左、右车轮法向反作用力的改变，当一侧车轮的法向反作用力变为零时，将发变，当一侧车轮的法向反作用力变为零时，将发生侧向翻车。生侧向翻车。汽车在有侧坡的弯道上等速转向行驶的受力图汽车在有侧坡的弯道上等速转向行驶的受力图 YLBFZLFhgZRFCYF道路的横向坡度角，道路的横向坡度角，(0 0)；B B汽车的轮距，汽车的轮距，m m；F FZLZL作用于左侧车轮的法向反作作用于左侧车轮的法向反作用力，用力，N N；F FZRZR作
20、用于右侧车轮的法向反作用力，作用于右侧车轮的法向反作用力，N N；F FyLyL,F,FyRyR作用于左、右车轮上的作用于左、右车轮上的侧向反作用力，侧向反作用力，N N；F FCYCY作用于汽车重心上的离心力，作用于汽车重心上的离心力，N N；G G汽车总重力，汽车总重力，N N。求汽车在有侧坡的弯道上转向行驶时所允许的求汽车在有侧坡的弯道上转向行驶时所允许的最大车速最大车速 将各力对左、右轮着地点取力矩，经整理可得将各力对左、右轮着地点取力矩，经整理可得 汽车沿半径为汽车沿半径为R R的圆周等速行驶时，作用在汽车的圆周等速行驶时，作用在汽车上的离心力为上的离心力为 )cossin2sinc
21、os2(1gCYCYgLZhFBFGhGBBF)cossin2sincos2(1gCYCYgRZhFBFGhGBBFmaxuRugGFaCY2当时当时 ，汽车将失去侧向稳定性而开始，汽车将失去侧向稳定性而开始向外侧翻倒。向外侧翻倒。将离心力的将离心力的F FCYCY式代入式代入F FZRZR式，并以极限车速式，并以极限车速 代替代替 令令 得得上式经整理后，可得汽车在有侧坡的弯道上上式经整理后，可得汽车在有侧坡的弯道上转向行驶时所允许的最大车速为转向行驶时所允许的最大车速为 0RZFmaxuau0cossin2sincos22max2maxgghugRGBugRGGhGBBtghtghBgRt
22、gbhtghBgRugggg2)2(2)2(max0)cossin2sincos2(1gCYCYgRZhFBFGhGBBF分析分析(1)(1)由式由式 可知，当道路的横向可知，当道路的横向坡度值为坡度值为 时，式中分母为零，则。时，式中分母为零，则。这就说明，汽车在此种侧坡的弯道上可以这就说明，汽车在此种侧坡的弯道上可以任意速度转向行驶，均不会发生绕外侧车任意速度转向行驶，均不会发生绕外侧车轮翻倒的现象。此时轮翻倒的现象。此时 为极限坡度角。为极限坡度角。因此，在公路的转弯处常将道路做成外侧因此，在公路的转弯处常将道路做成外侧较高的一定横向坡度，其目的是使汽车在较高的一定横向坡度，其目的是使汽
23、车在转向时不必降低车速。转向时不必降低车速。BtghtghBgRugg2)2(maxBhtgg2maxu分析分析(2)(2)时，即汽车在无侧坡的水平路面上等时，即汽车在无侧坡的水平路面上等速转向行驶时，由速转向行驶时，由 式可得不翻车所允许的式可得不翻车所允许的最大车速为最大车速为 比较比较 式与上式的分子和分母，可知式与上式的分子和分母，可知 和和 均称为均称为汽车侧翻的临界速度汽车侧翻的临界速度。并且由上两式还可以看出，汽车的轮距越宽，并且由上两式还可以看出，汽车的轮距越宽，其重心位置越低和道路转弯半径越大，则汽车其重心位置越低和道路转弯半径越大，则汽车在侧翻之前可达到的速度也越高。在侧翻
24、之前可达到的速度也越高。0gohgRBu2maxmaxumaxumaxmaxouumaxoumaxu分析分析(3)(3)如果汽车在具有横向坡度的道路上停车或等速如果汽车在具有横向坡度的道路上停车或等速直线行驶，这时离心力直线行驶，这时离心力 ，作用在汽车上的侧，作用在汽车上的侧向力主要是由重力引起的。向力主要是由重力引起的。当当 时，汽车将失去稳定性而开始向右侧翻倒。时，汽车将失去稳定性而开始向右侧翻倒。若以极限坡度角若以极限坡度角 代替式代替式 中的中的 ，可得，可得 经整理得经整理得 上式中的上式中的 为为汽车直线行驶或停车时无翻倒的最汽车直线行驶或停车时无翻倒的最大道路横向坡度角。大道路
25、横向坡度角。0CYF0LZFmax0)cossin2sincos2(1gCYCYgLZhFBFGhGBBF0sincos2max0max0GhGBgghBtg2max0max0(二二)汽车的侧滑汽车的侧滑 在侧向力的作用下，汽车也会发生侧滑现象。在侧向力的作用下，汽车也会发生侧滑现象。汽车发生侧滑时的附着条件为汽车发生侧滑时的附着条件为 即即 将极限速度将极限速度 代入上面的联立方程式并解代入上面的联立方程式并解之即得汽车在侧滑前的最高车速为之即得汽车在侧滑前的最高车速为 ZyFF)cossin(sincos22GgRGuFFGgRGuFFRyLyRyLymaxutgtggRu1)(max)c
26、ossin(sincos22GgRGuFFGgRGuFFRyLyRyLyRugGFaCY2GGsinGcoshgFcysinFcycosFcyFZLFZRFYLFRL第二式根据滑移条件ZyFF图示得第一式yRyLyFFF分析上式的三种特例分析上式的三种特例 (1)(1)当当 时，如时，如 ，即汽车在具有这样侧向坡度的道路上可即汽车在具有这样侧向坡度的道路上可以任意速度转向行驶而不致发生侧滑。以任意速度转向行驶而不致发生侧滑。1tgmaxutgtggRu1)(max(2)(2)当无横向坡度角时，即当无横向坡度角时，即 。根据上式，汽车侧滑前所允许的最大速度根据上式，汽车侧滑前所允许的最大速度为为
27、 tgtggRu1)(max0gRumax(3)(3)汽车直线行驶时，离心力汽车直线行驶时，离心力 ，这时，这时使车轮发生侧滑的作用力为使车轮发生侧滑的作用力为 ，阻止，阻止车轮侧滑的附着力为车轮侧滑的附着力为 。则车轮发生侧滑的临界条件为则车轮发生侧滑的临界条件为 即即 故直线行驶时不侧滑的最大横向坡度为故直线行驶时不侧滑的最大横向坡度为 tgtggRu1)(max0CYFsinGcosGcossinGGtgmaxtg(三三)汽车侧向稳定性系数汽车侧向稳定性系数 当汽车在弯道上行驶的速度提高时，汽车是当汽车在弯道上行驶的速度提高时，汽车是否会侧翻或侧滑，只要在水平路面的条件下，否会侧翻或侧滑
28、，只要在水平路面的条件下，比较比较 和和 两值的大小，就可判断出两值的大小，就可判断出来。来。从行驶安全方面考虑，应使侧滑发生在侧翻从行驶安全方面考虑，应使侧滑发生在侧翻之前，即之前，即 亦即亦即 故要求故要求 称为称为汽车侧向稳定性系数汽车侧向稳定性系数。max0umax0umaxmaxouughgRBgR2ghB2ghB2（四）汽车的侧翻（四）汽车的侧翻 汽车侧翻是指汽车在行驶过程中绕其纵轴线转动汽车侧翻是指汽车在行驶过程中绕其纵轴线转动90900 0或更大的角度，以至车身与地面相接触的一种或更大的角度，以至车身与地面相接触的一种极其危险的侧向运动。极其危险的侧向运动。有很多因素可能引起汽
29、车的侧翻，包括汽车结构、有很多因素可能引起汽车的侧翻，包括汽车结构、驾驶员和道路条件等。驾驶员和道路条件等。汽车侧翻大体上可分为两大类，一类是曲线运动汽车侧翻大体上可分为两大类，一类是曲线运动引起的侧翻，另一类是绊倒侧翻。引起的侧翻，另一类是绊倒侧翻。前者指汽车在道路前者指汽车在道路(包括侧向坡道包括侧向坡道)上行驶时，由上行驶时，由于汽车的侧向加速度超过一定限值，使得汽车内于汽车的侧向加速度超过一定限值，使得汽车内侧车轮的垂直反力为零而引起的侧翻；后者是指侧车轮的垂直反力为零而引起的侧翻；后者是指汽车行驶时产生侧向滑移，与路面上的障碍物侧汽车行驶时产生侧向滑移，与路面上的障碍物侧向撞击而将其
30、向撞击而将其“绊倒绊倒”。1 1、刚性汽车的准静态侧翻、刚性汽车的准静态侧翻 这里，这里，“刚性汽车刚性汽车”是指忽略汽车悬架及轮胎的是指忽略汽车悬架及轮胎的弹性变形，弹性变形，“准静态准静态”指汽车的稳态转向。在侧指汽车的稳态转向。在侧倾平面内，刚性汽车稳态转向模型如图倾平面内，刚性汽车稳态转向模型如图5-855-85所示。所示。假设道路的侧向坡道角假设道路的侧向坡道角 很小，很小，即即sin sin ，coscos 1 1，于是有于是有 汽车在水平路面上直线行驶汽车在水平路面上直线行驶(=0(=0、=0)=0)时，时，内侧车轮的垂直反力内侧车轮的垂直反力 。当。当 时，时，若要若要 仍保持
31、不变，则道路的侧向坡道仍保持不变，则道路的侧向坡道角角 ，高速公路拐弯处的坡道角就是根据，高速公路拐弯处的坡道角就是根据此原理来设计的。此原理来设计的。ygZiyhBmgFg210y2/mgFZi2/mgFZigy/侧倾平面内刚性汽车的模型侧倾平面内刚性汽车的模型gyhBg20ghB 2/yZiFghB由式由式(5-45)(5-45)可知，随着侧向加速度可知，随着侧向加速度 的增大，的增大，逐逐渐减小。当渐减小。当 减小到零时，汽车在侧倾平面内不减小到零时，汽车在侧倾平面内不能保持平衡，从而开始侧翻。汽车开始侧翻时所受能保持平衡，从而开始侧翻。汽车开始侧翻时所受的侧向加速度的侧向加速度(g)(
32、g)称为侧翻阈值，可由下式给出称为侧翻阈值，可由下式给出显然，当坡道角显然，当坡道角 =0=0时，侧翻阈值为时，侧翻阈值为 ，此，此值常用来预估汽车的抗侧翻能力，因为它只需要轮值常用来预估汽车的抗侧翻能力，因为它只需要轮距距B B和质心高度和质心高度 两个结构参数，应用起来十分方两个结构参数，应用起来十分方便。但由于忽略了悬架及轮胎的弹性，且这里仅考便。但由于忽略了悬架及轮胎的弹性，且这里仅考虑汽车的准静态情况，所以预估值偏高。虑汽车的准静态情况，所以预估值偏高。表表5-45-4列出了几种汽车的侧翻闽值。列出了几种汽车的侧翻闽值。yZiFZiFgyhBg2ghB 2/gh刚性汽车的准静态侧翻刚
33、性汽车的准静态侧翻 在良好路面上，轮胎的附着系数可达到在良好路面上，轮胎的附着系数可达到0.80.8，即，即侧向加速度侧向加速度 达到达到0.8g0.8g时，汽车开始侧滑。时，汽车开始侧滑。由表由表5-45-4可知，中、重型货车在尚未达到侧滑时，可知，中、重型货车在尚未达到侧滑时，即已开始侧翻；即已开始侧翻；而对轿车和轻型货车而言，似乎是尚未侧翻即已而对轿车和轻型货车而言，似乎是尚未侧翻即已侧滑。侧滑。然而事故统计表明，此类汽车在侧翻时有时并未然而事故统计表明，此类汽车在侧翻时有时并未产生侧滑，这就需要对汽车侧翻问题作进一步探产生侧滑，这就需要对汽车侧翻问题作进一步探讨。讨。y2 2、带悬架汽
34、车的准静态侧翻、带悬架汽车的准静态侧翻 图图5-875-87给出了侧倾平面内带悬架的汽车物理模型，给出了侧倾平面内带悬架的汽车物理模型，车厢用悬挂质量车厢用悬挂质量m ms s表示。车厢的侧倾引起汽车质心表示。车厢的侧倾引起汽车质心位置的偏移，从而改变了汽车自重的抗侧翻能力，位置的偏移，从而改变了汽车自重的抗侧翻能力，使得侧倾阈值减小。使得侧倾阈值减小。grgyhhRhBg/1112例例 某轿车某轿车 ，则，则 。与刚。与刚性汽车相比，侧倾阈值减少了性汽车相比，侧倾阈值减少了5 5。另外，当汽车受侧向力作用。另外，当汽车受侧向力作用时，外侧轮胎产生弹性变形，从而轮胎接地中心向内偏移，轮时，外侧
35、轮胎产生弹性变形，从而轮胎接地中心向内偏移，轮距距B B减小，这使得侧翻阈值又减小约减小，这使得侧翻阈值又减小约5 5。5.0/grhhgradR/1.0gyhBg295.0侧倾平面内带悬架的汽车模型侧倾平面内带悬架的汽车模型3 3、汽车的瞬态侧翻、汽车的瞬态侧翻 前面讨论了汽车的准静态侧翻，而准静态前面讨论了汽车的准静态侧翻，而准静态假设只有当侧向加速度变化较慢时才是合假设只有当侧向加速度变化较慢时才是合理的。为了解侧向加速度变化较快时汽车理的。为了解侧向加速度变化较快时汽车的侧翻，必须研究汽车的侧倾响应。的侧翻，必须研究汽车的侧倾响应。图图5-885-88是一种最简单的汽车侧倾物理模型。是
36、一种最简单的汽车侧倾物理模型。此模型与前面讲述过的带悬架的汽车模型此模型与前面讲述过的带悬架的汽车模型相似，不过这里车厢用悬挂质量相似，不过这里车厢用悬挂质量m ms s和侧倾和侧倾转动惯量转动惯量I Is s来表示。来表示。汽车侧倾模型汽车侧倾模型Is侧倾转动惯量侧倾转动惯量ms车厢用悬挂质量车厢用悬挂质量 汽车的侧倾角在初次达到稳态值之后有一个超调量，汽车的侧倾角在初次达到稳态值之后有一个超调量，说明汽车在比准静态下更小的侧向加速度时，内侧说明汽车在比准静态下更小的侧向加速度时，内侧车轮就可能离开地面，即汽车的瞬态侧倾阈值比准车轮就可能离开地面，即汽车的瞬态侧倾阈值比准静态时的小。静态时的
37、小。对于轿车和多用途车辆，阶跃转向时的侧倾阈值比对于轿车和多用途车辆，阶跃转向时的侧倾阈值比B B(2 )(2 )低约低约3030，而货车则低约，而货车则低约5050。gh总结总结 一般汽车即使处于干燥的沥青路面上，这时一般汽车即使处于干燥的沥青路面上，这时 值较值较大，约为大，约为0.70.70.80.8，仍然能满足上述稳定性的条件。，仍然能满足上述稳定性的条件。但是，当汽车重心提高以后，例如：在使用底盘较但是，当汽车重心提高以后，例如：在使用底盘较高的汽车装运大量轻泡货物时，或当自卸汽车卸货高的汽车装运大量轻泡货物时，或当自卸汽车卸货时，上述稳定条件就有可能得不到满足。所以在汽时，上述稳定
38、条件就有可能得不到满足。所以在汽车设计和使用中，都应尽量降低其重心高度。车设计和使用中，都应尽量降低其重心高度。在前述汽车稳定性的分析中，均假定前、后轴是同在前述汽车稳定性的分析中，均假定前、后轴是同时侧滑的。实际上在汽车使用中，往往是某一车轴时侧滑的。实际上在汽车使用中，往往是某一车轴发生单独侧滑，单轴侧滑对稳定性的影响，已在制发生单独侧滑，单轴侧滑对稳定性的影响，已在制动侧滑中讲述。动侧滑中讲述。第二节第二节 汽车的转向特性汽车的转向特性 一、弹性车轮的侧偏特性一、弹性车轮的侧偏特性 现代汽车均装用充气轮胎。它具有一定的现代汽车均装用充气轮胎。它具有一定的径向和侧向弹性，在受到侧向力作用下
39、滚径向和侧向弹性，在受到侧向力作用下滚动时，将因侧向变形而引起侧向偏离。动时，将因侧向变形而引起侧向偏离。轮胎的侧偏特性就是指侧向力与侧偏角间轮胎的侧偏特性就是指侧向力与侧偏角间的关系。的关系。轮胎的侧偏特性是讨论汽车操纵稳定性理轮胎的侧偏特性是讨论汽车操纵稳定性理论的基础。论的基础。轮胎的坐标系轮胎的坐标系 汽车在行驶过程中，由于路面的侧向倾斜、汽车在行驶过程中，由于路面的侧向倾斜、侧向风或曲线行驶时的离心力等的作用，侧向风或曲线行驶时的离心力等的作用，车轮中心沿车轮中心沿y轴方向将作用有侧向力轴方向将作用有侧向力Fy，相，相应地在地面上产生地面侧向反作用力应地在地面上产生地面侧向反作用力F
40、Y，FY也称为侧偏力。也称为侧偏力。有侧向力作用时刚性车轮的滚动有侧向力作用时刚性车轮的滚动 当有地面侧向反作用力时，若当有地面侧向反作用力时，若车轮是刚性的，则可以发生两车轮是刚性的，则可以发生两种情况：种情况：1)1)当地面侧向反作用力当地面侧向反作用力n n未超过未超过车轮与地面间的附着极限时，车轮与地面间的附着极限时，车轮与地面间没有滑动，车轮车轮与地面间没有滑动，车轮仍沿其本身平面仍沿其本身平面cccc的方向行驶的方向行驶(图图5-6)5-6)。2)2)当地面侧向反作用力当地面侧向反作用力FYFY达到达到车轮与地面间的附着极限时，车轮与地面间的附着极限时，车轮发生侧向滑动，若滑动速车
41、轮发生侧向滑动，若滑动速度为度为u u，车轮便沿合成速度，车轮便沿合成速度uu的方向行驶，偏离了的方向行驶，偏离了cccc方向。方向。(一一)弹性车轮的侧向偏离现象弹性车轮的侧向偏离现象 为研究轮胎的侧向弹性变形对车轮滚动过为研究轮胎的侧向弹性变形对车轮滚动过程的影响，试观察弹性车轮在侧向力程的影响，试观察弹性车轮在侧向力 作作用下的侧向变形和滚动轨迹。用下的侧向变形和滚动轨迹。假定假定 不足以使车轮侧向滑动。不足以使车轮侧向滑动。显而易见，当车轮静止不动时，由于显而易见，当车轮静止不动时，由于 使使轮胎产生侧向变形，轮胎与地面接触印迹轮胎产生侧向变形，轮胎与地面接触印迹的长轴线与车轮的中心平
42、面不重合，错的长轴线与车轮的中心平面不重合，错开开 ，如图所示。，如图所示。yFyFyFh轮胎的侧偏现象 a)静止 b)滚动 地面接触印迹的地面接触印迹的长轴线与车轮的长轴线与车轮的中心平面不重合，中心平面不重合，错开错开h分析分析 为了分析弹性车轮有侧向变形时的滚动轨迹，在轮为了分析弹性车轮有侧向变形时的滚动轨迹，在轮胎胎面中心线上标出胎胎面中心线上标出a a、b b、c c、d d、e e、f f，各点，见，各点，见图。图。若车轮未受侧向力作用而滚动时若车轮未受侧向力作用而滚动时a a，b b、c c、各点各点将依次落于地面上将依次落于地面上a1a1，b1b1，c1c1，d1d1，e1e1
43、、f1f1各点上。各点上。车轮的运动轨迹为车轮的运动轨迹为af1af1而当车轮在侧向力作用下滚而当车轮在侧向力作用下滚动时，动时，a a、b b、c c、各点将依次落于路面上各点将依次落于路面上各点。各点。则车轮在路面上的运动轨迹相对于车轮平面偏离某则车轮在路面上的运动轨迹相对于车轮平面偏离某一角度。一角度。换言之，弹性轮胎在侧向力作用下，由于车轮的侧换言之，弹性轮胎在侧向力作用下，由于车轮的侧向弹性变形，其实际运动方向不再是车轮平面所指向弹性变形，其实际运动方向不再是车轮平面所指的方向，而是与其相差某一角度。的方向，而是与其相差某一角度。这种现象称为弹性车轮的侧向偏离。而角称为弹性这种现象称
44、为弹性车轮的侧向偏离。而角称为弹性车轮的侧偏角。车轮的侧偏角。（二）轮胎的侧偏特性（二）轮胎的侧偏特性曲线表明，侧偏角不超过50时，FY与成线性关系。汽车正常行驶时，侧向加速度不超过04g，侧偏角不超过4050，可以认为侧偏角与侧偏力成线性关系。FY一曲线在=00处的斜率称为侧偏刚度k，单位为Nrad或N(o)。由轮胎坐标系有关符号规定可知，负的侧偏力产生正的侧偏角，因此侧偏刚度为负值。FY与的关系式可写作 F FY Y=k=k 小型轿车轮胎的k值约在-28000-80000Nrad范围内。侧偏刚度是决定操纵稳定性的重要轮胎参数。轮胎应有高的侧偏刚度(指绝对值)，以保证汽车良好的操纵稳定性。侧
45、偏特性曲线侧偏特性曲线普 通 斜 交 胎道 路 附 着 极 限2000010004812子 午 线 轮 胎侧 偏 力 F（N）Y侧 偏 角 16 轮胎的侧偏特性大多是靠试验来测定的。而且试轮胎的侧偏特性大多是靠试验来测定的。而且试验结果因轮胎本身的变化验结果因轮胎本身的变化 (如气压、磨损等如气压、磨损等)、试验条件的改变试验条件的改变(路面干湿、温度、表面清洁状路面干湿、温度、表面清洁状况等况等)以及试验设备的不同而有差异。以及试验设备的不同而有差异。图图5-55-5为侧向力为侧向力侧偏角特性。侧偏角特性。曲线表明，侧偏角不超过曲线表明，侧偏角不超过3 30 04 40 0时，时，与与 成线
46、成线性关系。性关系。随着侧向力增大，侧偏角也增大。随着侧向力增大，侧偏角也增大。侧向力增至某一数值后侧向力增至某一数值后(=10(=10O O)，由于轮胎与，由于轮胎与路面开始局部滑移，侧偏角增长加快。路面开始局部滑移，侧偏角增长加快。当侧向力等于附着力时，当侧向力等于附着力时，车轮发生侧滑。，车轮发生侧滑。yFZyFF 汽车正常行驶时，侧偏角一般不超过汽车正常行驶时，侧偏角一般不超过4 4o o5 5o o，故可认为侧向力与侧偏角成线性关系。故可认为侧向力与侧偏角成线性关系。曲线曲线 中的线性部分可写成关系式：中的线性部分可写成关系式：式中，式中，k k侧偏刚度，侧偏刚度，N N(o o)。
47、侧偏刚度表示弹性车轮产生侧偏刚度表示弹性车轮产生1 1o o侧偏角所需施侧偏角所需施加的侧向力。加的侧向力。一般中小型轿车的侧偏刚度为一般中小型轿车的侧偏刚度为4904901372N1372N(o o)。可见弹性车轮的侧偏角不仅与侧向力有关，可见弹性车轮的侧偏角不仅与侧向力有关，还与侧偏刚度有关。还与侧偏刚度有关。侧向力相同时，侧偏刚度大，则侧偏角小。侧向力相同时，侧偏刚度大，则侧偏角小。yFkFy 根据试验结果分析，侧偏刚度和侧偏特性与一系列结构上和根据试验结果分析，侧偏刚度和侧偏特性与一系列结构上和使用上的因素有关。使用上的因素有关。（1 1）轮辋较宽的轮胎侧偏刚度较大。）轮辋较宽的轮胎侧
48、偏刚度较大。（2 2）尺寸相同的子午线轮胎比斜交轮胎的侧偏刚度大。）尺寸相同的子午线轮胎比斜交轮胎的侧偏刚度大。（3 3）同一型号、同一尺寸的轮胎，帘布层数越多，帘线与）同一型号、同一尺寸的轮胎，帘布层数越多，帘线与车轮平面的夹角越小，气压越高，侧偏刚度越大。车轮平面的夹角越小，气压越高，侧偏刚度越大。（4 4）侧偏刚度也与车轮倾斜角度有关，侧向力与倾斜方向）侧偏刚度也与车轮倾斜角度有关，侧向力与倾斜方向相反时，侧偏刚度增大。相反时，侧偏刚度增大。（5 5）侧偏刚度与车轮的法向载荷的关系是法向载荷增加时，）侧偏刚度与车轮的法向载荷的关系是法向载荷增加时，侧偏刚度先增大，然后又减小，其最大值一般
49、对应于轮胎的侧偏刚度先增大，然后又减小，其最大值一般对应于轮胎的额定法向载荷。额定法向载荷。（6 6）地面切向反作用力的大小和方向对侧偏刚度也有影响。）地面切向反作用力的大小和方向对侧偏刚度也有影响。车轮传递的驱动力增加时，由于轮胎前部发生切向压缩，侧车轮传递的驱动力增加时，由于轮胎前部发生切向压缩，侧偏刚度略为减小。反之，当制动力增加时，侧偏刚度稍有增偏刚度略为减小。反之，当制动力增加时，侧偏刚度稍有增加，随后减小。加，随后减小。侧向偏离不仅影响车轮的运动轨迹，同时，侧向变形使滚动侧向偏离不仅影响车轮的运动轨迹，同时，侧向变形使滚动阻力损失增加，并加剧轮胎的磨损。阻力损失增加，并加剧轮胎的磨
50、损。以下为教材分析分析分析 在较大的侧偏力时，侧偏角以较大的速率增长，在较大的侧偏力时，侧偏角以较大的速率增长，即即F FY Y曲线的斜率逐渐减小，这时轮胎在接地曲线的斜率逐渐减小，这时轮胎在接地面处已发生部分侧滑。最后，侧偏力达到附着极面处已发生部分侧滑。最后，侧偏力达到附着极限时，整个轮胎侧滑。限时，整个轮胎侧滑。显然，轮胎的最大侧偏力决定于附着条件，即垂显然，轮胎的最大侧偏力决定于附着条件，即垂直载荷，轮胎胎面花纹、材料、结构、充气压力，直载荷，轮胎胎面花纹、材料、结构、充气压力，路面的材料、结构、潮湿程度以及车轮的外倾角路面的材料、结构、潮湿程度以及车轮的外倾角等。等。一般而言，最大侧
