汽车操纵稳定性
一、汽车操纵稳定性
1.汽车行驶的纵向稳定性
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用
力不断减小。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。在这样的坡
度下，汽车将失去操纵性，并可能产生纵向
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着力时，驱动轮
将滑转。这两种情况均使汽车的行驶稳定性
遭到破坏。
2.汽车横向稳定性
汽车横向稳定性的丧失，表现为汽车的侧
翻或横向滑移。由于侧向力作用而发生的横向稳
定性破坏的可能性较多，也较危险。
图5.2所示汽车在横向坡路上作等速弯道行驶时
的受力图。随着行驶车速的提高，在离心力cF
作用下，汽车可能以左侧车轮为支点向外侧翻。
当右侧车轮法向反力时，开始侧翻。
3.轮胎的侧偏特性
轮胎的侧偏特性是研究汽车操纵稳定性理论的出发点。
3.1 轮胎的坐标系与术语
图5.3示出车轮的坐标系，其中车轮前进方向为x轴的正方向，向下为z轴的正方向，在x轴的正方向的右侧为y轴的正方向。
（1）车轮平面垂直于车轮旋转轴
线的轮胎中分平面。
（2）车轮中心车轮旋转轴线与车
轮平面的交点。
（3）轮胎接地中心车轮旋转轴线
在地平面（xOy平面）上的投影（y轴），与
车轮平面的交点，也就是坐标原点。
（4）翻转力矩xT 地面作用于轮胎
上的力，绕x轴的力矩。图示方向为正。（5）滚动阻力矩yT 地面作用于轮胎上的力，绕y轴的力矩。图示方向为正。（6）回正力矩zT 地面作用于轮胎上的力，绕z轴的力矩。图示方向为正。（7）侧偏角轮胎接地中心位移方向（车轮行驶方向）与x轴的夹角。图示方向为正。（8）外倾角xOz平面与车轮平面的夹角。图示方向为正。
3.2 轮胎的侧偏现象
如果车轮是刚性的，在车轮中心垂直于车
轮平面的方向上作用有侧向力yF。当侧向力yF不
超过车轮与地面的附着极限时，车轮与地面没有滑
动，车轮仍沿着其本身行驶的方向行驶；当侧向力
yF达到车轮与地面间附着极限时，车轮与地面产
生横向滑动，若滑动速度为Δu，车轮便沿某一合
成速度u′方向行驶，偏离了原行驶方向，如图5.4
所示。
当车轮有侧向弹性时，即使yF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，这就是轮胎的侧偏现象。下面讨论具有侧向
弹性车轮，在垂直载荷为W的条件下，受到侧向力yF
作用后的两种情况：（1）车轮静止不动时由于
车轮有侧向弹性，轮胎发生侧向变形，轮胎与地面接触
印迹长轴线aa与车轮平面cc不重合，错开Δh，但aa
仍平行于cc，如图5.5a所示。（2）车轮滚动时接
触印迹的长轴线aa，不只是和车轮平面错开一定距离，
而且不再与车轮平面cc平行。图5.5b示出车轮的滚动
过程中，车轮平面上点Al、A2、A3、…依次落在地面上，形成点、、，点、、的连线aa与cc的夹角，即为侧偏角。车轮就是沿着aa方向滚动的。显然，侧偏角的数值是与侧向力yF有关的。
3.3 轮胎的侧偏特性
图5.6所示为一轮胎的侧偏力～侧偏角关系曲线。曲线表明，侧偏角不超过3°～
4°时，可认为yF与成线性关系。随着yF的
增大，增大较快，轮胎产生滑移。汽车正常行
驶时，侧向加速度一般不超过（0.3～0.4）g，
侧偏角不超过4°～5°，故可认为侧偏力与侧偏
角成线性关系，可用下式表示：
3.4 回正力矩（绕z轴的力矩）
在轮胎发生侧偏时，还会产生图5.3所示作用于轮胎绕z轴的力矩zT。圆周行驶时，zT是使转向车轮恢复到直线行驶位置
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。由图5.5可
知，车轮在静止时受到侧向力后，印迹长
轴线aa与车轮平面cc平行，错开Δh，即
印迹长轴线aa上各点的横向变形（相对于
cc平面）均为Δh，故可以认为地面侧向
反作用力沿aa线是均匀分布的（图5.8a）。
车轮滚动时，印迹长轴线aa不仅与车轮平面错开一定距离，而且转动了角，因而印迹前端离车轮平面近，侧向变形小；印迹后端离车轮平面远，侧向变形大。可以认为，地面微元侧向反作用力的分布与变形成正比，故地面微元侧向反作用力的分布情况如图5.8b所示，其合力Fy的大小与侧向力F有相等，但其作用点必然在接地印迹几何中心的后方，偏移某一距离e，e称为轮胎拖距，Fye就是回正力矩Tz。
在yF增加时，接地印迹内地面微元侧向反作用力的分布情况如图5.8c所示。
增大至一定程度时，接地印迹后部的某些部分便达到附着极限，反作用力将沿345线分布（图5.8d）。随着yF的进一步加大，将有更多部分达到附着极限，直到整个接地印迹发生侧滑，因而轮胎拖距会随着侧向力的增加而逐渐变小。
4.1汽车的稳态转向特性
对汽车曲线运动进行初步分析时，把汽车看作平行
于路面的平面运动。即汽车没有垂直运动，沿z轴的位移
为零，绕y轴的俯仰角、绕x轴的侧倾角均为零。另外假
设汽车前进速度不变，即沿x轴的汽车（绝对）速度u不
变。因此汽车只有沿y轴的侧向运动与绕z轴的横摆运动
这样两个自由度。
4.2 汽车的瞬态响应
给等速直线行驶的汽车以前轮角阶跃输入，经过短暂时间后，将进入等速圆周行驶。等速直线行驶与等速圆周行驶的过渡过程便是
瞬态，相应的响应称为前轮角阶跃输入引起的
汽车瞬态响应。在一般汽车行驶时，实际上驾
驶员不断接触到的是汽车的瞬态响应。
图5.12所示为一辆直线行驶汽车，驾驶员
在处突然猛打转向盘，转过某一角度
后，保持转向盘不动，即给汽车一个转向
盘角阶跃输入后的瞬态响应曲线。当车速不变
时，汽车横摆角速度本应立即达到相应的，但实际上汽车横摆角速度的变化为。作为这一过程的评价指标如下：
（1）响应时间以转向盘转角达到终值的50%的时刻，作为时间坐标原点，到所测横摆角速度第一次过渡到新稳态值的50%所用的时间，称为响应时间。这段时间应尽量短些，响应时间太长，驾驶员将感到汽车转向反应迟钝。（2）峰值响应时间从时间坐标原点开始，到所测横摆角速度响应达到第一个峰值止，这段时间称为峰值响应时间。由于打转向盘的起始时间难以准确确定，而且开始转动及停止转动转向盘前，转向盘转角变化速率较大，所以响应时间与峰值响应时间只是一个相互比较的参考性数据。（3）横摆角速度超调量在时，横摆角速度达到最大值，往往大于，的百分数称为超调量。超调量表明瞬态响应中执行指令误差的大小。超凋量越小越好。减小超调量
可使横摆角速度波动较快衰减。（4）横摆角速度的波动量在瞬态响应中，横摆角速度值在值上、下波动。车速一定时，值的波动表现在转向半径R的时大时小，这就增加了驾驶的困难。汽车横摆角速度的波动周期T或频率，也是评价瞬态响应的重要参数。（5）稳定时间横摆角速度达到稳定值的95%～105%之间的时间，称为稳定时间。这段时间应尽量短些，凡是能使横摆角速度加快衰减的因素，也是使稳定时间缩短的因素。
少数汽车可能出现横摆角速度不收敛情况，即越来越大，若车速不变即转向半径R越来越小，就会急剧增加离心力，汽车将发生侧滑或侧翻等危险情况。
二、车辆车身各部件对车辆操纵稳定性影响
1. 电动助力转向系统对汽车操控稳定性的影响
在电动助力转向系统中引入横摆角速度反馈传感器,建立了包含电动助力转向系统的人-车系统数学模型;经模拟仿真分析,表明该模型在EPS中引入横摆角速度负反馈可以显著改善前轮角阶跃输入下车辆的横摆角速度的瞬态响应;并且EPS助力矩响应曲线上升平稳缓慢,有利于汽车在低附着系数路面高速转向行驶时的操纵,从而提高汽车的行驶安全性。
1.1. 横摆角速度反馈
当汽车的运动进入失稳状态时,驾驶员很容易做出过度转向的车辆,可在EPS 中引入一个负反馈,以降低系统的助力矩,削弱驾驶员快速改变前轮转向角的能力。
1.2. 仿真结果及结论
对于不引入反馈的系统,瞬态响应曲线的振荡幅度很大,收敛较慢,稳定性较差。引入反馈后,系统的超调量显著降低,并很快的趋于稳态值,但反应时间较前者增长。引入反馈后(实线表示)系统在横摆角速度出现剧烈振荡的阶段( t < 1 s)提供远小于常规系统(虚线表示)的助力矩。这样转向系能提供给驾驶员更多的“路感”,同时也使转向系变得较“迟钝”,削弱了驾驶员快速控制前轮转向的能力[ 6 ] ,防止因驾驶员(错误的)快速转向操纵而导致的系统不稳定。另外,带有反馈的系统提供的助力矩曲线很平滑,而不带反馈的系统却出现了一定的波动。抑制助力矩的波动不仅有利于保持车辆的稳定性,也有利于延长助力电机的寿命。
因此在EPS引入横摆角速度反馈可以减少前轮阶跃输入车辆的横摆角速度瞬态
响应的时间,显著降低超调量,可明显改善车辆的行驶稳定性,但会增长反应时间。为EPS引入横摆角速度反馈后, EPS系统的助力矩上升较慢,但增长平稳,不出现明显的振荡。这有利于汽车横摆角速度出现剧烈波动的失稳状态下汽车的操纵,提高汽车的行驶安全性。
2. 悬架特性对操纵稳定性的影响
汽车的不足转向度是汽车操纵稳定性的一个重要评价指标，在汽车概念设计阶段，通过悬架在各种工况下的K&C性能分析，可计算分析整车的基本动力学特性，协助完成目标设定、目标改进和整车操稳性能优化提升等工作。本文最终以奇瑞某车型为例，分析并研究改变悬架的K&C特性（主要改变悬架的侧倾转向和侧向变形转向梯度）对整车不足转向度的影响，并在整车操稳性能的优化改进中进行了验证。通过改变前悬架的侧倾转向梯度和侧向变形转向梯度，运用MSC ADAMS分析悬架K&C性能的变化对整车操纵稳定性的影响；该方法也可用于悬架其它K&C性能的分析，为汽车悬架的概念设计和样车性能提升提供仿真支持。
2.1. 基本理论及内容研究
Kinematics研究悬架和转向系统的几何空间位置运动特性，不考虑质量或力的影响；Compliance是由于力的作用而引起的变形，如弹簧、稳定杆、衬套和部件的受力变形。通过悬架K&C性能的分析改进，可为整车性能的提升提供支持。以ε代表侧倾转向系
数，整车的不足转向度可表示为：
其中：φ――车身侧倾角；ay――侧向加速度；
随着前、后侧倾转向的方向与数值的不同，整车的不足转向度也会随着增加或较小。侧向变形转向侧向变形转向系数可定义为：
其中：δc――转向角；Fy――侧向力；
侧向力等于轴荷乘以侧向加速度，因此前轴转向角可表示为：
由侧向变形转向引起的整车不足转向度可表示
为：
2.2. 分析及结果
改变前悬架的侧倾转向梯度和侧向变形转向梯度，而保持前后悬架和整车的其它参数不变，对整车进行稳态回转仿真分析，计算整车的不足转向度，即KRS和KLFCS，研究悬架的K&C特性变化对整车性能的影响。最终结果显示，随着前悬架侧倾转向梯度εf的增大，整车不足转向度KRS逐渐增大；随着侧向变形转向梯度Af的增大，整车不足转向度KLFCS 逐渐增大。在汽车转弯时，前悬架外侧车轮的负前束变化趋势增大时，整车有增加不足转向的趋势
3. 集成底盘控制对汽车操纵稳定性的影响
为了应付的稳定性，操纵性能，以及高顺序和复杂的车辆拖车厂的冲突要求，模型跟踪方法。采用这种方法，反馈控制的目的是“脱钩”的车辆和拖车厂，使得每一个跟踪一个明确的二阶独立的参考模型尚未协调发展。前馈控制是为了维护其系统的稳态性能。因此，该方法不仅提高了系统的瞬态响应，而且其稳态性能。这种做法进一步产生了一个简单而分析控制推导，提供更多有识之士来系统动力学研究。
3.1. 实验模拟及结论
计算机模拟进行了比较系统的反应模拟阶跃输入。这些配置包括车辆单独与2WS 与RWS的开环控制，车辆拖车与模型跟踪控制系统，汽车拖车，并与修正模型分别跟踪控制。模拟转向输入为60度和车辆在时速80公里匀速行驶。为了稳定车辆拖车组合，而在同一时间，以保持其操控性能，模型跟踪控制，提出了基于综合底盘控制，如全轮转向，（AWS）的控制，本文所描述。建议中的管制包括一个反馈控制和前馈控制。而反馈控制，主要是旨在通过“脱钩”的车辆和拖车等，每首曲目一个明确的二阶系统暂态响应的参考模型，前馈控制提高了系统的稳态性能。因此，一个简单而推导公式分析控制，提供更深入地了解其动态。为了应付模型的非线性，改进的模型跟踪双回路反馈控制进一步提出，其性能的改善是通过模拟显示。
三、车辆整体性能操纵稳定性的研究
1. 基于ADAMS的汽车操纵稳定性的研究
应用机械系统分析软件A D A MS ，建立丁整车的多柔体动理学仿真模型。详细考虑了悬架、轮胎．横向稳定杆等部件的操纵稳定性的影响设计了于F环的虚拟试验，对仿真结果进行了处理并同物理试验结果进行此较．验证了模型的可靠性应用相应的评价方法对车型进行计分评价，分析了影响稳态转向特性的各种因索．结合车辆实际情况提出了相应的改善措施。
1.1. 操纵稳定性的模拟试验的实现及评价
我国国家标准t S J G B ／T 6 3 2 3 - 9 4的规定进行汽车操纵稳定性试验时，进行如下试验：①蛇行试验；②转向瞬态响应试验；③转向回正性试验；转向轻便性试验；⑨稳态回转试验。本次仿真选择稳态回转试验来分析该车的操纵稳定性。虚拟试验实现的方法是：汽车以最低稳定车速行驶(仿真中以 1 0 k m ／h为准) 。调整方向盘转角使转弯半径为1 5 m，测量出此时的方向盘转角。仿真时用S t e p ( ) 函数6 施加驱动力矩，避免仿真开始时的数据突变。然后在仿真开始很短时间内( 如 1 S ) 用S t e p ( ) 函数阶跃输入该转角，在驱动力矩的作用下车辆连续而均匀地加速( 纵向加速度不能超过0 ． 2 5 m ／s ，通过调整驱动力矩的大小来实现) 。直到汽车的侧向加速度达到 6 ． 5 m ／s ( 或达到汽车所能达到的最大侧向加速度) 为止。根据以下关系式建立M e a s u r e测量出侧向加速度、转弯半径。a= X t o ( 1 ) R= V ／t o ( 2 ) 式中：a——侧向加速度，m ／s ；V ——车辆前进车速，m ／s；R ——转弯半径，I n；t o——横摆角速度，r a d ／s ；仿真开始时，横摆角速度t o为零，从而R为无穷大，导致仿真失败，用t o+ o ( t o) 代替t o( o ( t o) 为一微小常数) ，此问题便可解决。
将试验结果进行处理，然后按照评价方法进行评价计分，可得中性转向点侧向加速度、不足转向度和车厢侧倾度的评价计分值分别为 6 5 ，9 5 ， 6 6 ，综合评价计分值为7 5 .3 。由以上数据判断，该车的稳态转向特性是合格的。但是，中性转向点侧向加速度、车厢侧倾度的评价计分值偏低，所以该车的操纵稳定性还有很大的改进余地。结合该车的实际情况，综合考虑提高评价指标计分值，所采取措施易于在设计、生产过程中实现，对汽车其他主要性能影响较小。采取增大横向稳定杆角刚度及改变主销后倾角两项措施对该车操纵稳定性进行改善，将主销后倾角调整为 3 ．5 。横向稳定杆角刚度由原来的 1 0 0 ． 5 N m ／( 。) 增加至 5 0 5 N m ／( 。) 进行仿真，结果表明该车稳态转向特性有显著改善，中性转向点侧向加速度、不足转向度和车厢侧倾度的评价计分值分别为7 9 ，
1 0 0 ，7 5 ；综合评价计分值为8 4 ．7 ，比原车型提高了l
2 ．5 ％。1.2. 结论
针对改型商务车的结构特点，建立了包括悬架、轮胎、横向稳定杆、横拉杆、转向系等部件在内的整车动理学仿真模型，完成了虚拟试验并将其与物理试验比较，结果验证所建立的模型是正确的，在仿真的基础上对该车型的稳态转向特性进行了改善。研究表明，利用虚拟样机技术可以快速准确地对车辆操纵性能进行仿真，从而对其性能做出预测和评估，为设计和改型提供依据和参考，减少开发费用，缩短设计周期，提高产品竞争力，具有重要的现实及工程意义。进一步可建立更为精确的模型，考虑更多的影响因素，进行操纵稳定性的其他各个试验的仿真研究，从而更为全面地对车辆操纵稳定性进行预测和评价
2. 汽车操纵稳定性的主观评价
2.1. 汽车操纵稳定性的主观评价概念和方法
汽车操纵稳定性的主观评价是驾驶员根据不同的驾驶任务操纵汽车时，依据对操纵动作难易程度的感觉来对汽车进行评价，即驾驶员对汽车的易操纵性所进行的评价。由于个体的生理心理存在很大。
汽车操纵稳定性的主观评价包含不同驾驶任务的多项目评价和总评价。评价项目可分为：直线行驶稳定性( 包括转向回正能力、侧风敏感性、路I 自i 不平敏感性等) 、行车变道的操纵性、转弯稳定( 包括转向的准确性、固有转向特性、转弯制动特性等) 以及操纵负荷等。另外还常常进行多弯道路段L汽车总特性的评价。
参考文献：【1】蔡世芳 (1985). "汽车操纵稳定性评价指标和参数匹配的工程分析方法." 汽车工程 7(3): 21-29.
【2】杨占鹏. 电动助力转向系统对汽车操纵稳定性的影响. 山东：拖拉机与农用运输车.2008.4
【3】梅奋永,方锡邦,乔明侠. 基于ADAMS的汽车探纵稳定性仿真研究. 合肥工业大学机械与汽车工程学院.2004.3
【4】宗长富，郭孔辉. 汽车操纵稳定性的主观评价. 汽车工程. 2000(5)
【5】Weiwen Deng and Yong H. Lee，An Integrated Chassis Control for Vehicle-Trailer Stability and Handlin g Performance，Proceedings of the 2004 SAE Automotive Dynamics, Stability & Controls Conference ，May 4-6, 2004
关键词：汽车操纵稳定性 1、蔡世芳(1985). "汽车操纵稳定性评价指标和参数匹配的工程分析方法." 汽车工程7(3): 21-29. 本文提出一种工程分析方法,并利用此方法研究评价指标和参数匹配规律。全文主要内容有四部份: (1)工程分析方法的数学模型; (2)评价指标的工程计算方法; (8)评价指标的相关分析和主要评价指标的推荐。(4)操纵稳定性参数匹配的基本规律。 2、岑少起, 潘筱, et al. (2006). "ADAMS 在汽车操纵稳定性仿真中的应用研究." 郑州大学学报: 工学版27(003): 55-58. 运用ADAMS软件建立了C型车多自由度整车多体动力学仿真模型，详细分析了前悬架系统、后钢板弹簧系统和轮胎模型，同时提出了一种建立钢板弹簧多体模型的新方法——中性面法，并对不同方向盘转角及改变整车质心位置下的操纵稳定性进行了动力学仿真．经过与实际车型性能比较，该模型与分析结果是准确、可靠的，可应用于汽车平顺性研究中． 3、陈克, 王工, et al. (2005). "基于ADAMS 的汽车操纵稳定性虚拟试验演示系统开发." 沈阳理工大学学报24(001): 59-61. 利用ADAMS动力学软件建立了整车多刚体系统模型．分别考虑车型、悬架、轮胎、车速等不同因素对整车操纵稳定性的影响，进行整车操纵稳定性6个性能试验的仿真分析．利用获取的动力学分析数据、仿真动画，实现汽车操纵稳定性虚拟试验演示系统． 4、陈黎卿, 王启瑞, et al. (2005). "基于ADAMS 的双横臂扭杆独立悬架操纵稳定性分析." 合肥工业大学学报: 自然科学版28(004): 341-345. 悬架的主要性能参数在悬架运动过程中的变化规律是影响悬架性能的主要因素。文章采用ADAMS软件建立了某商务车独立悬架的数学模型和仿真模型，分析了该悬架对操纵稳定性的影响，以及悬架主要性能参数的变化规律，为悬架设计奠定了基础。与传统的设计方法相比，这种方法提高了精度和效率。 5、邓亚东, 余路, et al. (2005). "ADAMS 在汽车操纵稳定性仿真分析中的运用." 武汉大学学报: 工学版38(002): 95-98. 利用ADAMS软件建立了某轿车的操纵动力学多体仿真模型，详细考虑了前后悬架系统、转向系统、轮胎以及各种连接件中的弹性衬套的影响，分析了汽车在方向盘转角阶跃输入时的转向特性．通过对不同车速、不同载荷下的仿真计算，得出汽车转向特性在这些条件下的不同表现，揭示了汽车转向特性与车速、载荷和轮胎的内在关系，为汽车操纵稳定性分析提供了参考． 6、董涵(2003). 侧风环境下高速汽车稳定性研究与分析[D], 长沙: 湖南大学. 随着汽车车速的不断提高，汽车侧风稳定性的研究日益重要。由于实车试验风险大、场地设备要求高，而使用计算机仿真则可以极大的的缩短产品开发周期。因而进行高速汽车侧风稳定性计算机仿真研究具有现实意义。在车辆动力学研究过程中，汽车数学模型的精确与否始终是一个关键问题。随着计算机技术的长足进步，以及多体系统动力学这一学科的成熟，汽车模型的自由度越来越多，仿真结果越来越精确。本文首先整理了汽车操纵稳定性的各项评价指标，根据汽车高速运动时的受力分析，使用非线性轮胎模型，建立了侧风环境下汽车运动十八自由度数学模型并进行了直线行驶运动仿真。
汽车操纵稳定性研究方法探讨
汽车操纵稳定性研究方法探讨 1 操纵稳定性的研究历史和概况研究 对汽车操稳性的系统研究, 早在20 世纪3O 年代就已经开始。对车辆控制的重视导致对悬架和转向机构的运动学研究。1925 年平顺性理论初步形成规模。同年, Broulheit 在文章中首次提出侧偏和侧偏角的概念【Broulheit, 1925】。1931 年, Becker、Fromm 和Maruhn 在发表的文章中分析了轮胎在转向系振动中起的作用, 进一步研究了轮胎特性【Becker,1931】。对轮胎的研究使进一步分析车辆稳定性成为可能。 20 世纪50 年代, 建立简单的汽车动力学模型,研究人员开始从事汽车动力学性能仿真, 分析汽车操纵稳定性。19 世纪50 年代中期所作的研究工作为建立汽车数学模型打下基础。对轮胎的基本了解使建立相对精确的轮胎数学模型成为可能。 20 世纪60 年代, 开始从控制理论和振动理论出发, 采用开环系统瞬态响应、系统特性分析和系统稳定性理论设计汽车的总成系统。但是, 应用开环系统分析方法, 仅用于分析汽车的方向稳定性条件, 因为当时不知道如何评价汽车的开环特性和瞬态特性, 很难直接在车辆设计中应用。 到20 世纪70 年代, 安全实验车（ ESV）研究计划实施, 促使人们去研究之中实用方法, 用来设计汽车的动力学性能。这个阶段, 各国主要采用系统工程学方法探索汽车动力学性能评价方法。依据大量实验和理论分析, 形成了以驾驶员主观评价为主, 客观评价指标限制为辅的一整套主观评价设计方法。 20 世纪70 年代车辆动力学仿真模型变得更加复杂和真实。这主要归功于计算机技术的发展。以前的仿真工作都在模拟计算机上进行, 它能解决实时动力学问题, 但其致命缺点是不能解决非线性问题。由于数字计算机逐步取代了模拟计算机和混合计算机, 因而必须建立完全数字化的车辆动力学模型。考虑到计算机的费用及计算速度, 建立有效的计算机模型是必要的。 近年来, 随着多体动力学的诞生和发展, 汽车建模方法出现了新的改变。由于
第5章汽车的操纵稳定性 学习目标 通过本章的学习，应掌握汽车行驶的纵向和横向稳定性条件；掌握车辆坐标系的有关术语，了解影响侧偏特性的因素，掌握轮胎回正力矩与侧偏特性的关系；熟练掌握汽车的稳态转向特性及其影响因素；了解汽车转向轮的振动和操纵稳定性的道路试验内容。 汽车在其行驶过程中，会碰到各种复杂的情况，有时沿直线行驶，有时沿曲线行驶。在出现意外情况时，驾驶员还要作出紧急的转向操作，以求避免事故。此外，汽车还要经受来自地面不平、坡道、大风等各种外部因素的干扰。一辆操纵性能良好的汽车必须具备以下的能力： （1）根据道路、地形和交通情况的限制，汽车能够正确地遵循驾驶员通过操纵机构所给定的方向行驶的能力——汽车的操纵性。 （2）汽车在行驶过程中具有抵抗力图改变其行驶方向的各种干扰，并保持稳定行驶的能力——汽车的稳定性。 操纵性和稳定性有紧密的关系：操纵性差，导致汽车侧滑、倾覆，汽车的稳定性就破坏了。如稳定性差，则会失去操纵性，因此，通常将两者统称为汽车的操纵稳定性。 汽车的操纵稳定性，是汽车的主要使用性能之一，随着汽车平均速度的提高，操纵稳定性显得越来越重要。它不仅影响着汽车的行驶安全，而且与运输生产率与驾驶员的疲劳强度有关。 节汽车行驶的纵向和横向稳定性 5.1.1 汽车行驶的纵向稳定性 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用力不断减小。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。在这样的坡度下，汽车将失去操纵性，并可能产生纵向翻倒。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着力时，驱动轮将滑转。这两种情况均使汽车的行驶稳定性遭到破坏。 图汽车上坡时的受力图 图为汽车上坡时的受力图，如汽车在硬路面上以较低的速度上坡，空气阻力 w F可以忽略不计，由于剩余驱动力用于等速爬坡，即汽车的加速阻力0 = j F，加速阻力矩0 = j M，而车轮的滚动阻力矩 f M的数值相对来说比较小，可不计入。 分别对前轮着地点及后轮着地点取力矩，经整理后可得 ? ? ? ?? ? ? = + - = - - sin cos sin cos 2 1 L G h aG Z L G h bG Z g g α α α α （） 当前轮的径向反作用力0 1 = Z时，即汽车上陡坡时发生绕后轴翻车的情况，由式可得
第 五 章 5．1一轿车(每个)前轮胎的侧偏刚度为-50176N ／rad 、外倾刚度为-7665N ／rad 。若轿车向左转弯，将使两前轮均产生正的外倾角，其大小为40。设侧偏刚度与外倾刚度均不受左、右轮载荷转移的影响．试求由外倾角引起的前轮侧偏角。 答： 由题意：F Y =k α+k γγ=0 故由外倾角引起的前轮侧偏角： α=- k γγ/k=-7665?4/-50176=0.6110 5．2 6450轻型客车在试验中发现过多转向和中性转向现象，工程师们在前悬架上加装前横向稳定杆以提高前悬架的侧倾角刚度，结果汽车的转向特性变为不足转向。试分析其理论根据(要求有必要的公式和曲线)。 答： 稳定性系数：??? ? ??-=122k b k a L m K 1k 、2k 变化， 原来K ≤0,现在K>0,即变为不足转向。 5．3汽车的稳态响应有哪几种类型?表征稳态响应的具体参数有哪些?它们彼此之间的关系如何(要求有必要的公式和曲线)？ 答： 汽车稳态响应有三种类型 ：中性转向、不足转向、过多转向。 几个表征稳态转向的参数： 1．前后轮侧偏角绝对值之差(α1-α2); 2. 转向半径的比R/R 0;
3．静态储备系数S.M. 彼此之间的关系见参考书公式（5-13）（5-16）（5-17）。 5．4举出三种表示汽车稳态转向特性的方法，并说明汽车重心前后位置和内、外轮负荷转移如何影响稳态转向特性？ 答：方法： 1.α1-α2 >0时为不足转向，α1-α2 =0时 为中性转向，α1-α2 <0时为过多转向； 2. R/R0>1时为不足转向，R/R0=1时为中性转向， R/R0<1时为过多转向； 3 .S.M.>0时为不足转向，S.M.=0时为中性转向， S.M.<0时为过多转向。 汽车重心前后位置和内、外轮负荷转移使得汽车质心至前后轴距离a、b发生变化，K也发生变化。 5．5汽车转弯时车轮行驶阻力是否与直线行驶时一样？ 答：否，因转弯时车轮受到的侧偏力，轮胎产生侧偏现象，行驶阻力不一样。 5．6主销内倾角和后倾角的功能有何不同? 答：主销外倾角可以产生回正力矩，保证汽车直线行驶；主销内倾角除产生回正力矩外，还有使得转向轻便的功能。 5．7横向稳定杆起什么作用?为什么有的车装在前恳架，有的装在后悬架，有的前后都装？ 答：横向稳定杆用以提高悬架的侧倾角刚度。
汽车操纵稳定性研究方法探讨 刘进伟1，徐达1，吴志新2 1.武汉理工大学汽车学院车辆工程系，湖北武汉 430070 2.天津清源电动车辆有限公司，天津 300457 liujinweixiaodao@https://www.doczj.com/doc/a64088758.html, 摘要：本文综述了操稳性研究和评价的历史、现状和存在的问题，着重介绍了客观评价、主观评价、人一车闭环系统综合评价等几种评价方法，以及基于汽车一驾驶员一环境(道路)闭环系统、模糊逻辑控等几种研究方法。提出了操稳性研究的发展趋势，这对全面了解汽车操纵稳定性问题具有指导和借鉴的作用。 关键词：操纵稳定性，历史，研究方法，评价，发展趋势 1操纵稳定性的研究历史和概况 对汽车操稳性的系统研究，早在20世纪3O年代就已经开始。对车辆控制的重视导致对悬架和转向机构的运动学研究。1925 年平顺性理论初步形成规模。同年，Broulheit 在文章中首次提出侧偏和侧偏角的概念【Broulheit, 1925】。1931 年，Becker、Fromm 和 Maruhn 在发表的文章中分析了轮胎在转向系振动中起的作用，进一步研究了轮胎特性【Becker,1931】。对轮胎的研究使进一步分析车辆稳定性成为可能[1]。 20世纪50年代，建立简单的汽车动力学模型，研究人员开始从事汽车动力学性能仿真，分析汽车操纵稳定性。19 世纪 50 年代中期所作的研究工作为建立汽车数学模型打下基础。对轮胎的基本了解使建立相对精确的轮胎数学模型成为可能。 20世纪60年代，开始从控制理论和振动理论出发，采用开环系统瞬态响应、系统特性分析和系统稳定性理论设计汽车的总成系统[2]。但是，应用开环系统分析方法，仅用于分析汽车的方向稳定性条件，因为当时不知道如何评价汽车的开环特性和瞬态特性，很难直接在车辆设计中应用。 到20世纪70年代，安全实验车（ESV）研究计划实施，促使人们去研究之中实用方法，用来设计汽车的动力学性能。这个阶段，各国主要采用系统工程学方法探索汽车动力学性能评价方法。依据大量实验和理论分析，形成了以驾驶员主观评价为主，客观评价指标限制为辅的一整套主观评价设计方法[2]。20 世纪70年代车辆动力学仿真模型变得更加复杂和真实。这主要归功于计算机技术的发展。以前的仿真工作都在模拟计算机上进行，它能解决实时动力学问题，但其致命缺点是不能解决非线性问题。由于数字计算机逐步取代了模拟计算机和混合计算机，因而必须建立完全数字化的车辆动力学模型。考虑到计算机的费用及计算速度，建立有效的计算机模型是必要的。 - 1 -
汽车操纵稳定性试验解析！ 汽车的操稳性不仅影响到汽车驾驶的操纵方面，而且也是决定汽车安全行驶的一个主要性能；为了保证安全行驶，汽车的操稳性受到汽车设计者很大的重视，成为现代汽车的重要使用性能之一，如何试验并评价汽车的操稳性显得极其重要。汽车操控稳定性分为两个方面：1、操控性: 指汽车能够确切的响应驾驶员转向指令的能力；2、稳定性:指汽车受到外界扰动（路面扰动或阵风扰动）后恢复原来运动状态的能力。一、常用试验仪器 1、陀螺仪：用于汽车运动状态下测动态参数，如汽车行进方位角，汽车横摆角速度，车身侧倾角及纵倾角等； 2、光束水准车轮定位仪：测车轮外倾角，主销内倾角，主销外倾角，车轮前束，车轮最大转角及转角差； 3、车辆动态测试仪：测汽车横摆角速度，车身侧倾角及纵倾角，汽车横向加速度与纵向加速度等运动参数； 4、力矩及转角仪：测转向盘转角或力矩； 5、五轮仪和磁带机等。二、试验分类三、稳态回转试验 01试验步骤 1、在试验场上，用明显的颜色画出半径为15m或20m的圆周； 2、接通仪器电源，使之加热到正常工作温度； 3、试验开始前，汽车应以侧向加速度为3m/s2的相应车速沿画定的
圆周行驶500m以使轮胎升温。4、以最低稳定速度沿所画圆周行驶，待安装于汽车纵向对称面上的车速传感器在半圈内都能对准地面所画的圆周时，固定转向盘不动，停车并开始记录，记下各变量的零线，然后，汽车起步，缓缓连续而均匀地加速（纵向加速度不超过0·25m/s2），直至汽车的侧向加速度达到6·5m/s2为止，记录整个过程。5、试验按向左转和右转两个方向进行，每个方向试验三次。每次试验开始时车身应处于正中央。 02评价条件 1、中性转向点侧向加速度值An：前后桥侧偏角之差与侧向加速度关系曲线上斜率为零的点的侧向加速度值，越大越好； 2、不足转向度：按前后桥侧偏角之差与侧向加速度关系曲线上侧向加速度2m/s2点的平均值计算，越小越好； 3、车厢侧倾度K：按车厢侧倾角与侧向加速度关系曲线上侧向加速度2m/s2点的平均斜率计算，越小越好。 转向特性曲线图四、转向回正试验 01试验步骤一）低速回正性能试验：1、在试验场地上用明显的颜色画出半径为15m的圆周。2、试验前试验汽车沿半径为15m的圆周、以侧向加速度达3m/ s 2 的相应车速，行 驶500m，使轮胎升温。3、接通仪器电源，使其达到正常工作温度。4、试验汽车直线行驶，记录各测量变量零线，然
汽车操控稳定性研究 一(车辆车身各部件对车辆操纵稳定性影响的研究 1. 电动助力转向系统对汽车操控稳定性的影响 在电动助力转向系统中引入横摆角速度反馈传感器 ,建立了包含电动助力转向系统的人 -车系统数学模型 ;经模拟仿真分析 ,表明该模型在 EPS中引入横摆角 速度负反馈可以显著改善前轮角阶跃输入下车辆的横摆角速度的瞬态响应 ;并且EPS助力矩响应曲线上升平稳缓慢 ,有利于汽车在低附着系数路面高速转向行驶时的操纵 ,从而提高汽车的行驶安全性。 1.1. 横摆角速度反馈 当汽车的运动进入失稳状态时 ,驾驶员很容易做出过度转向的车辆 ,可在 EPS 中引入一个负反馈 ,以降低系统的助力矩 ,削弱驾驶员快速改变前轮转向角的能力。 1.2. 仿真结果及结论 对于不引入反馈的系统 ,瞬态响应曲线的振荡幅度很大 ,收敛较慢 ,稳定性较差。引入反馈后 ,系统的超调量显著降低 ,并很快的趋于稳态值 ,但反应时间较前者增长。引入反馈后 (实线表示 )系统在横摆角速度出现剧烈振荡的阶段 ( t < 1 s)提供远小于常规系统 (虚线表示 )的助力矩。这样转向系能提供给驾驶员更多的“路感”,同时也使转向系变得较“迟钝”,削弱了驾驶员快速控制前轮转向的能力[ 6 ] ,防止因驾驶员 (错误的 )快速转向操纵而导致的系统不稳定。另外 ,带有反馈的系统提供的助力矩曲线很平滑 ,而不带反馈的系统却出现了一定的波动。抑制助力矩的波动不仅有利于保持车辆的稳定性 ,也有利于延长助力电机的寿命。 因此在 EPS引入横摆角速度反馈可以减少前轮阶跃输入车辆的横摆角速度瞬态响应的时间 ,显著降低超调量 ,可明显改善车辆的行驶稳定性 ,但会增长反应时间。为 EPS引入横摆角速度反馈后 , EPS系统的助力矩上升较慢 ,但增长平稳 ,
第5章汽车的操纵稳定性 1. 何谓汽车的操纵稳定性？其性能如何在时域和频域中进行评价？具体说明有几种型式可 以判定和表征汽车的稳态转向特性？ 2. 解释下列名词和概念侧偏现象侧偏刚度回正力矩转向灵敏度特征车速临界车速 中性转向点侧向力变形转向系数侧向力变形外倾系数转向盘力特性静态储备系数S.M. 轮胎拖距 3. 举出三种表示汽车稳态转向特性的方法，并说明汽车重心前后位置和内、外轮负荷转移 如何影响稳态转向特性？ 4. 汽车的稳态响应由哪几种类型？表征稳态响应的具体参数由哪些？它们彼此之间的关系 如何（要求有必要的公式和曲线）。 5. 汽车转弯时车轮行驶阻力是否与直线行驶时一样？ 6. 主销内倾角和后倾角的功能有何不同？ 7. 横向稳定杆起什么作用？为什么有的车装在前悬架，有的车装在后悬架，有的前后都装？ 8. 某种汽车的质心位置、轴距和前后轮胎的型号已定。按照二自由度操纵稳定性模型，其 稳态转向特性为过多转向，请找出5种改善其转向特性的方法。 9. 汽车空载和满载是否具有相同的操纵稳定性？ 10. 试用有关计算公式说明汽车质心位置对主要描述和评价汽车操纵稳定性、稳态响应指标 的影响。 11. 为什么有些小轿车后轮也没有设计有安装前束角和外倾角？ 12. 转向盘力特性与哪些因素有关，试分析之。 13. 地面作用于轮胎的切向反力是如何控制转向特性的？ 14. 汽车的三种稳态转向特性是什么？我们希望汽车一般具有什么性质的转向特性？为什 么？有几种型式可以判定或表征汽车的稳态转向特性？具体说明。 15. 画出弹性轮胎侧偏角和回正力矩特性曲线，分析其变化规律的原因。 16. 轮胎产生侧偏的条件是什么？侧偏的结果又是什么？试分析侧倾时垂直载荷在左、右车 轮上重新分配对汽车操纵稳定性的稳态响应有什么影响？ 17. 试述外倾角对车轮侧偏特性的影响。 18. 汽车表征稳态响应的参数有哪几个？分别加以说明。 19. 汽车重心位置变化对汽车稳态特性有何影响？ 20. 用何参数来评价汽车前轮角阶跃输入下的瞬态特性？试加以说明。 21. 车厢侧倾力矩由哪几种力矩构成？写出各力矩计算公式。 22. 试述等效单横臂悬架的概念。 23. 什么是线刚度？如何计算单横臂独立悬架的线刚度？ 24. 试述汽车瞬态响应的稳定条件。 25. 转向时汽车左右轮的垂直载荷变化对车轮侧偏特性有何影响？ 26. 汽车在前轴增加一横向稳定杆后不足转向量有何变化？为什么？ 27. 非独立悬架汽车车厢侧倾力矩由哪两种力矩组成？写出其计算公式。
基于Simulink的车辆两自由度操纵稳定性模型汽车操纵稳定性是汽车高速安全行驶的生命线，是汽车主动安全性的重要因素之一；汽车操纵稳定性一直汽车整车性能研究领域的重要课题。本文采用MATLAB仿真建立了汽车二自由度动力学模型，通过仿真分析了不同车速、不同质量和不同侧偏刚度对汽车操纵稳定性的影响。研究表明，降低汽车行驶速度，增加前后轮侧偏刚度和减小汽车质量可以减小质心侧偏角，使固有圆频率增加降低行驶车速还可以使阻尼比增加，超调量及稳定时间减少。 车辆操纵稳定性评价主要有客观评价和主观评价俩种方法。客观评价是通过标准实验得到汽车状态量，再计算汽车操纵稳定性的评价指标，这可通过实车实验和模拟仿真完成，在车辆开发初期可通过车辆动力仿真进行车辆操纵稳定性研究。 1．二自由度汽车模型 为了便于掌握操纵稳定性的基本特性，对汽车简化为线性二自 由度的汽车模型，忽略转向系统的 影响，直接一前轮转角作为输入； 忽略悬架的作用，认为汽车车厢只 作用于地面的平面运动。
2．运动学分析 分析时，令车辆坐标系原点与汽车质心重合。首先确定汽车质心的（绝对）加速度在车辆坐标系中的分量。 确定汽车质心的（绝对）加速度在车辆坐标系的分量B和B。Ox 与Oy 为车辆坐标系的纵轴与横轴。质心速度1与t 时刻在Ox 轴上的分量为u ，在Oy 轴上的分量为v 。 2.1 沿Ox 轴速度分量的变化为： 由于汽车转向行驶时伴有平移和转动，在t+△t 时刻，车辆坐标系中质心速度的大小与方向均发生变化，而车辆坐标系中的纵轴和横轴亦发生变化，所以沿x 轴速度分量变化为： ()cos ()sin cos cos sin sin u u u v v u u u v v θθ θθθθ+??--+??=?+??---??
汽车操纵稳定性 一、汽车操纵稳定性 1.汽车行驶的纵向稳定性 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用 力不断减小。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。在这样的坡 度下，汽车将失去操纵性，并可能产生纵向 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着力时，驱动轮 将滑转。这两种情况均使汽车的行驶稳定性 遭到破坏。 2.汽车横向稳定性 汽车横向稳定性的丧失，表现为汽车的侧 翻或横向滑移。由于侧向力作用而发生的横向稳 定性破坏的可能性较多，也较危险。 图5.2所示汽车在横向坡路上作等速弯道行驶时 的受力图。随着行驶车速的提高，在离心力cF 作用下，汽车可能以左侧车轮为支点向外侧翻。 当右侧车轮法向反力时，开始侧翻。 3.轮胎的侧偏特性 轮胎的侧偏特性是研究汽车操纵稳定性理论的出发点。 3.1 轮胎的坐标系与术语 图5.3示出车轮的坐标系，其中车轮前进方向为x轴的正方向，向下为z轴的正方向，在x轴的正方向的右侧为y轴的正方向。
（1）车轮平面垂直于车轮旋转轴 线的轮胎中分平面。 （2）车轮中心车轮旋转轴线与车 轮平面的交点。 （3）轮胎接地中心车轮旋转轴线 在地平面（xOy平面）上的投影（y轴），与 车轮平面的交点，也就是坐标原点。 （4）翻转力矩xT 地面作用于轮胎 上的力，绕x轴的力矩。图示方向为正。（5）滚动阻力矩yT 地面作用于轮胎上的力，绕y轴的力矩。图示方向为正。（6）回正力矩zT 地面作用于轮胎上的力，绕z轴的力矩。图示方向为正。（7）侧偏角轮胎接地中心位移方向（车轮行驶方向）与x轴的夹角。图示方向为正。（8）外倾角xOz平面与车轮平面的夹角。图示方向为正。 3.2 轮胎的侧偏现象 如果车轮是刚性的，在车轮中心垂直于车 轮平面的方向上作用有侧向力yF。当侧向力yF不 超过车轮与地面的附着极限时，车轮与地面没有滑 动，车轮仍沿着其本身行驶的方向行驶；当侧向力 yF达到车轮与地面间附着极限时，车轮与地面产 生横向滑动，若滑动速度为Δu，车轮便沿某一合 成速度u′方向行驶，偏离了原行驶方向，如图5.4 所示。 当车轮有侧向弹性时，即使yF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，这就是轮胎的侧偏现象。下面讨论具有侧向 弹性车轮，在垂直载荷为W的条件下，受到侧向力yF 作用后的两种情况：（1）车轮静止不动时由于 车轮有侧向弹性，轮胎发生侧向变形，轮胎与地面接触 印迹长轴线aa与车轮平面cc不重合，错开Δh，但aa 仍平行于cc，如图5.5a所示。（2）车轮滚动时接 触印迹的长轴线aa，不只是和车轮平面错开一定距离， 而且不再与车轮平面cc平行。图5.5b示出车轮的滚动
同济汽车操纵稳定性实验 报告新 Prepared on 22 November 2020
《汽车平顺性和操作稳定性》实验报告学院（系）汽车学院 专业车辆工程（汽车） 学生姓名同小车学号 000001 同济大学汽车学院实验室 2014年11月 1.转向轻便性实验 实验目的 驾驶员通过操纵方向盘来控制汽车的行驶方向，操纵方向盘过重，会增加驾驶员的劳动强度，驾驶员容易疲劳；操纵方向盘过轻，驾驶员会失去路感，难以控制汽车的形式方向。操纵方向盘的轻重，是评价汽车操纵稳定性的基本条件之一。转向轻便性实验的目的在于通过测量驾驶员操纵方向盘力的大小，与其他实验仪器评价汽车操纵稳定性的好处。 实验仪器设备 实验条件 试验车：依维柯 实验场地与环境 于圆形试车场，实验时按照桩桶圈出的双扭线，以10Km/h的车速行驶。双扭线的极坐标方程见下，形状如下图
实验当天天气晴好，无风，气温20度 在ψ=0时，双扭线顶点处的曲率半径最小，相应数值为Rmin=1/3d，双扭线的最小曲率半径应按照实验汽车的最小转弯半径乘以1,1倍，并圆整到比此乘积大的一个整数来确定。 试验中记录转向盘转交及转向盘转矩，并按双扭线路经过每一周整理出转向盘转矩转向盘转矩曲线。通常以转向盘最大转矩，转向盘最大作用力以及转向盘作用功等来评价转向轻便性。 转向轻便型实验数据记录 方向盘转角-转矩曲线 2. 蛇形试验 实验目的 本项试验是包括车辆-驾驶员-环境在内的闭路试验的一种，用来综合评价汽车行驶的稳定性及乘坐的舒适性，与其他操纵试验项目一起，共同评价汽车的操纵稳定性。也可以用来考核汽车在接近侧滑或侧翻工况下的操纵性能，在若干汽车操纵稳定性对比试验时，作为主观评价的一种感性试验。