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。
5.1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5.1 汽车上坡时的受力图
图5.1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 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 ，加速阻力矩 ，而车轮的滚动阻力矩 的数值相对来说比较小，可不计入。
２０１０年第２期 车辆与动力技术 Ｖｅｈｉｃｌｅ＆Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 总第１１８期
文章编号：１００９—４６８７（２０１０）Ｏ２—０００５—０４
四轮转向汽车操纵稳定性分析
曾 宇， 陈思忠， 杨 林
（北京理工大学机械与车辆学院，北京１０００８１）
摘要：建立了二自由度四轮转向汽车模型的动力学方程，对其进行系统的理论分析得出了四轮转向汽车的质心 侧偏角、横摆角速度、侧向加速度与前轮转角的传递函数．基于某四轮转向样车，对以零质心侧偏角为控制目 标的前后轮转角比例四轮转向车辆的操纵动力学进行了仿真分析，将仿真结果与前轮转向车辆进行对比，阐明 了四轮转向车辆的性能优势．研究结果可为评价四轮转向车辆的设计提供理论依据．
关键词：车辆；四轮转向（４ＷＳ）；前轮转向（ＦＷＳ）；操纵稳定性；仿真 中图分类号：Ｕ４６１．６ 文献标识码：Ａ
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｈａｎｄｌｉｎｇ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒ ａ ４ＷＳ Ｖｅｈｉｃｌｅ
ＺＥＮＧ Ｙｕ， ＣＨＥＮ Ｓｈｉ—ｚｈｏｎｇ， ＹＡＮＧ Ｌｉｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １ ０００８ １，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ２ ＤＯＦ Ｆｏｕｒ—ｗｈｅｅｌ ｓｔｅｅｒｉｎｇ（４ＷＳ）ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ａｎｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙ— ｓｉｓ，ｉｔｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ｒｏｌｌ ａｎｇｌｅ，ｙａｗ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｌａｔｅｒａｌ ａｃｃｅｌ・ ｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｏ ｔｈｅ ｆｒｏｎｔ ｗｈｅｅｌ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ａｎｇｌｅ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ４ＷＳ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｖｅｈｉｃｌｅ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ
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0zRF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。
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。
