《汽车理论》第五章 汽车的操纵稳定性

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。

第五章汽车的操纵稳定性.概念：汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。

既影响汽车驾驶的操纵方便程度，而且也是决定高速汽车安全行驶的一个主要性能，称之为‘高速车辆的生命线’。

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，并以他们来表征汽车的操纵稳定性。

汽车曲线行驶时的时域响应系是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。

转向盘输入有两种形式：角位移输入（角输入）和力矩输入（力输入）。

驾驶员实际驾驶车辆时，对转向盘的输入是同时加入的。

外界干扰输入主要是指侧向风与路面不平产生的侧向力。

基本内容及评价所用物理参量：基本内容主要评价参量转向盘角阶跃输入下的稳态响应~转向特性转向盘角阶跃输入下的瞬态响应表征汽车操纵稳定性的角位移输入下的时域响应横摆角速度增益~转向灵敏度反应时间、横摆角速度波动的无阻尼圆频率横摆角速度频率响应特性表征汽车操纵稳定性的基础特性共振峰频率、共振峰振幅比、相位滞后角、稳态增益转向盘中间位置的操纵稳定性转向盘小转角、低频正选输入下汽车高速行驶时的操纵稳定性转向灵敏度、转向盘力特性~转向盘转矩梯度、转向功灵敏度回正性转向盘输入下的时域响应回正后剩余横摆角速度与剩余横摆角、达到剩余横摆角速度的时间转向半径评价汽车机动灵活性的物理参量最小转向半径转向轻便性是评价转动转向盘轻便程度的特性原地转向轻便性低速行驶转向轻便性高速行驶转向轻便性转向力、转向功直线行驶性能直线行驶性侧向风敏感性汽车直线行驶时在外界侧向路面不平敏感性干扰输入下的时域响应转向盘转角和累积值侧向偏移侧向偏移典型行驶工况性能如实的反映汽车的操纵蛇行性能稳定性移线性能双移线性能~回避障碍性能转向盘转角、转向力、侧向加速度、横摆角速度、侧偏角、车速等极限行驶能力是指汽车处于正常行驶与异圆周行驶极限侧向加速度常运动之间的运抗侧翻能力动状态下的特性表征汽车安全发生侧滑时的控制性能行驶的极限性能极限侧向加速度极限车速回至原来路径所需时间汽车是一个由若干部件组成的物理系统。

第五章汽车的操纵稳定性5.1 一轿车（每个）前轮的侧偏刚度为-50176N/rad.外倾刚度为-7665N/rad«若轿车向左转弯，将使前轮均产生正的外倾角，其大小为4度。

设侧偏刚度与外倾刚度均不受左、右轮负载转移的影响，试求由外倾角引起的前轮侧偏角。

解：有外倾角时候的地而侧向反作用力为F Y=ka + k y y（其中k为侧偏刚度,k「为外倾刚度，丫为外倾角）于是，有外倾角引起的前轮侧偏角的大小为：代入数据，解得a, ==0.611 rad,期外由分析知正的外倾角应该产生负的侧偏角，所以由外倾角引起的前轮侧偏角为-0.611 rad o5.2 6450N轻型客车在试验中发现过多转向和中性转向现象，工程师们在悬架上加装横向稳左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。

试分析英理论依据（要求有必要的公式和曲线）。

答：由课本P138-140的分析知，汽车稳态行驶时，车厢侧倾角决左于侧倾力矩M枷和悬架总的角刚度工K軒, 即0广一。

前、后悬架作用于车厢的恢复力矩增加：% =00, T沁=匕』「其中K歸,K卯2分别为前、后悬架的侧倾角刚度，悬架总的角刚度工K”为前、后悬架及横向稳立杆的侧倾角刚度之和。

由以上的分析易知，当增加横向稳立杆后汽车前悬架的侧倾角刚度增大，后悬架侧倾角刚度不变，所以前悬架作用于车厢的恢复力矩增加（总侧倾力矩不变），由此汽车前轴左、右车轮载荷变化量就较大。

由课本图5-46知在这种情况下，如果左右车轮轮胎的侧偏刚度在非线性区，则汽车趋于增加不足转向量。

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？答：汽车的稳态响应有三种类型，即中性转向、不足转向和过多转向。

表征稳态响应的参数有稳定性因数，前、后轮的侧偏角角绝对值之差（＜z,-a2）,转向半径的比R/R＜）,静态储备系数SM等。

它们之间的彼此关系为：« =丄（⑦-％）（⑷为侧向加速度的绝对值）；—=1 4- Kir :&S.M.二一--（k t,灼分别为汽车前、后轮的侧偏刚度，"为汽车质心到前轴的距禽，L为前、后轴之间的距k} +k2 L5.4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：表示汽车稳态转向特性的参数有稳左性因数，前、后轮的侧偏角绝对值之差（冬-&2），转向半径的比R/R（“ 静态储备系数S.M.等。

第五章5. 1 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 =■■故由外倾角引起的前轮侧偏角：:二- k k= _ •05. 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：K=m bL g k Jk、k2变化，原来K兰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二转向半径的比R/R。

；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. ：丄时为不足转向，：•.「-「• 时为中性转向，二丘<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/R0V1时为过多转向；3 . S.M.>0时为不足转向，S.M.=O时为中性转向，S.M.vO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。