汽車運用工程基礎課件：汽車操縱穩(wěn)定性 -

汽車操縱穩(wěn)定性

汽車行駛穩(wěn)定性汽車轉向特性影響汽車操縱穩(wěn)定性的因素學習內容：一、汽車側向穩(wěn)定性

側向穩(wěn)定性：汽車抵抗側翻和側滑的能力。若汽車轉彎行駛滿足一定條件，則不會產生側向翻車和滑移。

1.不側滑的最高車速設汽車在彎道行駛時，不發(fā)生側向滑移的最高車速為§4-1汽車行駛穩(wěn)定性側向穩(wěn)定性畫受力圖分析（汽車在橫向坡度角為β的路面等速向右轉向行駛）側向穩(wěn)定性汽車在側向坡道上行駛側滑的臨界條件

Fyl=Fzl、Fyr=Fzr

或Fyl+Fyr=（Fzl+Fzr）

其方程如下：

FCcosβ－Gsinβ=（FCsinβ+Gcosβ）當汽車沿半徑為R之圓周等速行駛時有整理方程得側滑前所允許達到的最高車速為：2.不側翻的最高車速設汽車在彎道行駛時，不發(fā)生側向翻車的最高車速為側向穩(wěn)定性汽車在側向坡道上行駛側翻的臨界條件當Fzr=0時，汽車可能失去側向穩(wěn)定而向左側翻，其不側翻的條件為:

FCcosβhg≤FCsinβB/2+GcosβB/2+Gsinβhg

當汽車沿半徑為R之圓周等速行駛時有:

利用以上兩式解得：3.汽車側向穩(wěn)定性條件

翻車和側滑相比，翻車導致的后果更為嚴重。因此，為使行車安全，應使側滑發(fā)生在側翻之前，即：＜這樣汽車一旦側滑，車速就不可能提高，因而保證不會翻車。由此推得的結論是：式中的B/（2hg）稱為汽車側向穩(wěn)定性系數，它反映了汽車抗側翻的能力。該式表明：當側向穩(wěn)定性系數大于路面附著系數時，汽車側翻不可能發(fā)生。因此，汽車的輪距越大，質心高度越低，側向穩(wěn)定性系數越大，則汽車抗側翻的穩(wěn)定性就越好。4.汽車側向穩(wěn)定性標準GB7258-2012《機動車運行安全技術條件》中規(guī)定：客車在靜態(tài)狀態(tài)下，向左側和右側傾斜最大側傾穩(wěn)定角不允許小于28°；罐式汽車和罐式掛車在滿載、靜態(tài)狀態(tài)下，向左側和右側傾斜最大側傾穩(wěn)定角不允許小于23°；以下車輛在空載、靜態(tài)狀態(tài)下，向左側和右側傾斜最大側傾穩(wěn)定角：總質量為整備質量的1.2倍以下的車輛不允許小于30°，總質量不小于整備質量的1.2倍的專用作業(yè)車和輪式專用機械車不允許小于32°；其他汽車不允許小于35°。二、汽車縱向穩(wěn)定性

汽車縱向穩(wěn)定性：指汽車上坡或下坡時，汽車抵抗繞后軸或前軸翻車的能力。當道路的縱向坡度角較大時，汽車重力沿縱向坡道的分力可能導致汽車的縱翻。因汽車上坡比下坡更容易縱翻，且后輪驅動汽車容易縱翻。因此，下面以4×2后輪驅動汽車等速上坡為例說明汽車不產生縱翻的條件。1.汽車不縱翻的最大道路坡度汽車上坡時的受力分析后輪驅動、勻速上坡、令Fw=0，Tf=0汽車等速上坡受力圖縱向穩(wěn)定性不縱翻的最大道路坡度角αmax當FZ1=0時，失去轉向能力，并可能產生縱向翻倒。為不致縱翻，路面縱向坡度角：

α＜αmax由上式知：b↑，hg↓，αmax則越大，越不易縱翻。2.驅動輪不滑轉的最大道路坡度角

設后輪剛發(fā)生滑轉的的道路坡度角為由受力圖知：聯(lián)立解得：=arctan

α＞時，汽車上坡，驅動輪就滑轉

3.汽車縱向穩(wěn)定性條件

（后輪驅動）滑轉應在縱翻之前發(fā)生，即：正常裝載情況下，上式能滿足。下述情況應注意：裝運重心高的貨物。hg↑

裝點太靠后，使b↓

路面條件差，縱向坡度角較大。一般汽車因a＞b，故下坡時縱翻的危險性較小。＜＜§4-2汽車轉向特性

概念一、輪胎的側偏特性1.輪胎的側偏現象輪胎的側偏特性輪胎的側偏現象不僅影響車輪的運動軌跡，同時使輪胎的滾動損失增加，并加劇了輪胎的磨損，是不利的，但它是不可避免的。輪胎側偏示意圖

概念2.輪胎的側偏特性側向力Fy和側偏角α的關系輪胎的側偏特性

在側偏角不超過可4°～5°時，側偏力Fy與側偏角α成線性關系，可由下式表示：式中k—側偏剛度，其單位為N/（°）或N/rad，它表示輪胎側偏一度或一弧度所需的側偏力。

α通常在3°以內，一般不超過5°。αFy12FZφ輪胎的側偏特性1－子午線輪胎；2－普通斜交輪胎輪胎的側偏特性輪胎的側偏特性輪胎側偏引起的回正力矩回正力矩產生原理

回正力矩—側偏角曲線3.輪胎側偏特性的影響因素輪胎的結構形式

半徑尺寸↑的輪胎，k↑

；子午線輪胎接地面寬，k大；鋼絲輪胎比尼龍輪胎k大；扁平率：輪胎斷面高度與斷面寬度之比H

/B

↓，

k↑

，如下圖：輪胎側偏特性的影響因素輪胎充氣壓力

輪胎充氣壓力對輪胎側偏剛度具有顯著影響。輪胎充氣壓力↑，k↑

輪胎側偏特性的影響因素輪胎的垂直載荷

在一定范圍內，載荷↑（FZ

↑），k↑，但載荷↑太大時，k↓附著橢圓一定側偏角下，驅動力或制動力增加時，側偏力逐漸有所減小，這是由于輪胎側向彈性有所改變的關系。當縱向力相當大時，側偏力顯著下降，接近附著極限時，切向力已耗去大部分附著力，而側向力能利用的附著力很小。

地面的切向反作用力輪胎側偏特性的影響因素路面狀況

路面粗糙程度、干濕狀況對輪胎的側偏特性，尤其對最大側偏力有很大影響。試驗證明，粗糙的路面使最大側偏力增加；干路面上的最大側偏力比濕路面大；當路面有薄水層時，車速達到一定值，會出現“滑水”現象而完全喪失側偏力。

二、汽車轉向運動學1.剛性車輪轉向幾何關系根據圖中的轉向幾何關系可推得：

R0=L/tanδ

當前輪轉角不大時，

tanδ≈δ，δ用弧度表示，于是上式可寫成：

R0=L/δ

2.彈性車輪轉向幾何關系設前輪轉過δ角后作穩(wěn)態(tài)等速圓周行駛，在離心力作用下，前后車輪均受到側向力的作用，其彈性車輪產生了側偏現象，前、后軸車輪產生的側偏角為α1、α2，相應的速度方向變?yōu)閡1′、u2′，轉向瞬心變?yōu)镺′，轉向半徑變?yōu)镽，根據圖中的轉向幾何關系可推得：

R=L/[tan（δ-α1）+tanα2]

當轉角不大（高速行駛δ不大）時，tan（δ-α1）+tanα2≈δ－α1＋α2，則有：

R=L/[δ-（α1－α2）]

結論：

彈性車輪汽車處于轉向運動狀態(tài)時，由于輪胎的側偏現象，使汽車的運動軌跡不同于剛性車輪。三、汽車穩(wěn)態(tài)轉向特性

汽車穩(wěn)態(tài)轉向特性：指轉向工況不隨時間而變的汽車行駛狀況，即沒有外界擾動，車速恒定，轉向盤指令固定不變，汽車的輸出運動達到穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

1.汽車模型車輛坐標系

簡化的汽車模型☆忽略轉向系影響，直接以前輪轉角作為輸入；☆汽車只進行平行于地面的平面運動，而忽略懸架的作用；☆汽車前進（縱軸）速度不變，只有沿y軸的側向速度和繞z軸橫擺運動；☆

驅動力不大，對側偏特性無影響；☆忽略空氣阻力；☆忽略左右輪胎因載荷變化引起輪胎特性的變化；☆忽略回正力矩的變化。2.穩(wěn)態(tài)響應

操縱汽車時，可以將汽車看成一個能施加輸入信號的控制系統(tǒng)。轉向時駕駛員所給出的前輪轉角δ是對系統(tǒng)的輸入，而汽車的輸出運動如等速圓周運動就是系統(tǒng)的響應。通常將穩(wěn)態(tài)橫擺角速度ωz視為系統(tǒng)響應的一個重要參數。常用輸出與輸入的比值，如穩(wěn)態(tài)橫擺角速度與前輪轉角之比來評價穩(wěn)態(tài)響應。稱為穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益，也稱轉向靈敏度。

的計算如下：

假定汽車在水平道路作等速圓周運動

穩(wěn)態(tài)響應考慮到轉向角δ較小，得

由側偏力與側偏角的關系可得前、后軸相應的側偏角穩(wěn)態(tài)響應

故可得橫擺角速度增益式中K―穩(wěn)定性因數（s2/m2）

汽車橫擺角速度增益與穩(wěn)定性因數K緊密相關，K是表征汽車穩(wěn)態(tài)響應的一個重要參數。3.轉向特性類型若將彈性車輪的轉向半徑與剛性車輪轉向半徑比較，可將汽車的轉向特性分為不足轉向特性、中性轉向特性和過多轉向特性。若α1=α2，則R=R0，稱汽車具有中性轉向特性。若α1＞α2，則R＞R0，稱汽車具有不足轉向特性。若α1＜α2，則R＜R0，稱汽車具有過多轉向特性。4.轉向特性表征用穩(wěn)定性因數K表征

過多轉向K＜0不足轉向K＞0中性轉向K=0汽車穩(wěn)態(tài)轉向特性用α1-α2差值表征α1-α2=0，說明R=R0，汽車具有中性轉向特性。α1-α2＞0，說明R＞R0，汽車具有不足轉向特性。α1-α2＜0，說明R＜R0，汽車具有過多轉向特性。用靜態(tài)儲備系數表征

靜態(tài)儲備系數S.M.：指中性轉向點Cn至前軸距離和汽車質心至前軸距離之差與軸距L之比值。

中性轉向點：指汽車前、后輪產生同一側偏角的側向力作用點。

靜態(tài)儲備系數S.M

S.M.=0，具有中性轉向特性

S.M.>0，具有不足轉向特性

S.M.<0，具有過多轉向特性5．不同轉向特性對操縱穩(wěn)定性的影響轉向穩(wěn)定性

轉向運動特征

過多轉向汽車車速達到臨界車速時將失去穩(wěn)定性。因為只要一個很小的轉角，橫擺角速度增益z/就趨于無窮大，必將導致汽車急轉而發(fā)生側滑或側翻。不足轉向汽車穩(wěn)定性好，但轉向靈敏性差，在相同的彎道行駛時，前輪的轉角較大，駕駛者應多轉一下轉向盤。中性轉向汽車趨于兩者之間，但有向過多轉向變化的危險。中性轉向特性汽車運動簡圖

中性轉向直行抗干擾能力差，駕駛麻煩，輪胎磨損嚴重

直行抗干擾能力無直行抗干擾能力，駕駛操縱性差，是一種不穩(wěn)定的轉向特性

過多轉向過多轉向特性汽車運動簡圖直行抗干擾能力強，駕駛操縱性好，現代汽車均采用不足轉向特性

不足轉向不足轉向特性汽車運動簡圖汽車穩(wěn)態(tài)轉向特性

不足轉向特性的汽車具有良好的操縱穩(wěn)定性，所以現代汽車都采用不足轉向特性。人們已習慣于駕駛具有不足轉向特性的汽車，知道如何控制轉向盤使汽車遵循期望的路徑行駛。若汽車的轉向特性因使用因素的變化而突然發(fā)生改變，由于駕駛者的經驗不適應新的、不良的轉向特性，則轉彎時就有可能出現汽車失控而造成事故。

三者比較結論§4-3影響汽車操縱穩(wěn)定性的因素

1．汽車質心位置變化

若質心前移，轉向時前輪的側偏力增大，使前輪的側偏角增大，從而增加了汽車的不足轉向量；反之，質心后移，就減少了汽車的不足轉向量，或汽車趨向于過多轉向特性。2.汽車前后軸載荷分配與車輪側偏剛度的匹配

在汽車設計及改裝中，應使前后軸載荷分配與車輪的側偏剛度相適應，使穩(wěn)定性因數K>0，以保證汽車的不足轉向特性。3．汽車的驅動型式

施加于驅動輪上的切向力增加，車輪的側偏剛度將下降。因此，后輪驅動車輛，轉向時有減少不足轉向特性、向過多轉向特性變化的趨勢；前輪驅動車輛，轉向時有增加不足轉向特性的趨勢。4．汽車車輪輪胎結構寬系列輪胎子午線輪胎

輪胎的結構不能隨意更換αFy12FZφ輪胎的側偏特性1－子午線輪胎；2－普通斜交輪胎

車輪平衡

高速行駛的汽車，若車輪特別是轉向輪不平衡，則會引起車輪的跳動和擺振，使汽車行駛方向難以控制，嚴重影響汽車的操縱穩(wěn)定性。因此，高速行駛的汽車其車輪必須動平衡。

汽車車輪輪胎氣壓的變化

輪胎充氣壓力

↑，k↑。因此前輪胎充氣壓力↑，則汽車趨于過多轉向特性。

同理可分析前后輪胎充氣壓力變化對轉向特性的影響。

5．左、右輪垂直載荷再分配側傾轉向:是在側向力作用下，車廂發(fā)生側傾，而引起車輪偏轉，即車輪圍繞垂直軸線或轉向節(jié)主銷轉動。也稱軸轉向:發(fā)生側傾轉向時，車軸發(fā)生繞垂直軸線的轉動。也稱運動學側偏:車軸和車輪圍繞垂直軸線的轉動與輪胎側偏之效果一樣。6．側傾轉向后軸的軸轉向對穩(wěn)態(tài)轉向特性的影響在側傾作用下板簧懸架的軸轉向7.側傾時車輪外傾角變化車廂側傾時，車輪傾斜有三種情況。保持外傾角不變，如非獨立懸架，無影響沿側向力方向傾斜，側偏角↑。如單縱臂式（富康轎車后懸架）、雙橫臂式，燭式懸架（一般轎車的前懸架）。沿側向力相反方向傾斜，側偏角↓。如單橫臂式懸架（小向心加速度）。正常情況下，車輪傾斜

5～6°將使輪胎側偏角改變1°。為了獲得良好的汽車操縱穩(wěn)定性，前后懸架的形式應合適。8．轉向輪定位

轉向輪定位對汽車操縱穩(wěn)定性的影響很大。保持合適的轉向輪定位參數和輪胎側偏特性，可使轉向輪具有良好的穩(wěn)定效應，即使轉向輪保持居中位置和轉向后自動回正的能力，保持汽車良好的操縱穩(wěn)定性。9．轉向輪擺振

1）前軸角振動