汽車運(yùn)用工程基礎(chǔ)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(zhuǎn)向特性影響汽車操縱穩(wěn)定性的因素學(xué)習(xí)內(nèi)容：一、汽車側(cè)向穩(wěn)定性

側(cè)向穩(wěn)定性：汽車抵抗側(cè)翻和側(cè)滑的能力。若汽車轉(zhuǎn)彎行駛滿足一定條件，則不會(huì)產(chǎn)生側(cè)向翻車和滑移。

1.不側(cè)滑的最高車速設(shè)汽車在彎道行駛時(shí)，不發(fā)生側(cè)向滑移的最高車速為§4-1汽車行駛穩(wěn)定性側(cè)向穩(wěn)定性畫(huà)受力圖分析（汽車在橫向坡度角為β的路面等速向右轉(zhuǎn)向行駛）側(cè)向穩(wěn)定性汽車在側(cè)向坡道上行駛側(cè)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(dāng)汽車沿半徑為R之圓周等速行駛時(shí)有整理方程得側(cè)滑前所允許達(dá)到的最高車速為：2.不側(cè)翻的最高車速設(shè)汽車在彎道行駛時(shí)，不發(fā)生側(cè)向翻車的最高車速為側(cè)向穩(wěn)定性汽車在側(cè)向坡道上行駛側(cè)翻的臨界條件當(dāng)Fzr=0時(shí)，汽車可能失去側(cè)向穩(wěn)定而向左側(cè)翻，其不側(cè)翻的條件為:

FCcosβhg≤FCsinβB/2+GcosβB/2+Gsinβhg

當(dāng)汽車沿半徑為R之圓周等速行駛時(shí)有:

利用以上兩式解得：3.汽車側(cè)向穩(wěn)定性條件

翻車和側(cè)滑相比，翻車導(dǎo)致的后果更為嚴(yán)重。因此，為使行車安全，應(yīng)使側(cè)滑發(fā)生在側(cè)翻之前，即：＜這樣汽車一旦側(cè)滑，車速就不可能提高，因而保證不會(huì)翻車。由此推得的結(jié)論是：式中的B/（2hg）稱為汽車側(cè)向穩(wěn)定性系數(shù)，它反映了汽車抗側(cè)翻的能力。該式表明：當(dāng)側(cè)向穩(wěn)定性系數(shù)大于路面附著系數(shù)時(shí)，汽車側(cè)翻不可能發(fā)生。因此，汽車的輪距越大，質(zhì)心高度越低，側(cè)向穩(wěn)定性系數(shù)越大，則汽車抗側(cè)翻的穩(wěn)定性就越好。4.汽車側(cè)向穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)GB7258-2012《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》中規(guī)定：客車在靜態(tài)狀態(tài)下，向左側(cè)和右側(cè)傾斜最大側(cè)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(cè)和右側(cè)傾斜最大側(cè)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(cè)和右側(cè)傾斜最大側(cè)傾穩(wěn)定角：總質(zhì)量為整備質(zhì)量的1.2倍以下的車輛不允許小于30°，總質(zhì)量不小于整備質(zhì)量的1.2倍的專用作業(yè)車和輪式專用機(jī)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(shí)，汽車抵抗繞后軸或前軸翻車的能力。當(dāng)?shù)缆返目v向坡度角較大時(shí)，汽車重力沿縱向坡道的分力可能導(dǎo)致汽車的縱翻。因汽車上坡比下坡更容易縱翻，且后輪驅(qū)動(dòng)汽車容易縱翻。因此，下面以4×2后輪驅(qū)動(dòng)汽車等速上坡為例說(shuō)明汽車不產(chǎn)生縱翻的條件。1.汽車不縱翻的最大道路坡度汽車上坡時(shí)的受力分析后輪驅(qū)動(dòng)、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(dāng)FZ1=0時(shí)，失去轉(zhuǎn)向能力，并可能產(chǎn)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(qū)動(dòng)輪不滑轉(zhuǎn)的最大道路坡度角

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

α＞時(shí)，汽車上坡，驅(qū)動(dòng)輪就滑轉(zhuǎn)

3.汽車縱向穩(wěn)定性條件

（后輪驅(qū)動(dòng)）滑轉(zhuǎn)應(yīng)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(yīng)注意：裝運(yùn)重心高的貨物。hg↑

裝點(diǎn)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(shí)縱翻的危險(xiǎn)性較小。＜＜§4-2汽車轉(zhuǎn)向特性

概念一、輪胎的側(cè)偏特性1.輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象輪胎的側(cè)偏特性輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象不僅影響車輪的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)使輪胎的滾動(dòng)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(cè)偏示意圖

概念2.輪胎的側(cè)偏特性側(cè)向力Fy和側(cè)偏角α的關(guān)系輪胎的側(cè)偏特性

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

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

回正力矩—側(cè)偏角曲線3.輪胎側(cè)偏特性的影響因素輪胎的結(jié)構(gòu)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(cè)偏特性的影響因素輪胎充氣壓力

輪胎充氣壓力對(duì)輪胎側(cè)偏剛度具有顯著影響。輪胎充氣壓力↑，k↑

輪胎側(cè)偏特性的影響因素輪胎的垂直載荷

在一定范圍內(nèi)，載荷↑（FZ

↑），k↑，但載荷↑太大時(shí)，k↓附著橢圓一定側(cè)偏角下，驅(qū)動(dòng)力或制動(dòng)力增加時(shí)，側(cè)偏力逐漸有所減小，這是由于輪胎側(cè)向彈性有所改變的關(guān)系。當(dāng)縱向力相當(dāng)大時(shí)，側(cè)偏力顯著下降，接近附著極限時(shí)，切向力已耗去大部分附著力，而側(cè)向力能利用的附著力很小。

地面的切向反作用力輪胎側(cè)偏特性的影響因素路面狀況

路面粗糙程度、干濕狀況對(duì)輪胎的側(cè)偏特性，尤其對(duì)最大側(cè)偏力有很大影響。試驗(yàn)證明，粗糙的路面使最大側(cè)偏力增加；干路面上的最大側(cè)偏力比濕路面大；當(dāng)路面有薄水層時(shí)，車速達(dá)到一定值，會(huì)出現(xiàn)“滑水”現(xiàn)象而完全喪失側(cè)偏力。

二、汽車轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)學(xué)1.剛性車輪轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系根據(jù)圖中的轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系可推得：

R0=L/tanδ

當(dāng)前輪轉(zhuǎn)角不大時(shí)，

tanδ≈δ，δ用弧度表示，于是上式可寫(xiě)成：

R0=L/δ

2.彈性車輪轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系設(shè)前輪轉(zhuǎn)過(guò)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(cè)向力的作用，其彈性車輪產(chǎn)生了側(cè)偏現(xiàn)象，前、后軸車輪產(chǎn)生的側(cè)偏角為α1、α2，相應(yīng)的速度方向變?yōu)閡1′、u2′，轉(zhuǎn)向瞬心變?yōu)镺′，轉(zhuǎn)向半徑變?yōu)镽，根據(jù)圖中的轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系可推得：

R=L/[tan（δ-α1）+tanα2]

當(dāng)轉(zhuǎn)角不大（高速行駛δ不大）時(shí)，tan（δ-α1）+tanα2≈δ－α1＋α2，則有：

R=L/[δ-（α1－α2）]

結(jié)論：

彈性車輪汽車處于轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，由于輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象，使汽車的運(yùn)動(dòng)軌跡不同于剛性車輪。三、汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性

汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性：指轉(zhuǎn)向工況不隨時(shí)間而變的汽車行駛狀況，即沒(méi)有外界擾動(dòng)，車速恒定，轉(zhuǎn)向盤(pán)指令固定不變，汽車的輸出運(yùn)動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

1.汽車模型車輛坐標(biāo)系

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

驅(qū)動(dòng)力不大，對(duì)側(cè)偏特性無(wú)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(yīng)

操縱汽車時(shí)，可以將汽車看成一個(gè)能施加輸入信號(hào)的控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員所給出的前輪轉(zhuǎn)角δ是對(duì)系統(tǒng)的輸入，而汽車的輸出運(yùn)動(dòng)如等速圓周運(yùn)動(dòng)就是系統(tǒng)的響應(yīng)。通常將穩(wěn)態(tài)橫擺角速度ωz視為系統(tǒng)響應(yīng)的一個(gè)重要參數(shù)。常用輸出與輸入的比值，如穩(wěn)態(tài)橫擺角速度與前輪轉(zhuǎn)角之比來(lái)評(píng)價(jià)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。稱為穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益，也稱轉(zhuǎn)向靈敏度。

的計(jì)算如下：

假定汽車在水平道路作等速圓周運(yùn)動(dòng)

穩(wěn)態(tài)響應(yīng)考慮到轉(zhuǎn)向角δ較小，得

由側(cè)偏力與側(cè)偏角的關(guān)系可得前、后軸相應(yīng)的側(cè)偏角穩(wěn)態(tài)響應(yīng)

故可得橫擺角速度增益式中K―穩(wěn)定性因數(shù)（s2/m2）

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

過(guò)多轉(zhuǎn)向K＜0不足轉(zhuǎn)向K＞0中性轉(zhuǎn)向K=0汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性用α1-α2差值表征α1-α2=0，說(shuō)明R=R0，汽車具有中性轉(zhuǎn)向特性。α1-α2＞0，說(shuō)明R＞R0，汽車具有不足轉(zhuǎn)向特性。α1-α2＜0，說(shuō)明R＜R0，汽車具有過(guò)多轉(zhuǎn)向特性。用靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù)表征

靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù)S.M.：指中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)Cn至前軸距離和汽車質(zhì)心至前軸距離之差與軸距L之比值。

中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)：指汽車前、后輪產(chǎn)生同一側(cè)偏角的側(cè)向力作用點(diǎn)。

靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù)S.M

S.M.=0，具有中性轉(zhuǎn)向特性

S.M.>0，具有不足轉(zhuǎn)向特性

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

轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)特征

過(guò)多轉(zhuǎn)向汽車車速達(dá)到臨界車速時(shí)將失去穩(wěn)定性。因?yàn)橹灰粋€(gè)很小的轉(zhuǎn)角，橫擺角速度增益z/就趨于無(wú)窮大，必將導(dǎo)致汽車急轉(zhuǎn)而發(fā)生側(cè)滑或側(cè)翻。不足轉(zhuǎn)向汽車穩(wěn)定性好，但轉(zhuǎn)向靈敏性差，在相同的彎道行駛時(shí)，前輪的轉(zhuǎn)角較大，駕駛者應(yīng)多轉(zhuǎn)一下轉(zhuǎn)向盤(pán)。中性轉(zhuǎn)向汽車趨于兩者之間，但有向過(guò)多轉(zhuǎn)向變化的危險(xiǎn)。中性轉(zhuǎn)向特性汽車運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

中性轉(zhuǎn)向直行抗干擾能力差，駕駛麻煩，輪胎磨損嚴(yán)重

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

過(guò)多轉(zhuǎn)向過(guò)多轉(zhuǎn)向特性汽車運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖直行抗干擾能力強(qiáng)，駕駛操縱性好，現(xiàn)代汽車均采用不足轉(zhuǎn)向特性

不足轉(zhuǎn)向不足轉(zhuǎn)向特性汽車運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性

不足轉(zhuǎn)向特性的汽車具有良好的操縱穩(wěn)定性，所以現(xiàn)代汽車都采用不足轉(zhuǎn)向特性。人們已習(xí)慣于駕駛具有不足轉(zhuǎn)向特性的汽車，知道如何控制轉(zhuǎn)向盤(pán)使汽車遵循期望的路徑行駛。若汽車的轉(zhuǎn)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(jīng)驗(yàn)不適應(yīng)新的、不良的轉(zhuǎn)向特性，則轉(zhuǎn)彎時(shí)就有可能出現(xiàn)汽車失控而造成事故。

三者比較結(jié)論§4-3影響汽車操縱穩(wěn)定性的因素

1．汽車質(zhì)心位置變化

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

在汽車設(shè)計(jì)及改裝中，應(yīng)使前后軸載荷分配與車輪的側(cè)偏剛度相適應(yīng)，使穩(wěn)定性因數(shù)K>0，以保證汽車的不足轉(zhuǎn)向特性。3．汽車的驅(qū)動(dòng)型式

施加于驅(qū)動(dòng)輪上的切向力增加，車輪的側(cè)偏剛度將下降。因此，后輪驅(qū)動(dòng)車輛，轉(zhuǎn)向時(shí)有減少不足轉(zhuǎn)向特性、向過(guò)多轉(zhuǎn)向特性變化的趨勢(shì)；前輪驅(qū)動(dòng)車輛，轉(zhuǎn)向時(shí)有增加不足轉(zhuǎn)向特性的趨勢(shì)。4．汽車車輪輪胎結(jié)構(gòu)寬系列輪胎子午線輪胎

輪胎的結(jié)構(gòu)不能隨意更換αFy12FZφ輪胎的側(cè)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(zhuǎn)向輪不平衡，則會(huì)引起車輪的跳動(dòng)和擺振，使汽車行駛方向難以控制，嚴(yán)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(dòng)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(guò)多轉(zhuǎn)向特性。

同理可分析前后輪胎充氣壓力變化對(duì)轉(zhuǎn)向特性的影響。

5．左、右輪垂直載荷再分配側(cè)傾轉(zhuǎn)向:是在側(cè)向力作用下，車廂發(fā)生側(cè)傾，而引起車輪偏轉(zhuǎn)，即車輪圍繞垂直軸線或轉(zhuǎn)向節(jié)主銷轉(zhuǎn)動(dòng)。也稱軸轉(zhuǎn)向:發(fā)生側(cè)傾轉(zhuǎn)向時(shí)，車軸發(fā)生繞垂直軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)。也稱運(yùn)動(dòng)學(xué)側(cè)偏:車軸和車輪圍繞垂直軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)與輪胎側(cè)偏之效果一樣。6．側(cè)傾轉(zhuǎn)向后軸的軸轉(zhuǎn)向?qū)Ψ€(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性的影響在側(cè)傾作用下板簧懸架的軸轉(zhuǎn)向7.側(cè)傾時(shí)車輪外傾角變化車廂側(cè)傾時(shí)，車輪傾斜有三種情況。保持外傾角不變，如非獨(dú)立懸架，無(wú)影響沿側(cè)向力方向傾斜，側(cè)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(cè)向力相反方向傾斜，側(cè)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(cè)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(yīng)合適。8．轉(zhuǎn)向輪定位

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

1）前軸角振動(dòng)