汽车操纵稳定性基本内容及评价所用物理参数
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汽车性能与使用5-汽车操纵稳定性
5.3操纵稳定性试验
• 5.3.1路试 • （1）转向轻便性试验：10km/h蛇行（双纽线）
试验：测试转向盘最大转矩、转向盘最大作用 力、转向盘作用功。 • （2）稳态转向特性试验： （1）固定转向盘转 角，等速圆周行驶划圆试验）：车速、转向盘 转角，车身横摆角速度 • （2）固定侧向加速度，测定转向盘转角、车 速、车身横摆角速度。定转向盘转角
5.1.4汽车稳态转向特性
• 同样的前轮转角，弹性车轮 由于侧偏特性，其转向半径 与刚性车轮转向半径有差别。 汽车表现出的不同的转向特 性，称为汽车稳态转向特性
，，则则2
，称汽车具有中性转向特性；
R R ，称汽车具有不足转向特性：
，称汽车具有过多0 转向特性；
1 2
• 5.2.4车轮定位 • （1）主销后倾 • （2）主销后倾 • （3）车轮侧偏回正力矩 • 轮胎发生侧偏时会产生作用于轮胎绕轴的回正力矩，是圆周行驶时使转向车
轮恢复到直线行驶位置的主要恢复力矩。 • （4）前轮回转半径为负值
5.2汽车操纵稳定性的影响因素
• 5.2.5电子控制系统 • （1）电控助力转向 • （2）四轮转向： • 同相转向； • 逆相转向 • （3）稳定控制系统 • （4）巡航控制系统
为使汽车具有合理的转向特性
• 总体布置设计中应注意重心的位置，使用中也应 注意重心的位置
• 轮胎的结构形式和气压对侧偏刚度都有较大的影 响，子午线轮胎比斜交轮胎的侧偏刚度大（不允 许不同类型的轮胎装在同一台汽车上）。
• 轮胎的充气压力越大其侧偏刚度也越大。故相对 某种车型而言，以上各方面应合理匹配，以确保 汽车的不足转向性，使乏有良好的操纵稳定性。
R R0
1 2
R R0
汽车操纵稳定性分析与评价指标
35
重心[centre of gravity]
1、物体各部分所受重力的合力作用点。
2、规则而密度均匀物体的重心就是它的几何中心。
3、一个物体的各部分都要受到重力的作用。从效果 上看，我们可以认为各部分受到的重力作用集中 于一点，这一点叫做物体的重心。
4、物体的重心位置，质量均匀分布的物体，重心的 位置只跟物体的形状有关。例如，均匀球体的重 心在球心。
5、质量分布不均匀的物体，重心的位置除跟物体的 形状有关外，还跟物体内质量的分布有关。载重 汽车的重心随着装货多少和装载位置而变化。
汽车的操纵稳定性分析和评价指标
36
力矩 (torque)
➢ 物理学上指使物体转动的力乘以到转轴的距离。 ➢ 力对物体产生转动效应的量度 ➢ 力对物体产生转动作用的物理量。可分为力对轴
α
u
汽车的操纵稳定性分析和评价指标
12
3.FY－α曲线
FY k
k—侧偏刚度。
FY一定时希望侧 偏角越小越好，所 以 |k| 越大越好。
汽车的操纵稳定性分析和评价指标
13
二、轮胎结构、工作条件对侧偏特性的影响
轮胎的尺寸、型式和结构参数对侧偏刚度有显著影响。
大尺寸轮胎
大尺寸轮胎
子午线轮胎
侧偏刚度大
钢丝子午线轮胎
奔驰CLK跑车：前轮205/55R16，后轮225/50R16。
前205、后225的轮胎组合，使得前轮的侧偏刚度小于后轮，
有利于营造不足转向特性。
汽车的操纵稳定性分析和评价指标
52
四、转向操作轻便性
➢路试检测
等速圆周行驶，用转向力测试仪测试转向盘 外缘的最大切向力不得大于150N。
➢原地检测
汽车的操纵稳定性
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汽车教研室
第一节 操纵稳定性概述
1.转向盘角阶跃输入下的响应
评价参量
稳态响应
横摆角速度增益— 横摆角速度增益— 转向灵敏度。 转向灵敏度。
评价参量
反应时间。 反应时间。 横摆角速度波动 的无阻尼圆频率。 的无阻尼圆频率。
瞬态响应
操纵稳定性包含的内容
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汽车教研室
第一节 操纵稳定性概述
图9
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汽车教研室
二、评价高速公路行驶操纵稳定性的试验—— 转向盘中间位置操纵稳定性试验（On Center Handling Test）
汽车在高速公路上高速行驶时， 汽车在高速公路上高速行驶时，具有以力输入 为主和转向盘（反作用）力是重要信息源的特点。 为主和转向盘（反作用）力是重要信息源的特点。
1.试验方法
汽车以100km/h的速度作正弦曲线的蛇形行驶， 汽车以100km/h的速度作正弦曲线的蛇形行驶，正 100km/h的速度作正弦曲线的蛇形行驶 弦运动的周期为5s，最大侧向加速度为0.2g。 弦运动的周期为5s，最大侧向加速度为0.2 5s 车上装有转向盘转角、转向盘转矩、 车上装有转向盘转角、转向盘转矩、车速和横摆 角速度等传感器。 角速度等传感器。
操纵稳定性包含的内容
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汽车教研室
第一节 操纵稳定性概述
蛇形绕桩测试（视频） 蛇形绕桩测试（视频）
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汽车教研室
第一节 操纵稳定性概述
9.极限行驶能力
圆周行驶极 限侧向加速度 评价参量 极限侧向加速度 评价参量 抗侧翻能力 评价参量
极限车速
发生侧滑时 的控制能力
回至原来路 径所需时间
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汽车教研室
汽车教研室
第一节 操纵稳定性概述
1.转向盘角阶跃输入下的响应
评价参量
稳态响应
横摆角速度增益— 横摆角速度增益— 转向灵敏度。 转向灵敏度。
评价参量
反应时间。 反应时间。 横摆角速度波动 的无阻尼圆频率。 的无阻尼圆频率。
瞬态响应
操纵稳定性包含的内容
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第一节 操纵稳定性概述
图9
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二、评价高速公路行驶操纵稳定性的试验—— 转向盘中间位置操纵稳定性试验（On Center Handling Test）
汽车在高速公路上高速行驶时， 汽车在高速公路上高速行驶时，具有以力输入 为主和转向盘（反作用）力是重要信息源的特点。 为主和转向盘（反作用）力是重要信息源的特点。
1.试验方法
汽车以100km/h的速度作正弦曲线的蛇形行驶， 汽车以100km/h的速度作正弦曲线的蛇形行驶，正 100km/h的速度作正弦曲线的蛇形行驶 弦运动的周期为5s，最大侧向加速度为0.2g。 弦运动的周期为5s，最大侧向加速度为0.2 5s 车上装有转向盘转角、转向盘转矩、 车上装有转向盘转角、转向盘转矩、车速和横摆 角速度等传感器。 角速度等传感器。
操纵稳定性包含的内容
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第一节 操纵稳定性概述
蛇形绕桩测试（视频） 蛇形绕桩测试（视频）
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第一节 操纵稳定性概述
9.极限行驶能力
圆周行驶极 限侧向加速度 评价参量 极限侧向加速度 评价参量 抗侧翻能力 评价参量
极限车速
发生侧滑时 的控制能力
回至原来路 径所需时间
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汽车操纵稳定性标准
汽车操纵稳定性标准汽车操纵稳定性是指汽车在行驶过程中对驾驶员操纵指令的响应和车辆稳定性的表现。
操纵稳定性标准是衡量汽车安全性能的重要指标之一，对于保障驾驶员和乘客的安全具有重要意义。
首先，汽车操纵稳定性标准受到多种因素的影响。
其中，车辆的悬挂系统、转向系统、制动系统、轮胎和车辆质量等都会对操纵稳定性产生影响。
悬挂系统的设计和调校直接影响了车辆在转弯时的稳定性和平顺性，转向系统的精准度和灵敏度会影响驾驶员对车辆方向的控制，而制动系统的灵敏度和制动距离则直接关系到车辆的操纵安全性。
此外，轮胎的抓地力和车辆质量的分布也会对操纵稳定性产生重要影响。
其次，为了保障汽车操纵稳定性的标准，制定相应的技术规范和测试标准是非常必要的。
在技术规范方面，需要对汽车的悬挂系统、转向系统、制动系统等进行详细的设计要求和性能指标，确保其能够满足操纵稳定性的要求。
在测试标准方面，需要建立相应的测试方法和测试流程，对车辆在不同路况和操纵条件下的操纵稳定性进行全面的测试评估。
只有通过严格的技术规范和测试标准，才能够确保汽车的操纵稳定性达到标准要求。
此外，对于汽车操纵稳定性标准的监督和管理也是非常重要的。
相关部门需要建立健全的监督体系，对汽车制造企业进行定期的检查和评估，确保其生产的汽车能够符合操纵稳定性标准。
同时，还需要建立消费者投诉和举报机制，让消费者能够及时反映汽车操纵稳定性方面的问题，从而促使企业改进产品质量，保障消费者的安全。
总之，汽车操纵稳定性标准是保障汽车安全性能的重要指标，需要综合考虑车辆的悬挂系统、转向系统、制动系统、轮胎和车辆质量等多个因素，制定相应的技术规范和测试标准，并建立健全的监督和管理体系。
只有这样，才能够确保汽车在行驶过程中具有良好的操纵稳定性，保障驾驶员和乘客的安全。
汽车操纵稳定性的基本内容及评价所用的物理参数
度、抗侧翻能力、发生侧滑时控制能力等
路径所需时间
车辆坐标系
X方向：前进、倒驶 绕X轴的转动：侧倾运动 Y方向：侧向运动 绕Y轴的转动：俯仰运动 Z方向：垂直运动 绕Z轴的转动：横摆运动
➢ 与操纵稳定性有关的主要运动参量：横摆角速度 r 、
侧向速度
、侧向加速度
a
等等。
y
稳态响应：汽车的时域响应不随时间变化；其特性通常 可分为：不足转向、中性转向、过多转向三种。
➢开环控制系统：只把汽车本身作为研究对象，不允许驾驶员 起任何反馈作用。
➢人—车闭环系统：把驾驶员与汽车作为统一的整体进行研 究，驾驶员可以根据需要进行反馈控制。
汽车操纵稳定性的两种评价方法
➢客观评价法
通过测试仪器测出表征性能的物理参量如横摆加速度、侧 向加速度、侧倾角及转向力等来评价操纵稳定性的方法。
wr (t)
B0 0
w02
Cew0t
sin(
w0
1 2 t )
令： 则： 或：
w w0 1 2
wr (t)
B0 0
w02
Cew0t
sin( wt )
wr (t)
B0 0
w02
A1e w0t
cos(wt)
A2 e w0t
sin( wt)
•
初始条件： t 0，wr 0 v 0 0 wr ak1 0 / I Z
➢ 常用稳态横摆角度速度与前轮转角之比来评价稳态响应。
这个比值称为稳态角速度增益，也称为转向灵敏度。
➢ 稳态时横摆角速度
r为定值，此时
•
v
•
0、wr
0,汽车的运动
微分方程变为：
(k1
k2 )
操纵稳定性
Automobile theory-Vehicle handling and stability
2 Lateral deviation and lateral force of tireSideslip angle curve.
The resonance peak frequency, the amplitude ratio of the resonance, the phase lag angle and the steady state gain
3 Steering wheel center position control stability
Ultimate lateral acceleration Limit speed The time required to return to the original path
汽车理论－汽车的操纵稳定性
二、车辆坐标系与转向盘角阶跃输入下的时域响应 车辆坐标系
Automobile theory-Vehicle handling and stability
Basic content
Main evaluation parameters
6 Steering portability In situ steering portability Low speed ring portability High speed steering portability
Man car closed circuit system
汽车理论－汽车的操纵稳定性
5-2 轮胎的侧偏特性
侧偏特性主要是指侧偏力、回正 力矩与侧偏角间的关系，它是研 究汽车操纵稳定性的基础。
Automobile theory-Vehicle handling and stability
汽车的操纵稳定性评价
当 tg
1
, 则v max , 任意车速不侧滑。
c、侧滑在翻倾之前的条件
为了保证安全，应使侧滑在翻倾之前，则必须 vφmax < vαmax ，即先产生侧滑的条件：
gR( B 2hg tg ) 2hg Btg
gR( tg ) 1 tg
B 整理 : ,即为横向侧滑发生在侧翻之前 2hg 的条件。
目录
5.1 汽车操纵稳定性研究的 主要内容 5.2 汽车极限行驶稳定性 5.3 轮胎的侧偏特性 5.4 汽车的转向特性 5.5 汽车转向轮的振动 5.6 转向轮的稳定效应
5.1 汽车操纵稳定性研究的主要内容
操纵性：汽车能够确切地响应驾 驶员转向指令的能力。 稳定性：汽车行驶中具有抵抗改 变行驶方向的各种干扰并 保持稳定行驶的能力。
1、极限行驶稳定性 横向倾翻的最大坡度；横向倾翻的最大 车速；纵向行驶稳定性。 2、直线行驶性能 抗侧风和路面不平度的稳定性。 3、转向轻便性 原地转向轻便性(静态) 行驶转向轻便性(动态) 4、转向灵敏性 时域响应：稳态响应、瞬态响应； 频域响应：振幅比(增益)、相位比。
5.2 汽车极限行驶稳定性 汽车在坡道尤其是横坡上丧失稳定性的 表现为汽车的翻倾和滑移：
横摆角速度ωr 垂直速度w
侧倾角速度ωp
俯仰角速度ωq
x
图5－2 车辆坐标系与汽车的主要运动形式
y
侧向速度v：质心速度沿Y 轴的分量； 俯仰角速度ωq(pitch velocity)：质心绕Y轴旋转 角速度； 垂直速度v：质心速度沿Z 轴的分量； 横摆角速度ωr(yaw velocity)：质心绕Z轴旋转角 速度。
下汽车产生的横摆角速度，即绕转向中 心旋转角速度的响应值，因此稳态横摆
汽车操纵稳定性基本内容及评价所用物理参数
K为稳定性因数，它是表征稳态响应的一个重要参 数。
稳态响应的三种类型
根据稳定性因数K，汽车的稳态响应可分为三类： 中性转向：K=0，
Wr u 此关系就是汽车以极低车速行 s L
而无侧偏角时的转向关系。 不足转向：K>0，此时横摆角度增益比中性转向时小， 是一条下弯的曲线。当横摆角速度增益最大时，
方向盘阶跃输入下进入的稳态响应评价 u 稳态横摆增益曲线 、横摆角速度增益 r/ a （又称为转向灵敏度）、稳定性因数K。
方向盘阶跃输入下的瞬态响应评价
t 或 ( / 100 %) t 瞬态横摆响应曲线 、 r r r 0 反应时间τ 、衰减振动圆频率ω 。
1 ( k k ) ( ak bk ) w k muw 1 2 1 2 r 1 r u 1 2 2 ( ak bk ) ( a k b k ) w ak 0 1 2 1 2 r 1 u
消除v，便可求出稳态横摆角度增益：
wr s 式中： m K 2 L a b k k 1 2 u/L u/L 2 m a b 2 1 Ku 1 2 u L k 2 k1
同理：
v d ay d u r dt d t v uw
做平面运动的汽车对车辆坐标系的微分方程式为：
m ( v uw ) F cos F r y 1 y 2 I w a F cos bF z r y 1 y 2
（ 5 6 ）
2 2 2 2 2 ( ak bk ) ( k k )( a k b k ) 1 2 1 2 1 2 [ mu ( ak bk ) ] w 1 2 r u u
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uv
汽车质心绝对加速度在ox轴上的分量为：
驶转向轻便性、高速行驶转向轻便性
最小转向半径 转向力与转向功
7、直线行驶性：侧向风稳定性、路面不平 侧向偏移与转向操舵力矩梯度
度稳定性、微曲率弯道行驶性
8、典型行驶工况性能：蛇行性能、移线性 方向盘转角、转向力、侧向加速度、横
能、双移线性能、…
摆角速度、侧偏角、车速等
9、极限行驶能力：圆周行驶极限侧向加速 极限侧向加速度、极限车速、回至原来
=0。
（3）在特定条件下，u=常数，汽车只有侧向运动与横 摆运动。
（4）侧向加速度小于0.4g，轮胎侧偏特性属于线性范 围。
（5）忽略地面切向力对轮胎侧偏特向的影响。
简化模型
分析时，坐标系与汽车质心重合，这样，汽车质量分布参 数，如转动惯量对于固结于汽车的坐标系就是常数。
二自由度方程建立
4）回正力矩—绕OZ轴的力 矩
2）轮胎的侧偏现象和侧偏力——侧偏角曲线
侧偏力 FY ：地面给车轮的侧向反作用力。
刚性轮 当车轮有侧向力作用 时，当FY 没有达到附着极限 时，车轮与地面没有滑动， 车轮仍沿车身平面cc的方向 行驶。当FY 达到附着极限时， 车轮与地面有滑动，车轮有 侧向行驶。
开环控制系统：只把汽车本身作为研究对象，不允许驾驶员 起任何反馈作用。
人—车闭环系统：把驾驶员与汽车作为统一的整体进行研 究，驾驶员可以根据需要进行反馈控制。
汽车操纵稳定性的两种评价方法
客观评价法
通过测试仪器测出表征性能的物理参量如横摆加速度、侧 向加速度、侧倾角及转向力等来评价操纵稳定性的方法。
弹性轮胎在侧性力作用 时的运动状态
侧偏现象：当车轮有侧向 力作用时，FY 没有达到附 着极限，车轮行驶方向亦将 偏离车轮平面的方向。这就 是轮胎的侧偏现象。
侧偏特性曲线：描述侧偏力—侧偏角关系的曲线
在曲线线性段： FY k
称为侧偏角，k称为侧偏刚度。
轮胎的最大侧偏力取决于附 着条件，即垂直载荷，轮胎花纹 、材料、结构尺寸、充气压力， 路面的材料、结构、潮湿程度以 及车轮的外倾角等。
上述二者的综合称为汽车的操纵稳定性。 操纵性的好坏实际上指的是汽车的运动参数与驾驶员
要求的运动参数之间的接近程度和渐进过程。
稳定性的好坏实际上度和渐进过程。
汽车操纵稳定性的基本内容及评价所用的物理参数
1 转向盘中间位置操纵稳定性 2、方向盘角阶跃输入下的稳态响应——转
瞬态响应：汽车的时域响应随时间变化。
图为方向盘阶跃输入下的汽 车瞬态响应，汽车的瞬态响 应汽车二阶惯性环节特点： 时间上的滞后； 横摆角速度超调； 横摆角速度的波动； 进入稳态要经历时间。
瞬态响应包括两方面的问题
行驶方向稳定性，即能否达到稳态的问题； 响应品质问题，即达到稳态前的响应特性问题。
一般而言，最大侧偏力越大 ，汽车的极限性能越好。
3）轮胎的结构、工作条件对侧偏特性的影响
轮胎扁平率（H/B） 对侧偏特性的影
响。
轮胎的垂直载荷对侧偏特性的影响 侧偏刚度随垂直载荷的增大而增大，但垂直载荷过大，侧 偏刚度反而会减小。
轮胎气压对侧偏特性 的影响 气压增大，侧偏刚度 增大，但气压过高， 侧偏刚度不再变化。
汽车操纵稳定性
主要学习内容 概述 轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应
1 概述
操纵性：能够及时和准确地反映驾驶员的主观操作，
也就是汽车按照驾驶员的意图和要求改变汽车行驶方 向和车速。
稳定性：汽车在行驶过程中能够抵抗外界干扰不发生
侧滑侧翻的性能；汽车在外界干扰下抵抗干扰或迅速 恢复原来行驶状态的性质。
主观评价法 让试验者根据自己的感觉进行评价，按规定的项目和评分 方法进行评价。
方向盘阶跃输入下进入的稳态响应评价 稳态横摆增益曲线r/ua 、横摆角速度增益
（又称为转向灵敏度）、稳定性因数K。
方向盘阶跃输入下的瞬态响应评价
瞬态横摆响应曲线 r t或 (r/ r0 1% 0 、 0 t)
车速对侧偏刚度的影响很小。 切向力侧偏刚度的影响。
路面状况对侧偏特性的影响。
4）回正力矩——绕OZ轴的力矩
回正力矩的产生
3 线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应
1）模型简化
（1）忽略转向系的影响，直接以前轮转角作为输入。
（2）忽略悬架的作用，认为汽车只作平行于地面的平
面运动 y ：z =0x 、 =0、
向特性，方向盘角阶跃输入下的瞬态响应
3、横摆角速度频率响应特性
4、回正性
转向灵敏度、转向盘力特性
稳态横摆角速度增益——转向灵敏度 反应时间、横摆角速度波动的无阻尼圆 频率
共振峰频率、共振时的振幅比、相位滞 后角、稳态响应
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
5、转向半径
6、转向轻便性：原地转向轻便性、低速行
ox与oy为车辆坐标系的纵 轴与横轴。 质心速度v于t时刻在坐标轴 上的分量为u、v。 在t+Δt时刻，质心速度的大 小与方向均发生变化，且 坐标轴的方向也发生变化。
沿ox轴速度分量的变化为：
(uu)cosu(vv)si n
ucosucosvsi nvsi n
反应时间τ 、衰减振动圆频率ω 。
横摆角速度频率响应特性评价 共振峰频率f、1Hz时的相位滞后角。
2 轮胎的侧偏特性
轮胎的侧偏特性主要是指侧偏力、回正力矩与侧偏角间的 关系。是研究操纵稳定性的基础。
1）轮胎的坐标系
2）轮胎的侧偏现象和侧偏 力—侧偏角曲线
3）轮胎的结构、工作条件 对侧偏特性的影响
度、抗侧翻能力、发生侧滑时控制能力等
路径所需时间
车辆坐标系
X方向：前进、倒驶 绕X轴的转动：侧倾运动 Y方向：侧向运动 绕Y轴的转动：俯仰运动 Z方向：垂直运动 绕Z轴的转动：横摆运动
与操纵稳定性有关的主要运动参量：横摆角速度 r 、
侧向速度 、侧向加速度 a y等等。
稳态响应：汽车的时域响应不随时间变化；其特性通常 可分为：不足转向、中性转向、过多转向三种。