汽车理论5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。

分别对前轮着地点及后轮着地点取力矩，经整理后可得（5.1）当前轮的径向反作用力时，即汽车上陡坡时发生绕后轴翻车的情况，由式(5.1) 可得将上式整理，可得不发生翻车的最大坡度角由下式确定：（5.2）当道路的坡度角时，汽车即失去操纵并可能后轴翻倒。

汽车重心至后轴的距离越大，重心高度越小，则汽车越不容易发生绕后轴翻倒，汽车的纵向稳定性越好。

在正常装载情况下，式（5.2）是能够满足的。

在上述稳定分析中，尚未考虑驱动轮滑转的可能性。

后轮驱动的汽车，以较低速度等速上坡时，驱动轮不发生滑转的临界状态为（5.3）式中：——汽车后轮不发生滑转所能克服的最大道路坡度角。

驱动轮滑转与附着系数，汽车重心的位置及汽车的驱动型式有关。

将式(5.2)代入式(5.3)中，整理得（5.4）显然，如果＜即＜则当汽车遇有坡度角为的坡道时，驱动轮因受附着条件的限制而滑转，地面不能提供足够的驱动力以克服坡度阻力，因而无法上坡，也就避免了汽车的纵向翻倒。

所以，汽车滑转先于翻倒的条件是＜将上式整理得＞（5.5）上式即为后轮驱动型汽车的纵向稳定性条件。

对于前轮驱动型汽车，其纵向稳定性条件为＞对于全轮驱动型汽车，其纵向稳定性条件为＞由于现代汽车的重心位置较低，因此上述条件均能满足而有余。

但是对于越野汽车，其轴距较小，重心较高( 较大)，轮胎又具有纵向防滑花纹因而附着系数较大，故其丧失纵向稳定性的危险增加。

因此，对于经常行驶于坎坷不平路面的越野汽车，应尽可能降低其重心位置，而前轮驱动型汽车的纵向稳定性最好。

5.1.2 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 汽车在横向坡道上转向时的受力图图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时，开始侧翻。

因此，汽车绕左侧车轮侧翻的条件为（5.6）如汽车转弯半径为R，行驶速度为u，则将代入式（5.6），可求出在横向坡道上不发生向外侧翻的极限车速为（5.7）由式（5.7）可见，当横向坡度值时，式中分母为零，，说明汽车在此坡度弯道行驶时，任意速度也不会使汽车绕外侧车轮侧翻。

因此在公路建设上常将弯道外筑有一定的坡度，以提高汽车的横向稳定性。

若在水平路面上（），汽车转弯行驶不发生侧翻的极限车速为（5.8）比较式（5.7）和式（5.8），式（5.7）的显然比式（5.8）大。

汽车在横向坡道上行驶发生侧滑的临界条件为式中——附着系数。

整理后，得汽车在侧滑前允许的最大速度为当时，，则以任何车速行驶也不发生侧滑。

在的水平道路上，汽车侧滑前所允许最大速度为（5.9）为了行驶安全，应使侧滑发生在侧翻之前，即整理后得（5.10）比值称为侧向稳定性系数，侧翻只能在附着系数大于侧向稳定性系数的道路上才能发生。

在干燥沥青路面上， =0.7～0.8，一般满足式（5.10）的条件。

只有当汽车重心提高后，减小了横向稳定性系数，才增加了翻车的危险。

5.2节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。

5.2.1 轮胎的坐标系与术语图5.3 车轮坐标系图5.3示出车轮的坐标系，其中车轮前进方向为轴的正方向，向下为轴的正方向，在轴的正方向的右侧为轴的正方向。

（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（平面）上的投影（轴），与车轮平面的交点，也就是坐标原点。

（4）翻转力矩地面作用于轮胎上的力，绕轴的力矩。

图示方向为正。

（5）滚动阻力矩地面作用于轮胎上的力，绕轴的力矩。

图示方向为正。

（6）回正力矩地面作用于轮胎上的力，绕轴的力矩。

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）与轴的夹角。

图示方向为正。

（8）外倾角平面与车轮平面的夹角。

图示方向为正。

5.2.2 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。

当侧向力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。

图5.4 有侧向力作用时刚性车轮的滚动当车轮有侧向弹性时，即使没有达到附着极限，车轮行驶方向也将偏离车轮平面的方向，这就是轮胎的侧偏现象。

下面讨论具有侧向弹性车轮，在垂直载荷为的条件下，受到侧向力作用后的两种情况：（1）车轮静止不动时由于车轮有侧向弹性，轮胎发生侧向变形，轮胎与地面接触印迹长轴线与车轮平面不重合，错开Δh，但仍平行于，如图5.5a所示。

（2）车轮滚动时接触印迹的长轴线，不只是和车轮平面错开一定距离，而且不再与车轮平面平行。

图5.5b示出车轮的滚动过程中，车轮平面上点Al、A2、A3、…依次落在地面上，形成点、、…，点、、的连线与的夹角，即为侧偏角。

车轮就是沿着方向滚动的。

显然，侧偏角的数值是与侧向力有关的。

图5.5 轮胎的侧偏现象a)静止 b)滚动5.2.3 轮胎的侧偏特性图5.6 轮胎的侧偏特性图5.6所示为一轮胎的侧偏力～侧偏角关系曲线。

曲线表明，侧偏角不超过3°～4°时，可认为与成线性关系。

随着的增大，增大较快，轮胎产生滑移。

汽车正常行驶时，侧向加速度一般不超过（0.3～0.4）g，侧偏角不超过4°～5°，故可认为侧偏力与侧偏角成线性关系，可用下式表示：（5.11）式中 k——侧偏刚度[N/（°）]，其值应为负值，汽车用低压轮胎k值在300～1000N/(°）。

试验表明，潮湿地面上最大侧偏力减小，但直线段的侧偏刚度无多大变化。

垂直载荷对侧偏特性有很大影响。

图5.7表明，垂直载荷增大后，最大侧偏力增加。

侧偏刚度随垂直载荷的增加而加大。

这是因为，轮胎的垂直载荷越大，附着力就越大，轮胎侧滑的倾向就越小，最大侧偏力增大。

但垂直载荷过大时，轮胎产生剧烈的径向变形，侧偏刚度反而有所下降。

图5.7 垂直载荷对侧偏特性的影响a) 图 b) 图轮胎的型式和结构参数对轮胎侧偏特性有显著影响。

尺寸较大的轮胎，侧偏刚度一般较大。

尺寸相同的子午线轮胎和斜交轮胎相比，子午线轮胎具有较大的侧偏刚度。

同一型号、同一尺寸的轮胎，帘布层越多、帘线与车轮平面的夹角越小、气压越高、侧偏刚度越大。

另外，轮辋的型式对侧偏刚度亦有影响。

装有宽轮辋的轮胎，侧偏刚度较大。

5.2.4 回正力矩（绕轴的力矩）图5.8 回正力矩的产生在轮胎发生侧偏时，还会产生图5.3所示作用于轮胎绕轴的力矩。

圆周行驶时，是使转向车轮恢复到直线行驶位置的主要恢复力矩之一，称为回正力矩。

回正力矩是由接地面内分布的微元侧向反力产生的。

由图5.5可知，车轮在静止时受到侧向力后，印迹长轴线与车轮平面平行，错开Δh，即印迹长轴线上各点的横向变形（相对于平面）均为Δh，故可以认为地面侧向反作用力沿线是均匀分布的（图5.8a）。

车轮滚动时，印迹长轴线不仅与车轮平面错开一定距离，而且转动了角，因而印迹前端离车轮平面近，侧向变形小；印迹后端离车轮平面远，侧向变形大。

可以认为，地面微元侧向反作用力的分布与变形成正比，故地面微元侧向反作用力的分布情况如图5.8b所示，其合力的大小与侧向力相等，但其作用点必然在接地印迹几何中心的后方，偏移某一距离e，e称为轮胎拖距，就是回正力矩。

在增加时，接地印迹内地面微元侧向反作用力的分布情况如图5.8c所示。

增大至一定程度时，接地印迹后部的某些部分便达到附着极限，反作用力将沿345线分布（图5.8d）。

随着的进一步加大，将有更多部分达到附着极限，直到整个接地印迹发生侧滑，因而轮胎拖距会随着侧向力的增加而逐渐变小。

5.3节汽车的转向特性驾驶员操纵转向盘使汽车转向时，要通过眼睛、手和身体等感知汽车的转向效果，并经过头脑比较和判断，修正转向盘的操纵，这是通过驾驶员把系统的输出，反馈到输入而构成一个人工闭路系统。

如不计入驾驶员的反馈作用，便称为开路系统，它的特点是系统的输出参数对输入控制没有影响。

由于驾驶员的反馈作用十分复杂，作为闭路系统研究仍很不成熟，这里只把汽车作为一个开路系统，研究转向盘输入时汽车的运动把汽车作为开路系统进行分析时见图5.9改变汽车运动状态的输入量（或称“干扰”），主要来自三个方面：图5.9 作为开路系统的汽车简图（1）驾驶员通过力（力矩）操纵或位置（转角）操纵转向盘，使前轮转向；（2）空气动力作用（如横向风）；（3）路面不平等对汽车的作用。

汽车大多数行驶状况下，其侧向加速度不超过0.3～0.4g，可以把它看作一个线性动力学系统来分析。