第 章 汽车操纵稳定性

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wF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0jF，加速阻力矩0jM，而车轮的滚动阻力矩fM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







0sincos0sincos21LGhaGZLGhbG

Z

gg





（5.1）

当前轮的径向反作用力01Z时，即汽车上陡坡时发生绕后轴翻车的情况，由式(5.1) 可得 0sincosGhbGg

将上式整理，可得不发生翻车的最大坡度角由下式确定：

ghbtgmax

（5.2）

当道路的坡度角max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b越大，重心高度gh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

2maxmaxsinZGFt

 （5.3）

式中：max——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

ghLatgmax （5.4）

显然，如果 maxtg＜maxtg 即 max＜max 则当汽车遇有坡度角为max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

ghLa＜ghb

将上式整理得 ghb＞ （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 L＞0

对于全轮驱动型汽车，其纵向稳定性条件为

ghb＞

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L较小，重心较高(gh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cF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0zRF时，开始侧翻。因此，汽车绕左侧车轮侧翻的条件为

gcgchGBGBFhFsin2cos2sincos （5.6） 如汽车转弯半径为R，行驶速度为u，则

gRGuFc2

将cF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

tan2)tan2(maxBhhBgRugg

 （5.7）

由式（5.7）可见，当横向坡度值Bhg2tan时，式中分母为零，maxu，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（0），汽车转弯行驶不发生侧翻的极限车速为

ghgRBu2max （5.8）

比较式（5.7）和式（5.8），式（5.7）的maxu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 )cossin(sincosGFGFcc

式中 ——附着系数。 整理后，得汽车在侧滑前允许的最大速度为

tan1)tan(max

gRu

当1tan时，u，则以任何车速行驶也不发生侧滑。在0的水平道路上，汽车侧滑前所允许最大速 度为 gRu

max （5.9）

为了行驶安全，应使侧滑发生在侧翻之前，即maxmaxuu

tan2)tan2(tan1)tan(BhhBgRgRgg

整理后得 ghB2 （5.10） 比值ghB2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x轴的正方向，向下为z轴的正方向，在x轴的正方向的右侧为y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（xOy平面）上的投影（y轴），与车轮平面的交点，也就是坐标原点。 （4）翻转力矩xT 地面作用于轮胎上的力，绕x轴的力矩。图示方向为正。

（5）滚动阻力矩yT 地面作用于轮胎上的力，绕y轴的力矩。图示方向为正。 （6）回正力矩zT 地面作用于轮胎上的力，绕z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x轴的夹角。图示方向为正。 （8）外倾角 xOz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yF。当侧向力yF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yF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yF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W的条件下，受到侧向力yF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aa与车轮平面cc不重合，错开Δh，但aa仍平行于cc，如图5.5a所示。

（2）车轮滚动时 接触印迹的长轴线aa，不只是和车轮平面错开一定距离，而且不再与车轮平面cc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1A、2A、3A…，点1A、2A、

3A的连线aa与cc的夹角，即为侧偏角。车轮就是沿着aa方向滚动的。显然，侧偏角的数值是与侧向力yF有

关的。