武汉理工大学 车辆工程汽车理论讲稿(第5章)

1、汽汽 车车 理理 论论Theory of automobile武汉理工大学汽车工程学院武汉理工大学汽车工程学院2010年年3月月乔维高乔维高第五章第五章 汽车操纵稳定性汽车操纵稳定性汽车操纵稳定性汽车的主要性能之一a. 汽车正确遵循驾驶员通过操纵机构所给定的汽车正确遵循驾驶员通过操纵机构所给定的 方向的能力方向的能力;操纵稳定性操纵稳定性b. 汽车抵抗企图改变行驶方向干扰、保持稳定行汽车抵抗企图改变行驶方向干扰、保持稳定行驶方向的能力。不能过分降低车速或造成驾驶员驶方向的能力。不能过分降低车速或造成驾驶员疲劳。疲劳。第第1节节 概述概述1、 “飘飘”汽车自己改变方向。升力或转向系、轮胎、汽车自

2、己改变方向。升力或转向系、轮胎、 悬架等问题。悬架等问题。2、“反应迟钝反应迟钝”转向反映慢。传动比太大。转向反映慢。传动比太大。3、“晃晃”左右摇摆，行驶方向难于稳定。左右摇摆，行驶方向难于稳定。4、“丧失路感丧失路感”操纵稳定性不好的汽车在高速或急剧操纵稳定性不好的汽车在高速或急剧转向时会丧失路感，导致驾驶员判断的困难。转向时会丧失路感，导致驾驶员判断的困难。5、“失控失控”某些工况下汽车不能控制方向。制动时无某些工况下汽车不能控制方向。制动时无法转向法转向, ,甩尾，侧滑，侧翻。甩尾，侧滑，侧翻。操纵稳定性不好的具体表现操纵稳定性不好的具体表现汽车操稳性引起的事故成都南充4.294.29

3、交通事故轨迹交通事故轨迹图图错误地在前、后轴混装子午线轮胎和斜交轮胎。具有过多转向特性的错误地在前、后轴混装子午线轮胎和斜交轮胎。具有过多转向特性的汽车，在转向时达到一定车速汽车，在转向时达到一定车速(称为称为“临界车速临界车速”)时，将会出乎意外地时，将会出乎意外地向转向内侧激转，造成事故。向转向内侧激转，造成事故。该车转向系统相关零部件间累计间隙过大，方向盘自由行程严重超差，该车转向系统相关零部件间累计间隙过大，方向盘自由行程严重超差，而又未及时维修而又未及时维修(或维修质量不佳或维修质量不佳)，未排除故障，带病运行，导致该车，未排除故障，带病运行，导致该车行驶中前束值或大或小不断变化，使

4、汽车行驶处于极不稳定状态，这行驶中前束值或大或小不断变化，使汽车行驶处于极不稳定状态，这也加剧了过多转向的趋势。也加剧了过多转向的趋势。该车左后轮制动器因左后半轴油封损坏，齿轮油漏入左后轮制动器而该车左后轮制动器因左后半轴油封损坏，齿轮油漏入左后轮制动器而导致该轮制动器工作失效。导致该轮制动器工作失效。不均衡制动力造成的回转力矩。不均衡制动力造成的回转力矩。车辆坐标系和汽车主要运动形式汽车操纵稳定性评价方法汽车操纵稳定性评价方法人人-车闭环系统车闭环系统汽车试验的两种评价方法汽车试验的两种评价方法 客观评价法客观评价法 客观评价通过仪器测试能定量评价汽车性能，且客观评价通过仪器测试能定量评价汽

5、车性能，且能通过分析求出其与汽车结构参数间的关系。能通过分析求出其与汽车结构参数间的关系。 主观评价法主观评价法 主观评价考虑到了人的感觉，能发现仪器不能测主观评价考虑到了人的感觉，能发现仪器不能测试出的现象，是操纵稳定性的最终评价方法，但试出的现象，是操纵稳定性的最终评价方法，但很难给出定量评价数据。很难给出定量评价数据。轮胎坐标系第第2节节 轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性 因轮胎侧向弹性，车轮受侧向力的作用使轮心速度方向偏离车轮平面的现象。侧向力因转向、路面倾斜、风力等引起。转向引起的侧向力总是指向汽车内侧。侧偏角总是位于和侧偏力指向相反的一侧。轮胎的侧偏现象轮胎的侧偏现象 在侧偏角在侧偏角

6、0称为不足转向不足转向。不足转向汽车加速时，和中性转向时比，根据稳态横摆角速度增益较小，即较小。但因R= ，故不足转向汽车转向半径随车速增大而增大。21/KuLu/u汽车不足转向特征车速特征车速 0 )1(2)1(1)(222KuKuLuKuLdudr02)1( 22KuKuuch称为特征车速 1/2KuLurKuch1 K0时，时，K0 不足转向不足转向2121210时，时，KR0 时，时，K0 不足转向不足转向若若 R=R0 时，时，K=0 中性转向中性转向若若 R R0 时，时，Ka时，汽车质心在cn前，S.M.0, ,K0当aa时，汽车质心在cn后，S.M.0, ,K0的情况，上式变为

7、：的情况，上式变为：式中式中 1/2KuLur201表征瞬态响应的几个参数表征瞬态响应的几个参数小轿车的固有频率小轿车的固有频率f0(= 0/2 )在在0.8-1.2Hz之间。固有频率高些较好。之间。固有频率高些较好。1 1、波动的固有频率、波动的固有频率0 02 2、阻尼比、阻尼比 小了超调量大，故小了超调量大，故 大大些较好。些较好。3 3、反应时间、反应时间 反应时间 指r第一次到达稳定值的时间。小些较好。4 4、达到第一峰值的时间、达到第一峰值的时间 达到第一峰值的时间达到第一峰值的时间 小小些较好。些较好。瞬态响应的稳定条件瞬态响应的稳定条件 02200rrr 瞬态响应对应的齐次方程

8、为瞬态响应对应的齐次方程为对应的特征方程为对应的特征方程为022002ss根为：根为： 方程稳定性理论指出，上式中方程稳定性理论指出，上式中s的实部如为正数，的实部如为正数，则方程的解不稳定，因为解中总是有一项则方程的解不稳定，因为解中总是有一项ereal(s)t存在。存在。可以证明，当稳定性因数可以证明，当稳定性因数K0(过多转向过多转向)且车速且车速Kuucr1第第4节节 汽车操纵稳定性和悬架的关系汽车操纵稳定性和悬架的关系)(121yaLK 这里1， 2等于Fy1/k1， Fy2/k2。这里k1，k2是假定轮胎垂直载荷不变、外倾角为0、且侧偏角较小时的侧偏刚度，是一种简化的模型。实际上和

9、许多其他因素有关：轮胎垂直载荷；外倾角；悬架导向杆系变形、车身侧倾等。故汽车轮胎的实际总侧偏角应为：引言引言=弹性侧偏角（考虑了轮胎垂直载荷和外倾角）+车身侧倾转向角+悬架导向杆系变形转向角。 也就是说，侧偏角不但和轮胎特性与载荷有关，而且与汽车悬架、转向系有关。汽车的侧倾汽车的侧倾1）车厢侧倾轴）车厢侧倾轴 车厢相对地面转动的瞬时轴线称为车厢侧倾轴车厢侧倾轴。它与前后轴处的垂直断面的交点称为前、后侧倾中心侧倾中心。它由悬架导向机构决定，可由图解或实验求得。图解法原理图解法原理 假定车厢不动，地面相对车厢的瞬时转动中心即为侧倾中心。先确定二车轮瞬时中心及它们接地点的速度方向。把地面看成一个刚体

10、，根据二车轮接地点速度方向确定地面相对汽车运动的瞬心（即侧倾中心）。单横臂独立悬架上车厢的侧倾中心单横臂独立悬架上车厢的侧倾中心双横臂独立悬架上车厢的侧倾中心双横臂独立悬架上车厢的侧倾中心麦弗逊式独立悬架三维图麦弗逊式独立悬架三维图等效单横臂悬架等效单横臂悬架 以车轮相对车厢的运动瞬心为铰接点的单横臂悬架称为原独立悬架的等效单横臂悬架等效单横臂悬架。2）悬架侧倾角刚度）悬架侧倾角刚度 悬架侧倾角刚度悬架侧倾角刚度指车厢侧倾时单位转角下悬架系统给车厢的总弹性恢复力矩。 rddTKr式中 T-总弹性恢复力矩 r-车厢侧倾角悬架线刚度与等效弹簧悬架线刚度与等效弹簧 悬架线刚度悬架线刚度指车轮保持在地

11、面上，车厢作垂直运动时，车厢单位位移下悬架给车厢的总弹性恢复力。该位移和恢复力均在车轮处度量。 钢板弹簧的悬架线刚度直接等于弹簧刚度。独立悬架的线刚度则和其导向杆系有关，这是因为此时车厢向下位移时，车厢受到的的总弹性恢复力不等于弹簧力。单横臂单横臂悬架线刚度的计算悬架线刚度的计算 设车厢不动，设一个轮胎处向上的力扣除原平衡力后为 ,它引起的车轮垂直位移是st，弹簧垂直位移是ss。对应的弹簧力增量为Q。由图可知，nsmsts式中，m是弹簧中心到铰接点距离，n是横臂长。又mskQmnFssztssszsnmksnmkF2故zF2nmksFstz即一侧悬架的线刚度为式中，ks是弹簧实际刚度。整个悬架

12、的线刚度为22nmkksl对更复杂的悬架，整个悬架的线刚度为22tsslsskk式中，ss ，st分别是弹簧和车轮处的虚位移。用等效弹簧求悬架侧倾角刚度用等效弹簧求悬架侧倾角刚度rlldBKBdBKdT221 2)2(2 2/2轮距单轮力 设悬架单侧线刚度为 ,车厢的弹性恢复力矩为侧倾角刚度为：221 BKddTKlrrlK汽车总的悬架侧倾角刚度汽车总的悬架侧倾角刚度汽车总的侧倾角刚度=前后侧倾角刚度+横向稳定杆角刚度。实际轿车的前侧倾角刚度为300-1200 Nm/ ()。后侧倾角刚度为180-700Nm/ () 。3）车厢侧倾角）车厢侧倾角 车厢侧倾角车厢侧倾角指车厢绕侧倾轴的转角，它是影

13、响汽车操纵稳定性的一个重要参数。它也影响乘员感觉，车厢侧倾角过大，乘员会很不舒适。过小则说明侧倾角过大，凸凹不平路面对汽车单边冲击很大，同时会影响驾驶员路感。式中，M r是侧倾力矩，K r是悬架总的侧倾角刚度。侧倾力矩由下列三部分组成：rrrKM 悬挂质量离心力引起的侧倾力矩悬挂质量离心力引起的侧倾力矩syssyGaRumF2式中，ay是侧向加速度(g) ，Gs是悬挂重量(N)。从图中看到，Fsy引起的侧倾力矩为汽车作稳态行驶时，悬挂质量ms的离心力为hFMsyrI 式中，h是悬挂质心到侧倾轴的距离。侧倾后悬挂质量重力引起的侧倾力矩侧倾后悬挂质量重力引起的侧倾力矩式中，e是侧倾后悬挂质心偏移距

14、离。从图中有rssrIIhGeGM 独立悬架非悬挂质量离心力引起的侧倾力矩独立悬架非悬挂质量离心力引起的侧倾力矩rFGNFuyr2式中，Fr是铰链处的反作用力。对图中G点取力矩，有GNrFFuyr12即GNKFrFEFFMuyrrIIIrrhGNKF0从图中有从图中有故故)(0rhFMuyrIII车厢侧倾角计算车厢侧倾角计算rIIIrIIrIrMMMMrrrKM 式中，式中，M r是侧倾力矩，是侧倾力矩，K r是悬架总的侧倾角是悬架总的侧倾角刚度。刚度。垂直载荷重分配及对稳态特性的影响垂直载荷重分配及对稳态特性的影响1) 侧顷时垂直载荷重分配侧顷时垂直载荷重分配式中侧顷时前左轮垂直载荷变化量为

15、111 1 11BhFMKKhLbFFuyurrrssylzFz1l 侧顷时前左轮垂直载荷变化量Fsy车厢上作用的离心力bs 车厢质心到后轴的水平距离L 轴距h1前侧顷中心离地高度K r1 前悬架侧顷角刚度K r 汽车总侧顷角刚度M r 作用在车厢的外侧顷力矩之和Fu1y前簧下质量产生的离心力hu1前簧下质心离地高度B1 前轮距 从上式可知，从上式可知，车厢作用的离心力越大车厢作用的离心力越大(Fsy大大)，或质心越靠前或质心越靠前(bs 大大)，或前侧顷中心越高，或前侧顷中心越高 (h1大大) ，或前悬架侧顷角刚度占总侧顷角刚度比例越高或前悬架侧顷角刚度占总侧顷角刚度比例越高 (K r1 /

16、 K r大大) ，或前轮距越小，则前左轮垂直载荷变化，或前轮距越小，则前左轮垂直载荷变化量就越大。量就越大。 对前右轮，有：对前右轮，有： Fz1r= - Fz1l2) 侧顷时垂直载荷变动对侧偏刚度和稳态侧顷时垂直载荷变动对侧偏刚度和稳态特性的影响特性的影响 无侧向力时，左右轮垂直载荷无侧向力时，左右轮垂直载荷W0都对应于侧偏刚度都对应于侧偏刚度k0，左右轮侧偏角都为：左右轮侧偏角都为： ，式中，式中Fy为左右轮侧偏力为左右轮侧偏力之和。之和。 汽车转弯受到侧向力时，设左右轮垂直载荷变化为汽车转弯受到侧向力时，设左右轮垂直载荷变化为 W，内外轮的侧偏刚度分别为内外轮的侧偏刚度分别为kl，kr。

17、但内外轮的侧偏角相同。但内外轮的侧偏角相同02 kFkkFkkFyrlyrly故002/ kFy00kk 20rlkkk式中式中是左右轮垂直载荷变动时的平均侧偏刚度。从图可知，是左右轮垂直载荷变动时的平均侧偏刚度。从图可知，悬架角刚度对稳态特性的影响悬架角刚度对稳态特性的影响 增加前悬架角刚度或减少后悬架角刚度，会使前轮垂直载荷变化量增大，从而增加汽车不足转向。K增大，不足转向量增大。 反之，如左右后轮垂直载荷变动较大时，则|k2|减少， K减少，不足转向量减少。 因此，左右前轮垂直载荷变动较大（例如前侧顷角刚度较大）时，则|k1|(这里|k1|即上式中的 )减少，根据)(212kakbLmK

18、0k车厢侧倾引起的车轮外倾车厢侧倾引起的车轮外倾1）有车轮外倾时的侧偏角有车轮外倾时的侧偏角kkFFFYYYFY是侧偏力，FY是外倾侧向力kkkFFFkkFFFYYYYYY)(1这是有车轮外倾时的侧偏角。当汽车转弯时，如车轮外倾方向与转弯方向（即侧向反力方向）一致时，绝对值减少。如车轮外倾方向与转弯方向相反时，绝对值增加。2）车轮外倾角的确定车轮外倾角的确定 要保持高的极限性能，急速转弯时承受大部分垂直载荷的外侧车轮要保持高的极限性能，急速转弯时承受大部分垂直载荷的外侧车轮应尽量垂直地面。应尽量垂直地面。 车轮外倾角由车轮相对于车厢的外倾角车轮外倾角由车轮相对于车厢的外倾角 1和车厢相对于地面

19、的侧倾和车厢相对于地面的侧倾角角 r合成。假设车厢不动，地面以反方向转过一角度合成。假设车厢不动，地面以反方向转过一角度 r。这时根据悬架。这时根据悬架导向杆系运动学关系，求出车轮与车厢的相对转动角度导向杆系运动学关系，求出车轮与车厢的相对转动角度 1 。然后让地面。然后让地面和汽车同时转回到地面水平位置，这样便可确定车轮和汽车同时转回到地面水平位置，这样便可确定车轮外倾角的值。外倾角的值。侧倾转向侧倾转向 车厢侧倾引起的车轮转向称为侧倾转向，侧倾转向，或称轴转向轴转向。侧倾转向会增加或减少不足转向量。 图说明了后轴转向和不足转向量增减的关系。雪铁龙具有的“后轴随动转向”技术即是为了转向时增加

20、不足转向量（见有关文章）。外侧悬架压缩，前束减少，车轮向外转。内侧悬架拉伸，前束增加，车轮向汽车中心转。该车侧倾转向引起了不足转向的增加。变形转向变形转向悬架导向装置变形引起的车轮转向称为变形转向。悬架导向装置变形引起的车轮转向称为变形转向。向右转弯第第5节节 汽车操纵稳定性和转向系的关系汽车操纵稳定性和转向系的关系侧倾时转向系和悬架的运动干涉的关系侧倾时转向系和悬架的运动干涉的关系悬架变形时，转向节球销c将绕o1点旋转，同时主销绕o2点旋转，造成额外的轮转向。右转弯时，外侧左悬架压缩，车轮向左转，增加了不足转向。转向系刚度和转向轮的变形转向转向系刚度和转向轮的变形转向 转向系刚度低，前轮变形

21、转向角大，增加不足转向。转向系刚度高，前轮变形转向角小，不足转向增加量小。但转向系刚度低不仅路感不好，还可能造成前轮摆振。第第6节节 汽车操纵稳定性和传动系的关系汽车操纵稳定性和传动系的关系第第7节节 提高操纵稳定性的电子控制系统提高操纵稳定性的电子控制系统四轮转向系统四轮转向系统4WS作用作用车辆稳定性控制系统车辆稳定性控制系统（VSC）作用）作用 电子稳定程序系统(Electric Stability Program)简称ESP。沃尔沃称其为DSTC，宝马称其为DSC，凌志称其为VSC。汽车紧急避障或转弯制动时，该系统通过改变车轮切向力，使车辆克服偏离正常路径的倾向。 1、四通道系统，自动

22、向4个车轮独立施加制动力。. 2、二通道系统，自动向2个前轮施加制动力。 3、 三通道系统，向2个前轮施加独立制动力，向2后轮施 加非独立制动力。ESP系统（系统（1） ESP的传感器 转向传感器 轮速传感器 偏转率传感器 侧向加速度传感器 工作原理 根据各传感器信号，发现汽车出现甩尾或前轮失去转向 能力时，当汽车处于驱动方式时，程序控制ASR（驱动力控制系统）改变在各轮上的驱动力；当汽车处于制动方式时，控制ABS（防抱死系统）改变在各轮上的制动力，使汽车产生额外的力矩，迫使汽车回到正确的路线上来。ESP系统（系统（2）ESP系统工作原理系统工作原理ESPESP的三大特点的三大特点 1.实时监

23、控：ESP能够实时监控驾驶者的操控动作、路面反应、汽车运动状态，并不断向发动机和制动系统发出指令。 2. 主动干预：ABS等安全技术主要是对驾驶者的动作起干预作用，但不能调控发动机。ESP则可以通过主动调控发动机的转速，并调整每个轮子的驱动力和制动力，来修正汽车的过度转向和转向不足。 3. 事先提醒：当驾驶者操作不当或路面异常时，ESP会用警告灯警示驾驶者。TCS系统系统 TCS是Traction Control System（ 驱动力控制系统）的缩写。TCS经常直接与ABS共用同一个系统。ABS控制4个轮，而TCS只控制驱动轮，其制动原理与ASR系统如出一辙。当汽车加速时，TCS将滑动控制在一定的范围内，从而防止驱动轮快速滑动。其功能在于提高牵引力和保持车辆行驶稳定性。 TCS 、ASR可以最大限度利用发动机的驱动力矩，保证车辆起动、转向和加速过程中的稳定性能。此外，还能减小车轮磨损和燃油消耗。任何一部拥有TCS的车都会同时有ABS系统。EBD系统系统