第十六章汽车的操纵稳定性

1、第一节概述第一节概述第二节轮胎侧偏特性第二节轮胎侧偏特性第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应特性第三节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应特性第四节汽车操纵稳定性与悬架、转向系的关系第四节汽车操纵稳定性与悬架、转向系的关系第五节汽车操纵稳定性的道路试验第五节汽车操纵稳定性的道路试验第六节操纵稳定性的主动控制第六节操纵稳定性的主动控制第十六章汽车的操纵稳定性第十六章汽车的操纵稳定性定义：定义：在驾驶员不感觉过分紧张、疲劳的在驾驶员不感觉过分紧张、疲劳的条件下，汽车能按照驾驶员通过转向系及条件下，汽车能按照驾驶员通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，转向车轮给定的方向行驶，且当受到外界且当

2、受到外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力的能力。意义意义操纵方便性操纵方便性高速安全性高速安全性行驶方向行驶方向直线直线 转弯转弯干扰干扰路不平路不平 侧风侧风货物或乘客偏载货物或乘客偏载1 内容内容输入输入：角输入、力输入：角输入、力输入响应响应：时域响应、频域响应。：时域响应、频域响应。横摆角速度频率响横摆角速度频率响应特性应特性回正性回正性转向半径转向半径转向轻便性转向轻便性直线行驶性直线行驶性（侧向风稳（侧向风稳定性、路面不平稳定性、定性、路面不平稳定性、弯道行驶性）弯道行驶性）典型行驶工况典型行驶工况极限行驶性能极限行驶性能xyzuwqp

3、r式车辆坐标系以及运动形前进速度侧倾角速度urollp)(侧向速度俯仰角速度)(pitchq垂直速度横摆角速度wyawr)(2 车辆坐标系及时域响应车辆坐标系及时域响应 汽车时域响应汽车时域响应分为稳态响应和瞬态响应。分为稳态响应和瞬态响应。 转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应：等速直线行：等速直线行驶，急剧转动转向盘，然后维持转角不变，即对汽驶，急剧转动转向盘，然后维持转角不变，即对汽车施以转向盘角阶跃输入，汽车经短暂的过渡过程车施以转向盘角阶跃输入，汽车经短暂的过渡过程后进入等速圆周行驶工况。后进入等速圆周行驶工况。 转向盘角阶跃输入下的瞬态响应转向盘角阶跃输

4、入下的瞬态响应：等速直线行驶和：等速直线行驶和等速圆周行驶两个稳态运动之间的过渡过程所对应等速圆周行驶两个稳态运动之间的过渡过程所对应的瞬间运动响应。的瞬间运动响应。 稳态转向特性稳态转向特性：不足转向、中性转向、过度转向。不足转向、中性转向、过度转向。转向盘保持一个固定转角不变，缓慢加速或以不同转向盘保持一个固定转角不变，缓慢加速或以不同车速等速行驶时，不足转向的汽车转向半径逐渐增车速等速行驶时，不足转向的汽车转向半径逐渐增大，中性转向的汽车转向半径不变，而过度转向的大，中性转向的汽车转向半径不变，而过度转向的汽车转向半径逐渐减小。汽车转向半径逐渐减小。不足转向0K中性转向0K过度转向0Kn

5、goversteeriingundersteer.constswsteeringneutral0r1r)(tr095.0r005.1rT0sw转向盘转角sw反应时间稳定时间稳态横摆角速度0r超调量%10001rrtt滞后时间最大横摆角速度1r汽车时域响应是汽车时域响应是把汽车作为开环控制系统的控制特性。把汽车作为开环控制系统的控制特性。驾驶员汽车系统是一个闭环控制系统：驾驶员汽车系统是一个闭环控制系统：在汽车行驶过在汽车行驶过程中，驾驶员根据需要，操纵转向盘使汽车做转向运动。程中，驾驶员根据需要，操纵转向盘使汽车做转向运动。路面的凹凸不平、侧风、偏载等影响汽车的行驶。驾驶路面的凹凸不平、侧风、

6、偏载等影响汽车的行驶。驾驶员根据道路、交通等情况，通过眼、手及身体感知的汽员根据道路、交通等情况，通过眼、手及身体感知的汽车运动状况车运动状况（输出参数）（输出参数），经过头脑的分析、判断（，经过头脑的分析、判断（反反馈）馈），修正其对转向盘的操纵。如此不断地反复循环，修正其对转向盘的操纵。如此不断地反复循环，操纵汽车行驶前进。操纵汽车行驶前进。.（横摆、侧倾汽车运动汽车路面不平侧风的手脚驾驶员驾驶员路面条件交通状况气候驾驶员汽车闭环系统主观评价法主观评价法: : 凭借凭借主观感觉主观感觉的评价的评价转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应：和转向力等侧倾角、)(pyr

7、aKurar稳定性因数稳定性因数转向灵敏度转向灵敏度横摆角速度增益横摆角速度增益横摆角速度增益曲线横摆角速度增益曲线)(3. 3. 评价方法评价方法客观评价法：用测试仪器测物理参数：客观评价法：用测试仪器测物理参数：汽车因数时的相位滞后角共振频率Hzf 1 ,瞬态响应：转向盘角阶跃输入下的衰减振动圆频率反应时间或线瞬态横摆角速度响应曲,%1000ttrrr性：横摆角速度频率响应特侧偏特性：侧偏力、回正力与侧偏角的关系侧偏特性：侧偏力、回正力与侧偏角的关系xyzXFZFYF回回正正力力矩矩zTxT翻翻转转力力矩矩yT外外倾倾角角yF侧偏角侧偏角1 1 轮胎坐标系轮胎坐标系概念概念偏角侧偏现象、侧

8、偏力、侧. 2u uuvyFyFCC刚刚性性轮轮zlYFFzlYFFYFYFkkFFFYyY侧偏刚度侧偏角侧偏现象侧向力侧偏力yFYFYFyFYFyFYFyFYFradKNk/8028弹弹性性轮轮胎胎vu ukFY符符号号相相反反与与kFY最大侧偏力的影响因素最大侧偏力的影响因素附着条件附着条件 及垂直载荷及垂直载荷F FZ Z轮胎胎面花纹、材料、结构、轮胎胎面花纹、材料、结构、充气压力充气压力路面材料、结构、潮湿程度路面材料、结构、潮湿程度车轮外倾角车轮外倾角3. 轮胎结构、工作条件与侧偏特性轮胎结构、工作条件与侧偏特性 尺寸尺寸的轮胎，的轮胎，k ； 子午线轮胎接地面宽子午线轮胎接地面宽，

9、k大大； 钢丝比尼龙轮胎钢丝比尼龙轮胎k大大；扁平率：轮胎断面高度与断面宽度之比扁平率：轮胎断面高度与断面宽度之比H /B ， k ； 在一定范围内在一定范围内，载荷载荷 （FZ ） ，k 。但但载荷载荷太大时太大时，k； 轮胎充气压力轮胎充气压力 ，k ； 行驶车速对行驶车速对k影响较小影响较小；潮湿特别在积水时，潮湿特别在积水时，k 很大很大。kW增增加加扁扁平平率率BH /增增加加载载荷荷WYF增增加加WYFYF增增加加p胎胎压压附着椭圆附着椭圆一定侧偏角下，驱一定侧偏角下，驱动力或制动力增加时，动力或制动力增加时，侧偏力逐渐有所减小，侧偏力逐渐有所减小，这是由于轮胎侧线弹性这是由于轮胎

10、侧线弹性有所改变的关系。当纵有所改变的关系。当纵向力相当大时，侧偏力向力相当大时，侧偏力显著下降，接近附着极显著下降，接近附着极限时，切向力已耗去大限时，切向力已耗去大部分附着力，而侧向力部分附着力，而侧向力能利用的附着力很小。能利用的附着力很小。xFbFYF侧侧偏偏角角xbYFFF或YxbFFF或ccccccccaaaaaaaaeYFYzeFT 轮胎拖距euyFzTYFYFYF侧侧偏偏角角ZT回回正正力力矩矩ZT回回正正力力矩矩W载载荷荷赛车胎赛车胎子子午午线线胎胎斜交胎斜交胎ZZTT6464XF驱动力制动力ZbXZbXTFFFTFFF或制动力驱动力或制动力驱动力ZT回回正正力力矩矩bFyY

11、kFYFYFO000YFYF000WYF 忽略转向系的影响，以前轮转角作为输入；忽略转向系的影响，以前轮转角作为输入； 汽车只进行平行于地面的平面运动，而忽略悬架汽车只进行平行于地面的平面运动，而忽略悬架的作用；的作用； 汽车前进（纵轴）速度不变，只有沿汽车前进（纵轴）速度不变，只有沿y y轴的轴的侧向侧向速度和绕速度和绕z z轴的横摆运动轴的横摆运动( (a ay y0.4g) 0.4g) ； 驱动力不大，对侧偏特性无影响；驱动力不大，对侧偏特性无影响； 忽略空气阻力；忽略空气阻力； 忽略左右轮胎因载荷变化引起轮胎特性的变化；忽略左右轮胎因载荷变化引起轮胎特性的变化； 忽略回正力矩的变化。忽

12、略回正力矩的变化。L2L1L21r2uuVxy22YF1YFxxyyuuuVVVxyuu和其中和uuuuuuuuuuuuuucos)(sin)()sin1cos(sin)(cos)(00uuu和rtyrtxutuautualimlim00)()(cos2121rYYrYYumFFumFFY向力平衡对质心取矩L2L1L21r2uuVxy22YF1YF1u)(cos21rYYumFFrzYYIFLFL2211cos)(21rYYumFFrzYYIFLFL2211uLuLuLuLurrrr222111)(,222111kFkFYY11221 112221122212121221 12211221 1

13、()()()()()()()rzrrrrrrrzrkkm uLkL kILuLLuukkakbkkmuuLkL kL kL kLkIu 将代入，则YFZT2 2 前轮角阶跃输入下进入的汽前轮角阶跃输入下进入的汽车稳态响应等速圆周运动车稳态响应等速圆周运动2.1 稳态响应的评价指标：稳态响应的评价指标：稳态横摆角速度增益或转向灵敏度稳态横摆角速度增益或转向灵敏度Sr0, 0,此时，rrconst221221211222121221112211211/)(1/,0)(1)()(1)(KuLuukLkLLmLukLkLkLuukLkLmukkLkLuukkSrrrr解方程，则有消除)(12212kL

14、kLLmK稳定性因数2 稳态响应的三种类型稳态响应的三种类型过度转向过度转向Over-SteeringOver-SteeringLuur不足转向不足转向Under- SteeringUnder- Steering中性转向中性转向Neutral-SteeringNeutral-Steering当汽车以很低的速度和当汽车以很低的速度和/或很大转或很大转向半径行驶时，侧偏角很小，即向半径行驶时，侧偏角很小，即则有则有ruLu21/KuLuchuruLu21/KuLucruaur0K0K0Kcruchu过度转向汽车车速达到临界车速时将失去稳定性。因为只要一个很小的转角，横摆角速度增益r/ 就趋于无穷大

15、。因为假设纵向速度为优先值，根据纵向速度与角速度的关系可知，汽车的转向半径极小，这样汽车必定发生激转而发生侧滑或侧翻。133. 016. 0sr 000000212121KKKLKay21)(1)(1)()(211122122121221221yYYyyyyLakFkFLakLkLaLmakLkLLmKa 的关系与yYyYaLmLFaLmLF122121ya中性转向0K不足转向0K过度转向0K反之，则为过度转向不足转向关系用斜率表示，斜率对速增加或减小的现象。急剧变化，出现半径迅和不再为线性关系与， 0aag4 . 03 . 0a21yry21y LKay21LuKuKuLuRrrr/1/22

16、21的关系与发生变化或不变21uLRuLRRLLKaRLy02121,)()(很小，则若ryruRau/,rrLKuuLLKay21Ackmann角0/ RR2u中中性性转转向向不不足足转转向向过过多多转转向向,0021RR10210RR 0210RR 20Ku1RR 20022r2rKu1RRR)Ku1(RL)Ku1(uKu1L/u LR00RR2u中性转向中性转向不足转向不足转向过过度度转转向向1质心至前轴的距离离中性转向点至前轴的距静态裕度中性转向点侧向力作用点侧偏角的使汽车前后轮产生相同1111;LLLLLSMCn静态储备系数212212212kkLkkkLkFFLFLYYY同时对前轴

17、取矩，则2111211121111122121211000000LLSMLLSMLLSMLLkLkLLkkkLLLSM1L1LLCnCyF1YF2YF 二自由度模型忽略了前、后轴及左、右轮载荷变二自由度模型忽略了前、后轴及左、右轮载荷变化、车轮外倾角、悬架导向杆系及变形对轮胎侧偏化、车轮外倾角、悬架导向杆系及变形对轮胎侧偏角的影响。因此，轮胎弹性侧偏角绝对值的大小取角的影响。因此，轮胎弹性侧偏角绝对值的大小取决于整车质心位置和轮胎无外倾角也无载荷变化下决于整车质心位置和轮胎无外倾角也无载荷变化下的侧偏刚度的侧偏刚度。绕垂直地面轴线的转动绕垂直地面轴线的转动变形而产生的后轮平面变形而产生的后轮平

18、面杆系杆系车厢外倾导致悬架导向车厢外倾导致悬架导向变形转向角：侧向力使变形转向角：侧向力使销的转动。销的转动。而产生的前轮平面绕主而产生的前轮平面绕主运动运动车厢外倾导致转向杆系车厢外倾导致转向杆系侧倾转向角：侧向力使侧倾转向角：侧向力使性侧偏角。性侧偏角。与外倾角变动产生的弹与外倾角变动产生的弹弹性侧偏角：垂直载荷弹性侧偏角：垂直载荷.3211. 车身侧倾轴线：车厢相对地面转动时瞬时轴线。侧倾中心：侧倾轴线通过车厢在前后轴处横断面的瞬时转动中心。侧倾中心的位置由悬架的导向机构所决定。可用解析和图解两种方法获得侧倾中心。图解方法是利用可逆原理，即假设车厢不动而地面相对车厢发生转动，求出地面相对

19、车厢的瞬时转动中心，它也是车厢的侧倾中心。DG厢厢单单横横摆摆臂臂独独立立悬悬架架及及车车EFgmsyFrFlF无侧向力无侧向力有侧向力有侧向力mODGEFdg的的侧侧倾倾中中心心单单横横摆摆臂臂独独立立悬悬架架车车厢厢yFmgClFrFC0乃乃至至llFF mgFFrr乃至乃至DGlOrO厢厢双双横横摆摆臂臂独独立立悬悬架架及及车车mOdgDGlOrO的的侧侧倾倾中中心心双双横横摆摆臂臂独独立立悬悬架架车车厢厢的的侧侧倾倾中中心心纵纵置置半半椭椭圆圆板板簧簧上上车车厢厢mOmO商用车轿车rrddTK复力偶矩。下悬架给车厢总弹性恢倾时，单位侧倾转角悬架的侧倾角刚度：侧dSdQKS恢复力。架系统

20、给车厢的总弹性时，单位车厢位移下悬持在地面上作垂直运动悬架的线刚度：车轮保度的螺旋弹簧。相当一个具有悬架线刚时所受到的弹性恢复力等效弹簧：车厢在侧倾mOzFzFrtSsSQQ2uGsGmnssuszkSQGGF)(2122)(2)(nmkSFkSnmkSnmkFmSkQmnFmSnSstzltssszsszstr臂独立悬架的线刚度微元力法确定单横摆t-tires-spring车身质量SG非悬挂质量uGt2ssszssztsstrS)nm(kSnmkFmSkQmnFSnmSmSnS mOzFzFrtSsSQQ2uGsGmnSGuG2stzl)nm(k2SFk 两两侧侧轮轮胎胎mOzFzFrtSs

21、SQQ2uGsGmn臂独立悬架的线刚度虚位移法确定单横摆ssuszkSQGGF)(21mSnSstr0)()2stzuzSQQSFGF（2)(22tssltssstltszstzSSkkSSSkSkSSQFSQSF22)(nmkSSkkstssl222)(212121nBmkBkKdBkdTslrrl悬悬架架的的侧侧倾倾角角刚刚度度rdB2rdBrdrd2Bdl dlkdQl22222BdBkBdQdTrl221BkKlrdQdQmO 车厢的侧倾角：车厢在侧向力的作用下绕侧倾轴线的转角。 车厢侧倾角是操纵稳定性和汽车平顺性的重要参数。 侧倾角r 影响汽车r 动态和稳态响应，是操纵稳定性的重要评

22、价指标。 r 过大，会使驾驶员感觉不稳定、不安全、不舒服。 r 过小，在不平路面车厢冲击大。 汽车稳态圆周运动时，车厢的侧倾角为rrrrrKTKTf),(rs1Ls2L1mO2mOsGshhHNL2h1hsysyssymaGaRumF222/81. 9,/smsmay工工程程单单位位国国际际单单位位rssrhGeGT ermOsGhrhe)()(122100rhFTrrhNGKFNGKFrFEFFTNGrFFFFFuyrIIIuyrIIIuyrluyYrrFrFlFlF2uyF2uyFrzFzFYFYFEFNuyYFF21rFNGFuyr2NGKFrFEFFTuyrIIIrrrhNGKF)(0

23、mO0hKrrh 0KFNGgmsGsGsyFhrsyFysF2ysF1s2Ls1LLysF1yuF1lF11rTrF11h1uhysF2yuF2lF22rTrF22h2uh1B2BLLFFLLFFFFFs1sy2sys2sy1sy2sy1sysy rrrrrrKTKT2211悬架作用于车身的恢复力矩注意：力是标量还是矢量rlYrlY0Y0kkFkkFk2F 0Yrl0k2F2kkk 则趋于过多转向则趋于过多转向，若后轮左右载荷变动大若后轮左右载荷变动大*0WWWlk0k0krk000kk 则不足转向则不足转向，若前轮左右载荷变化大若前轮左右载荷变化大 在侧倾力矩的作用下，汽车左右车轮的垂直载

24、荷发生变化，这将导致轮胎的侧偏特性变化而使汽车稳态转向特性发生变化。 左右车轮垂直载荷差别越大，侧偏刚度越小。 若前轴左右车轮的垂直载荷变化大，则趋于不足转向。后轴左右车轮的垂直载荷变化大，则为趋于过多转向。 车轮左右载荷的变动取决于：侧倾角刚度、悬挂质量、非悬挂质量、质心位置、前后悬挂侧倾中心位置等。注意！ 车厢侧倾时，车轮外倾角的三种变化形式：保持不变；沿着地面侧向力方向倾斜；沿着地面侧向力作用方向相反的方向倾斜。 当车轮的外倾倾斜方向与地面的侧向反作用力相一致时，侧偏角绝对值减小；反之，则增大。 车轮外倾角的增加使车轮的侧向附着性能降低，汽车的极限侧向加速度减小。 车厢侧倾时，车轮相对地

25、面的侧倾角由车轮相对车厢的外倾角和车厢相对地面的侧倾角组成。 车轮相对地面的外倾角求法：假想让车厢不动，令地面相对车厢转动一个角度r ，这样就可根据悬架导向杆系的运动学关系，找出车轮相对车厢的相对转动角度，然后让车厢与地面一起回转r ，此时地面回复到原来状态，即可确定外倾角的数值。rr车厢侧倾时车轮外倾角的变化车厢侧倾时车轮外倾角的变化侧倾转向是在侧向力作用下，车厢发生侧倾，而引起车轮偏转，即车轮围绕垂直轴线或转向节主销转动。后轴转向是因悬架杆系的运动学关系所产生的车轮转向角。侧倾干涉转向是转向轴因转向杆系和悬架杆系运动学关系干涉所产生的车轮转向角变动。轴转向是发生侧倾转向时，车轴发生的绕垂直

26、轴线的转动。运动学侧偏是车轴和车轮围绕垂直轴线的转动与轮胎侧偏之效果一样。后轴前轴2u2u侧倾转向不足转向过度转向Om nk0aralaZlF侧倾力作用结果无侧倾力作用lF1rF1pBdzdxdxdz0aQd)(a)(b)(CrddpBtgtgdzdxddBdxdBdzdddrrpprrr2/2/侧倾转向系数侧倾转向系数变形转向：悬架导向杆系元件在各种力和力矩作用下的弹性变形可能引起车轮围绕主销或垂直地面的轴线的转动。YYcFF1000YF侧向力变形转向系数侧向力变形转向系数YFzTzTzTzT2a1a回正力矩系数回正力矩系数回正力矩变形转向系数回正力矩变形转向系数NTTTN1001杆系均发生

27、变化下，车轮和悬架在回正力矩作用侧倾时，转向系统与悬架的运动干涉将引起转向轮侧倾干涉转向。ZF 转向系刚度：由转向盘至转向车轮之间，包括转向机、传动杆系、固定座在内的刚度。在一定的转向盘转角下，转向系刚度低，前转向轮的变形转向角大，增加了汽车的不足转向趋势；反之，若刚度大，则不足转向的趋势变小。为了获得良好的路感，转向系的刚度应高一些。特别是在转向盘在中间位置小转角范围内应有尽可能高的刚度。第五节汽车操纵稳定性的道路试验第五节汽车操纵稳定性的道路试验一、试验条件一、试验条件)试验应在平坦、干燥、清洁的水泥或沥青路面的场试验应在平坦、干燥、清洁的水泥或沥青路面的场地上进行，场地在任意方向的坡度不

28、大于地上进行，场地在任意方向的坡度不大于.。)试验风速不大于。试验风速不大于。)所有对试验结果有影响的零部件均应经过检查、紧所有对试验结果有影响的零部件均应经过检查、紧固和调整，特别是转向系和悬架机构的各零部件。固和调整，特别是转向系和悬架机构的各零部件。)所用轮胎和车辋型式及大小必须满足有关要求。所用轮胎和车辋型式及大小必须满足有关要求。)试验应在汽车轻载及额定满载两种状态下进行试验应在汽车轻载及额定满载两种状态下进行二、试验项目和试验方法二、试验项目和试验方法.转向轻便性试验转向轻便性试验图图-双纽线路径双纽线路径.汽车稳态回转试验汽车稳态回转试验定转弯半径法定转弯半径法图图-方向盘转矩方向盘转矩方向盘转角曲线方向盘转角曲线.汽车稳态回转试验汽车稳态回转试验定方向盘转角、连续加速法定方向盘转角、连续加速法()试验目的试验目的将方向盘转过某一角度后，固定不变，汽车连将方向盘转过某一角度后，固定不变，汽车连续加速直至达到所需的侧向加速度，测定汽车车续加速直至达到所需的侧向加速度，测定汽车车速及横摆角速度等参量，求出转弯半径随侧向加速及横摆角速度等参量，求出转弯半径随侧向加速度变化的特性。速度变化的特性。()试验