第七章汽车操纵稳定性试验

第七章汽车操纵稳定性试验7.1

汽车操纵稳定性的理论基础

汽车稳态回转试验转向瞬态响应试验蛇形试验7.27.37.4转向回正试验

7.5转向轻便性试验7.67.1

汽车操纵稳定性的理论基础一、定义及其发展过程1.定义2.发展过程3.研究内容4.

评价方法5.

评价标准操纵稳定性与转向特性密切相关，后面的5个试验都离不开转向。二、转向特性1.汽车运动坐标汽车在超低速转弯时，两前轮轮胎的转角接近下图和下式所示的关系，我们把这种转向机构称之为“阿卡曼型”。2.汽车低速行驶时的转向特性L——汽车的轴距；δ——两前轮转角δ0、δi的平均值当汽车以较高的速度行驶时，汽车转向半径与前轮转角（或方向盘转角）是不一致的。随着车速的提高，汽车的车轮便产生了侧偏角。其中β1、β2为前、后轮侧偏角。

3.汽车高速行驶时的转向特性

4.稳态转向特性（4）表征参数用K表征

汽车由等速直线行驶过渡到等速圆周行驶就是一种瞬态响应。它与汽车操纵稳定性有密切的关系。并具有时间上的滞后（响应时间）、执行上的误差（超调量）、横摆角速度的波动、进入稳态所经历的时间几个特点。

5.瞬态响应侧偏特性是研究汽车操纵稳定性的基础，主要指侧偏力、回正力矩与侧偏角之间的关系。

（1）轮胎的侧偏刚度是决定操纵稳定性的重要参数。它与侧偏角和侧偏力的关系可用表示。（2）侧偏角与回正力矩特性轮胎发生侧偏时，还会产生作用于oz轴的力矩Mz，称为回正力矩。它是使转向车轮恢复到直线行驶位置的主要恢复力矩之一。轮胎的型式及结构参数对回正力矩-侧偏角特性有重要影响。回正力矩随垂直载荷的增大而增加。三、影响汽车操纵稳定性的因素1.轮胎侧偏特性的影响当汽车沿曲线行驶时，前、后轴左、右两侧车轮的垂直载荷发生变化，车轮常有外倾角，且由于悬架导向杆系的运动及变形，外倾角将随之发生变化。这些因素改变了车轮的侧偏刚度和外倾侧向力，从而影响了轮胎弹性侧偏角的大小。与此同时位于悬架上的车厢在曲线行驶时将发生侧倾，即使方向盘转角固定不动，由于车厢侧倾时前悬架导向杆系和转向杆系的运动及变形，前车轮轮辋平面也可能发生绕主销的小角度转动。车厢侧倾时后悬架导向杆系的运动及变形，也会令后轮发生绕垂直于地面轴线的小角度转动。

2.操纵稳定性与悬架、转向系的关系

行驶中汽车所受的外力，除了地面的作用力外就是空气的作用力。可分为迎面阻力、升力与侧向推力及由这些力形成的纵倾力矩、侧倾力矩和横摆力矩，这些力和力矩通过两种途径影响着汽车的操纵稳定性。一种是直接途径，即空气的侧向推力与空气的横摆力矩作用于汽车车身上，使汽车的受力状态发生变化，而使前后轮的侧向力发生变化，或使汽车侧向加速度及横摆角速度发生变化；另一种是间接途径，即由各种空气作用力的作用，使各车轮的负荷发生变化，从而改变了轮胎的侧偏特性。空气的这些作用力的大小大致与空气对汽车的相对速度的平方成正比。

3.空气力学特性对汽车操纵稳定性的影响7.2汽车稳态回转试验一、试验作用具有过多转向特性的汽车有失去汽车操纵稳定性的危险，汽车可能发生激转而侧滑或翻车。具有过强的不足转向特性的汽车，也会使汽车难以控制。一般也不应使汽车具有中性转向特性，因为在汽车使用条件变化时，中性转向汽车可能转变为过多转向特性。汽车操纵稳定性良好的汽车应具有适当的不足转向特性。本项试验是测定汽车的稳态转向特性及车身侧倾特性这种试验适用于轿车、客车、载货汽车及越野汽车。1.陀螺仪：用于汽车运动状态下测动态参数，如汽车行进方位角、汽车横摆角速度、车身侧倾角及纵倾角等；2.光束水准车轮定位仪：测车轮外倾角、主销内倾角、主销外倾角、车轮前束、车轮最大转角及转角差；3.车辆动态测试仪：测汽车横摆角速度、车身侧倾角及纵倾角、汽车横向加速度与纵向加速度等运动参数；4.力矩及转角仪：测转向盘转角或力矩；5.五轮仪、磁带机等。二、试验仪器（1）

试验前在平坦坚实的场地上画出R0＝15m或R0＝20m的圆.（2）试验时，汽车先以最低稳定车速沿半径R0的圆周行驶，待速度传感器在半圈内均能对准地面预设的圆周时，固定转向盘不动并停车。（3）启动记录仪器，记录各参数零线后汽车起步并缓慢连续加速（纵向加速度不大于0.25m/s2），直至汽车侧向加速度达到6.5m/s2或受限于汽车最高车速，或受限于汽车出现不稳定状态为止。（4）汽车应左右转向各重复三次。测定车速v、纵向加速度、侧向加速度、横摆角速度、车身侧倾角角，以及转向盘力矩M等参数。三、试验方法(GB/T6323.6-94)1.定转向盘转角连续加速法

在试验场地上，用明显颜色画出半径为30m的圆弧形试验路径，路径两侧沿圆弧中心线每隔5m放置标桩，两侧标桩至圆弧中心线的距离为1/2车宽加b，b值按下表确定。接通仪器电源，使之预热到正常工作温度。试验汽车轴距/m标桩距离b/cm小于或等于2.530大于2.5，小于或等于4.050大于4.0702.定转弯半径法

汽车以最低稳定车速行驶，调整转向盘转角，使汽车能沿圆弧行驶。在进入圆弧路径并达到稳定状态后，开始记录并保持油门和转向盘位置在3s内不动（允许转向盘转角在±10°范围内调整），之后停止记录。汽车通过试验路径时，如撞倒标桩，则试验无效。增加车速，但侧向加速度增量每次不大于0.5m/s2（在所测数据急剧变化的区段，增量可更小一些）。重复上述试验，直至做到侧向加速度达到6.5m/s2或受发动机功率限制，或汽车出现不稳定状态时的最大侧向加速度为止。试验按向左及向右转两个方向进行，可以先左转（或右转），从低速至高速，然后再进行另—方向试验，亦可以在某一车速下向左、向右两个方向均进行试验后再增加车速。（1）转弯半径比Ri/R0与侧向加速度关系曲线根据记录的横摆角速度及汽车前进车速，计算各点的转弯半径及侧向加速度。进而算出各点的转弯半径比Ri/R0（R0为初始半径，m）。在有模数转换及计算机系统时，可以把v、r输入计算机，由计算机得出R/R0—ay曲线。

（2）汽车前后轴侧偏角差值（α1-α2）与侧向加速度关系曲线对于两轴汽车，根据R/R0—曲线上各点的转弯半径Ri求出（α1-α2）—ay曲线。三、试验数据处理1.定转向盘转角连续加速法（3）根据记录整理出车厢侧倾角与侧向加速度之间的关系曲线。

（4）根据记录整理出转向盘力矩M与侧向加速度之间的关系曲线。（5）把每一次试验侧向加速度为4m/s2及6.5m/s2（或试验所达到最大侧向加速度）时的转弯半径比，前后轴侧偏角差值、车箱侧倾角及转向盘力矩等，填入试验结果综合表中。（6）按汽车向左转及向右转两种状态分别计算三次试验各参数的平均值，在三次试验中，当R/R0出现既有大于1，也有小于1；（α1-α2）、φ、M既有大于零时，也有小于零时，则不能取平均值。（1）侧向加速度ay的确定。（2）根据记录的转向盘转角θ及侧向加速度ay

，求出θ—ay曲线。在数据处理时，为了计算及阅读方便，各变量不严格按坐标系规定，左转右转均取为正。最大总质量和轻载两种状态可绘于同一图上。（3）根据记录的车箱侧倾角φ及侧向加速度ay求出θ—ay曲线。（4）根据记录的转向盘力矩M及侧向加速度ay，求出M—ay曲线。（5）根据记录的汽车重心侧偏角β及侧向加速度ay作β—ay曲线。2.定转弯半径法蛇形试验是一项包括车辆—驾驶员—环境在内的闭环试验。这种试验在—定的程度上表现出汽车转向运动的综合性能。这种试验测定汽车蛇形行驶的能力，用来综合评价汽车行驶的稳定性和乘坐的舒适性。此种试验适用于轿车、客车、载货汽车及越野汽车。7.3蛇形试验一、试验作用1.场地布置在试验场地上布置标桩10根，标桩间距应符合下表的规定。2.试验基准车速各种类型车辆试验基准车速按下表的规定进行。3.试验车速试验车速为v1、v2、v3、……v10，其中v1近似为基准车速，车速间隔自行规定，试验最高车速v10以保证试验安全为原则，自行选定。但试验最高车速不得超过80km/h。4.接通仪器电源，使之预热到正常工作温度。在正式试验前，按所示路线，练习5个往返。二、试验方法5.以车速v1、v2、v3、……v10在标桩间蛇行穿行，同时记录汽车通过有效标桩区的时间、转向盘转角、汽车横摆角速度及车身侧倾角。试验以每一个车速各进行一次，共十次（撞倒标桩的次数不计在内）。1.蛇行车速汽车蛇行通过有效标桩区间直线距离的平均车速，则称为蛇行车速。2.平均转向盘转角3.平均横摆角速度4.平均车身侧倾角5.试验结果的表达将试验结果整理成表的形式，并绘出如下关系图：（1）汽车横摆角速度与车速的关系图。（2）转向盘转角与车速的关系图。（3）车身侧倾角与车速的关系图。三、试验数据的处理转向盘转角----------1CH侧向加速度----------2CH横摆角速度----------3CH车身侧倾角----------4CH6.软件的使用汽车转向瞬态响应试验的目的是测定车辆的瞬态转向特性，即用来评价汽车的动态特性。瞬态转向特性是指汽车在受到外界扰动下，达到稳定状态前所表现出的特性，通常用时域响应特性和频域响应特性来描述。汽车转向瞬态响应试验有转向盘角阶跃输入试验和转向盘转角脉冲输入试验两种，其中前者用于测定瞬态响应的时域响应特性，后者用于测定频域响应特性。7.4转向瞬态响应试验一、试验作用试验前试验车以试验车速行驶l0km，使轮胎升温。试验车速以最高车速的70％并四舍五入为10的整数倍确定；试验时转向盘转角的位置按稳态侧向加速度lm/s2~3m/s2确定，从侧向加速度为lm/s2做起，每隔0.5m/s2进行一次。试验时，汽车以试验车速直线行驶，先按角输入方向轻轻靠紧转向盘，消除自由间隙，然后以尽快的速度（起跃时间不大于0.2s或加速度不小于100°/s）转动转向盘，使其达到预先选好的位置，并固定数秒直至所测变量达到新的稳定状态，试验中测量速度v、转向盘转角θ、侧向加速度ay、横摆角速度ωr、质心处侧偏角β、转向盘力矩M及车身侧倾角Φ。逐次改变转向盘转角θ，测定不同侧向加速度时的瞬态特性。二、试验方法1.转向盘角阶跃输入试验

本试验主要测定转向盘角脉冲输入时汽车的频率响应特性。角脉冲输入是指急速转动转向盘一定转角后，迅速返回原位置的操作过程，它在数学上相当于三角脉冲函数。汽车受此角脉冲输入产生的瞬态响应，用频率响应特性表示，频率响应特性分幅频特性和相频特性。幅频特性是指响应（输出）的幅值（汽车横摆角速度）与激励（输入）的幅值（转向盘或前轮转角）之比随频率f变化的函数；相频特性是输出与输入相位差随频率f变化的函数。2.转向盘转角脉冲输入试验

本试验的准备工作、汽车车速的确定同上一试验。试验时汽车以试验车速直线行驶，然后给转向盘三角脉冲输入，试验时向左（向右）转动转向盘，并迅速回到原处（允许及时修正方向）保持不动，直到汽车回到直线行驶位置。转向盘转角输入脉宽0.3s-0.6s，其最大转角应使本试验过渡过程中最大侧向加速度为4m/s2。试验中记录转向盘转角θ、横摆角速度ωr

、侧向加速度ay

、车速v。试验中，节气门开度不变，至少按向左、向右转动转向盘各三次进行试验。（1）响应时间t：以转向盘转角达到终值50％的时刻作为时间坐标的原点，到所测变量过渡到新稳态值90％的时刻为止，这一段时间间隔称为响应时间，也就是横摆减速度响应时间或侧向加速度响应时间(图11.13)。（2）峰值响应时间tp：以转向盘转角达到终值50％的时刻作为时间坐标的原点，到所测变量响应第一个峰值时止的一段时间间隔称为峰值响应时间。（3）横摆角速度超调量σ：横摆角速度超调量σ可按下式计算：三、试验数据处理1.转向盘角阶跃输入试验式中：rmax为横摆角速度响应最大值，rad/s；r0为横摆角速度响应稳态值，rad/s。（4）横摆角速度总方差Er：横摆角速度总方差Er可按下式计算：

(11一28)式中：θi为阶跃试验时转向盘转角输入值，(°)；

ri为汽车横摆角速度响应的瞬时值，rad/s；

θ0为阶跃试验时转向盘转输入的终值，(°)；

r0为汽车横摆角速度响应的新稳态值，rad/s；

n为采样点数，取至新稳态值时止；

Δt为采样时间间隔，s。（5）汽车因素TB：汽车因素TB是汽车横摆角速度峰值响应时间与汽车质心侧偏角的乘积。汽车质心侧偏角可由瞬态回转试验求得。计算幅频特性和相频特性并将数据结果记入数据表中。若无专门处理设备，可在计算机上处理。2.转向盘转角脉冲输入试验

转向回正性能试验是确定汽车转向回正力的一种试验。该试验评价汽车由曲线行驶自行恢复到直线行驶的能力。驾驶员松开转向盘前，转向盘力为定值，侧向加速度也为定值。驾驶员突然松开转向盘后，使转向盘力突然变为零，故实质上它是力阶跃输入反应，它反映了转向盘力与汽车运动之间的关系。转向回正性试验包括低速回正试验和高速回正试验。试验中测量汽车行驶速度、转向盘转角、横摆角速度、侧向加速度等。这种试验适用于轿车、客车、载货汽车及越野汽车。7.5转向回正试验一、试验作用

在试验场上用明显的颜色画出半径为15m的圆周。试验之前，汽车以侧向加速度为3m/s2的车速沿半径为15m的圆周行驶500m，以使轮胎升温。接通仪器电源，使仪器达到正常工作温度。二、试验方法1.试验前准备汽车沿半径为15±1m的圆周行驶．调整车速使侧向加速度达到4±0.2m/s2之后，稳定住车速并开始记录，待稳定3s后，驾驶员突然放开转向盘，至少记录松手后3s的汽车运动过程。记录时间内油门位置保持不变。对于侧向加速度达不到4±0.2m/s2的汽车，按侧向加速度为3±0.2m/s2进行试验；对于侧向加速度为3±0.2m/s2的汽车，可按试验汽车所能达到的最高侧向加速度进行试验。2.低速回正试验对于最高车速超过100km/h的汽车，要进行高速回正性试验。高速回正试验车速按试验车的最高车速的70％确定，并圆整到80km/h、100km/h或120km/h的车速进行试验。试验时，汽车以上述规定的试验车速在试验路段直线行驶，稳定车速，驾驶员转动转向盘使侧向加速度达到2±0.2m/s2，待稳定3s并开始记录后．驾驶员突然松开转向盘，至少记录松手后4s内汽车的运动过程。记录时间内油门位置应保持不变。低速、高速回正试验应向右转与向左转各3次。3.高速回正试验在由试验得到的转向盘转角时间历程曲线上，以松开转向盘的时刻定为时间坐标（横坐标）的原点。可按下述方法确定时间原点：松开转向盘前，汽车是以某一转向盘转角在绕圈行驶，转向盘转角时间历程曲线为一条平行于时间轴的直线。松开转向盘后，汽车开始回正过程，所记录曲线的初始一段为一条线性较好的曲线，一般可拟合为一条直线，此拟合直线与松开转向盘前的记录直线的延长线相交，其交点做为时间原点。汽车横摆角速度时间历程曲线可分两类：收敛型的与发散型的。对于单调发散的，不进行数据处理。对于振荡发散的，只计算自然频率。对于收敛的，计算如下评价指标：三、试验数据处理1.稳定时间（回正时间）及残留横摆角速度从时间坐标原点开始，到汽车横摆角速度达到某一数值（包括零值）并保持不变止。这一段时间定为稳定时间（回正时间）。到达稳定时刻的横摆角速度则称为残留横摆角速度。2.横摆角速度超调量横摆角速度超调量是横摆角速度响应第一个峰值超过稳态值的部分与稳态值之比。3.横摆角速度自然频率式中：Ai为横摆角速度过渡曲线的峰值，rad/s；Δti为横摆角速度过渡曲线峰值间的时间间隔，s。4.相对阻尼系数:可先求得衰减率D′后，再求得相对阻尼系数。求得衰减率D′后，可在图11.16上查得与其相对应的阻尼系数ζ，或用下式计算：当D′=0时，表明运动不衰减；当D′=l时，表明除了A1≠0外，其他幅值皆为零。5.横摆角速度响应总方差6.将向左转及向右转各三次试验的横摆角速度r与时间t的关系绘制成r—t图形低速回正性能试验和高速回正性能试验结果分别