第六章汽车操纵稳定性

汽车理论汽车的操纵稳定性预备知识

汽车转向系的功能、组成、构造及工作原理。中心思想

首先介绍操纵稳定性的基本概念（评价指标、轮胎侧偏特性），然后分析线性二自由度的汽车模型，最后介绍汽车行驶时的侧翻和侧滑。汽车理论第一节概述汽车理论

汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。

汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度，也是影响汽车安全性的重要因素之一。汽车的操纵稳定性包括两个相互关联的部分，即操作性和稳定性。

操纵性是汽车能够确切地响应驾驶员指令的能力。

稳定性是汽车抵抗改变其行驶方向的各种外界干扰(路面扰动或风扰动)，并保持稳定行驶而不失去控制，甚至翻车或侧滑的能力。汽车理论车辆坐标系和汽车主要运动形式汽车理论沿X方向：纵向运动；绕x方向：侧倾运动；沿Y方向：侧向运动；绕y方向：俯仰运动；沿z方向：上下运动；绕z方向：横摆运动。汽车操纵稳定性评价方法汽车理论汽车理论人--车闭环系统汽车理论汽车试验的两种评价方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，但很难给出定量评价数据。汽车理论汽车理论第二节轮胎的侧偏特性轮胎坐标系汽车理论地面作用在轮胎上的主要力和力矩：沿x方向：地面切向反作用力(纵向力)Fx;沿y方向：地面侧向反作用力(侧向力)Fy;沿z方向：地面法向反作用力Fz;绕x轴：翻转力矩Mx；绕y轴：滚动阻力矩My；绕z轴：回正力矩Mz；

汽车在行驶中由于受转向、路面倾斜、风力等引起的侧向力的作用，使轮心速度方向偏离车轮平面的现象。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。轮胎的侧偏现象汽车理论cFyuccFyucu′△

没有侧向滑移

有侧向滑移图有侧向力作用时刚性车轮的滚动u车轮中心沿Y轴方向若作用有侧向力Fy，相应地在地面上产生地面侧向反作用力FY，FY也称为侧偏力。当有地面侧向反作用力时，若车轮是刚性的，则可能发生两种情况：汽车理论实际上：车轮都不是刚性的，车轮存在侧向弹性，因此，即使侧向力Fy没有达到车轮与地面之间的附着极限，车轮的行驶方向也将偏离车轮平面的方向，即发生侧偏现象。轮胎的侧偏现象汽车理论具有侧向弹性的车轮在垂直载荷的作用下，车轮中心受到侧向力Fy，地面有相应的侧偏力Fy时具有下面的两种情况：车轮静止不滚动：轮胎胎面接地印迹的中心线与轮胎平面分开一个距离Δh，且平行。车轮滚动：接地印迹的中心线与轮胎平面错开，且有一夹角(侧偏角)，此时，车轮沿接地印迹的中心线方向滚动。轮胎不对称受力

产生的回正力矩汽车理论回正力矩——绕OZ轴的力矩

Tz是使转向车轮回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。在侧偏角<5时，侧偏力和侧偏角成线性关系。这时，式中，k称为侧偏刚度（N/rad）。为曲线在=0处的斜率。按轮胎坐标系，侧偏力和侧偏角总是反号，故侧偏刚度总是负值。轮胎的侧偏特性汽车理论侧偏特性主要是阐述侧偏力、回正力矩、侧偏角之间的关系。侧偏力与侧偏角的关系汽车理论影响轮胎侧偏特性的主要因素汽车理论影响轮胎侧偏弹性的主要因素是：轮胎结构参数轮胎的使用参数具体包括侧偏角、外倾角、垂直载荷、在接地印迹上的分布、路面附着系数、轮胎的纵向滑移率等垂直载荷增大，k增大；但垂直载荷过大，轮胎与地面接触区的压力变得极不均匀，k反而减小。汽车理论轮胎形式和结构参数的影响

a.子午线胎比斜交胎侧偏刚度高。

b.扁平率（=轮胎高度H/宽度B）小的轮胎侧偏刚度大。汽车理论

c.胎压大，则侧偏刚度大，但胎压太大侧偏刚度基本不变。试验时，可能通过改变减少胎压改变稳态试验结果。汽车理论附着椭圆一定侧偏角下，驱动力或制动力增加时，侧偏力逐渐有所减小，这是由于轮胎侧线弹性有所改变的关系。当纵向力相当大时，侧偏力显著下降，接近附着极限时，切向力已耗去大部分附着力，而侧向力能利用的附着力很小。路面对侧偏特性的影响路面干湿程度的影响路面越湿，最大侧偏力越小。薄水层的影响

路面有薄水层时，轮胎可能会完全失去侧偏力，这称为“滑水”现象。第二节线性二自由度汽车模型对前轮角输入的响应汽车理论汽车模型的简化*忽略转向系统的影响，直接以前轮转角为输入。*不考虑振动、侧倾、俯仰运动，认为汽车只作平行于地面的运动；*不考虑轮胎切向力、外倾角、空气阻力的影响；*忽略左右轮胎载荷变化引起的侧偏特性变化；*忽略轮胎回正力矩；*认为轮胎侧偏特性处于线性范围；*认为汽车沿x轴速度不变。汽车理论2.1二自由度汽车模型汽车理论---前轮转角(车轮旋转平面与汽车纵向的夹角)ab---汽车前后轴到质心的水平距

---横摆角速度

---质心处的侧偏角α1α2---分别为汽车前、后车轮上的侧偏角(车轮的旋转平面与车轮行驶速度方向之间的夹角)汽车理论二自由度汽车的运动微分方程：式中：u，v-汽车质心速度在x,y轴上的分量;-前轮转角；

k1，k2-前、后轮胎侧偏刚度；

a，b-汽车前后轴到质心的水平距离

；

-横摆角速度

-质心处的侧偏角汽车理论2.2瞬态响应、稳态响应汽车的时域响应可分为:不随时间变化的稳态响应和随时间变化的瞬态响应。汽车等速直线行驶是一种稳态，给汽车以转向盘角阶跃输入，一般汽车经短暂时间后便进入等速圆周行驶，这也是一种稳态，称为转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应。在等速直线行驶与等速圆周行驶这两个稳态运动之间的过渡过程便是一种瞬态，相应的瞬态运动响应称为转向盘角阶跃输入下的瞬态响应。汽车理论汽车稳态响应稳态下汽车平面运动方程为消去v后，得：汽车理论

式中：

—稳态横摆角速度增益，也叫转向灵敏度；

K—稳定性因数（s2/m2）(K值与汽车的质量、质心位置以及前后车轮的侧偏刚度有关，它是汽车本身具有的一个特性)；

—横摆角速度；

u—车速；δ—前轮转角；

m—汽车质量；L—轴距；

a，b—汽车质心到前后轴的距离；

k1，k2—前后轮侧偏刚度。汽车理论上式表明：汽车转向半径与汽车的行驶速度、稳定性因数、汽车转向轮转角之间的关系，也说明了转向半径随上述参数变化情况。汽车理论汽车理论汽车稳态响应的类型稳定性因数K是表征汽车稳态响应的一个重要的参数。随着汽车行驶车速的变化，汽车的稳态响应可以按照稳定性因数K的数值分为：中性转向不足转向过度转向三种稳态响应汽车理论

K=0时，汽车稳态响应为中性转向。这时，转向半径，汽车的转向半径与其行驶速度无关，无论行驶速度怎么改变，只要保持前轮的转向角保持不变，汽车的转向半径不变。这是在汽车以极低车速而无侧偏时的转向几何关系。但实际上汽车在转向过程中，即使车速低，内外前轮的转向角并不相等，且不等于。外侧的比稍小，内侧的比稍大。汽车中性转向（NeutralSteer,NS）汽车理论汽车理论汽车稳态横摆角速度增益曲线汽车理论在不同的车速下汽车的稳态横摆增益曲线，给出了在稳定性因数分别为0、大于0、小于0三种状态下对应的汽车的三种转向特性。

K>0称为不足转向。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比中性转向时较小。在中性转向的汽车稳态增益曲线下方，且随着汽车行驶速度的增加，曲线呈现向下的趋势。随着稳定性因数的增大，横摆角速度增益曲线越低，不足转向量越大。汽车不足转向UnderSteerUS汽车理论特征车速汽车理论特征车速是表征不足转向的一个参数。随着K值的增大，特征车速减小。汽车理论以一定的前轮转角和一定的行驶速度作圆周运动，若速度增加，汽车将从原来的回转圆驶出而形成一个比原来半径更大的回转圆。若保持前轮的转角不变，随着汽车的行驶速度的增大，而仍要保持原来的半径作圆周运动时就显得前轮转角不足，呈现不足转向的特性。汽车理论中性转向下：P136页图汽车理论

K<0称为过多转向。过多转向汽车加速时，和中性转向相比，稳态横摆角速度增益较大，但R=，故转向半径随车速增大而减小。显然，当时，=

。这时较小的前轮转角都会导致激转而翻车。为了保持良好的操纵稳定性，汽车都应当具有适度的不足转向。汽车过多转向OverSteerOS

汽车理论汽车理论临界车速汽车理论过多转向的汽车当行驶速度达到临界车速时将失去稳定性(因为在临界车速附近时，横摆角速度增益趋于无穷大，只要极其微小的前轮转角便会产生极大的横摆角速度)。由于过多转向的汽车易失去稳定性，故汽车都应具有适度的不足转向特性。汽车理论例P1596-8汽车理论

式中：

—稳态横摆角速度增益，也叫转向灵敏度；

K—稳定性因数（s2/m2）；

—横摆角速度；

u—车速；δ—前轮转角；

m—汽车质量；L—轴距；

a，b—汽车质心到前后轴的距离；

k1，k2—前后轮侧偏刚度。知识点回顾：三种稳态响应汽车稳态横摆角速度增益曲线表征稳态响应的参数1、前、后轮侧偏角绝对值之差如果不知道轮胎侧偏刚度和汽车其他参数，只能通过实验判断汽车稳态特性。测出前、后轮侧偏角绝对值之差，即可求出稳定性因数K来。并注意到因ay为正时，Fy1，Fy2为正，1，2为负。ay为负时，Fy1，Fy2为负，1，2为正。故故>0时，K>0不足转向<0时，K<0过多转向=0时，K=0中性转向当侧向加速度大于0.3-0.4g后，前后侧偏角之差和侧向加速度一般进入非线性区域。在大侧向加速度下，许多汽车稳态特性发生显著变化。前后侧偏角之差与转向半径的关系注意到有代入，有得到前后侧偏角绝对值之差与转向半径的关系2、转向半径比此即车速为u时的转向半径R与初始半径（车速极低时的转向半径）R0之比。根据前式有显然有：若R>R0

时，K>0不足转向若R=R0

时，K=0中性转向若R<R0

时，K<0过多转向3、静态储备系数

1）中性转向点及其位置的确定

从前式可知，如前后轮侧偏角相等，则K=0。

设想汽车质心逐渐移动，转向时前后轮产生的侧向力分配将逐渐变化，侧偏角也相应变化。如果前后轮产生同一侧偏角，则其对应侧向力的合力作用点称为中性转向点。图中c点是质心位置，cn是中性转向点。汽车向右转向。

中性转向点到前轮中心的距离为：当轮胎和轴距一定时，中性转向点到前轮中心的距离便确定。注意到汽车作稳态圆周运动时，横摆角加速度为0，前后轮实际侧偏力合力作用点即在质心位置。如质心在Cn前，前轮侧偏力增大，侧偏角增大；后轮侧偏力减少，侧偏角减少，即。如质心在Cn后，。定义静态贮备系数SM为：当a’=a时，汽车质心和cn重合，SM=0,,K=0当a’>a时，汽车质心在cn前，SM>0,,K>0当a<a’时，汽车质心在cn后，SM<0,,K<0第四节汽车行驶时的侧翻和侧滑汽车侧翻汽车侧滑提高汽车操作稳定性的控制系统动态稳定控制系统（DSC）电子稳定程序控制系统（ESP）一、汽车侧翻汽车侧翻是指汽车在行驶过程中绕其纵轴线转动90°或更大的角度，以至车身与地面相接触的一种危险的侧向运动。汽车侧翻大体上可分为两类，一类是曲线运动引起的侧翻(ManeuverInducedRollover)，汽车在道路(包括侧向坡道)上行驶时，由于汽车的侧向加速度超过一定限值，使得汽车内侧车轮的垂直反力为零而引起的侧翻；另一类是绊倒侧翻(TripedRollover)汽车行驶时产生侧向滑移，与路面上的障碍物侧向撞击而将其“绊倒”。1.刚性汽车的准静态侧翻

刚性汽车指忽略汽车悬架以及轮胎的弹性变形而将汽车简化为一个刚体。准静态指汽车作稳态的转向运动。汽车的质量汽车作稳态转向运动时的侧向加速度道路的侧向坡道角作用在汽车内外侧车轮上的法向反作用力作用在汽车内外侧车轮上的侧向力轮距如汽车在水平路面上直线行驶时，则。内、外侧车轮上的垂直反力为。当汽车作曲线行驶时，。若仍要保持汽车内外侧车轮上的垂直反力不变，则根据上式，道路的侧向坡道角应满足

。一般高速公路在拐弯处的坡道角就是根据此原理设计的，内侧低，外侧高，从而提高汽车的稳定性和行驶速度。随着侧向加速度的增大，内侧车轮的垂直反力减小，发生内、外侧车轮上的转移现象。但内侧车轮的垂直反力减小到0时，即在作曲线行驶时，汽车的内外侧车轮上的载荷转移达到了100%。汽车在侧倾平面内不再能保持平衡，开始侧翻。汽车开始侧翻时所受到的侧向加速度成为侧向阈值。可由下式给出（考虑）道路的坡道角很小当汽车在水平路面上作稳态圆周运动时，则不发生侧翻的条件可写为2、带悬架汽车的准静态侧翻与刚性汽车的侧翻模型不同，带悬架汽车的模型将汽车的质量分解为悬挂质量和非悬挂质量两部分。车厢用悬挂质量表示。在曲线行驶时，车厢的侧倾引起汽车质心位置的偏移，从而改变了汽车自重的抗侧翻能力，使得侧翻阈值减小。带悬架汽车的准静态侧翻的侧翻阈值可表示为3.汽车的瞬态侧翻准静态汽车的侧翻只是实际汽车作曲线运动的简化，即假设了汽车的侧向加速度的变化较慢。汽车瞬态侧翻阈值比准静态小。一般在阶跃输入时，汽车的瞬态侧翻阈值比准静态时低30-50%。4.汽车防侧翻的控制利用汽车内外侧车轮上的载荷转移系数作为控制的门槛值。一般情况下LTR的极限值取0.9.二、汽车的侧滑汽车的侧滑是指汽车在作高速曲线运动或制动过程中，由于侧向附着力达到了附着极限状态，引起的汽车剧烈的回转运动。侧滑是汽车交通事故最常见的原因之一。汽车作圆周运动时，不发生侧滑的条件可写为三、提高汽车操作稳定性的控制系统汽车加速、制动或转向时，如果驾驶员对路面情况改变的反应和操作不及时或不准确（驾驶员一般只能在汽车侧偏角2～4°内对汽车侧滑进行有效纠正）而侧滑，将造成汽车失控导致交通事故。美国一项统计显示，车速在80～100km/h时，40%的车祸与汽车侧滑失控有关；车速超过160km/h时，几乎100%的车祸与侧滑失控有关。随着高速公路的发展，车速的提高，汽车侧滑造成事故的可能性也不断提高。为了确保车辆高速行驶的安全性，在车上装置汽车稳定性控制系统十分必要，而现代电子技术的发展也为其研制成功奠定了基础。三、提高汽车操作稳定性的控制系统汽车稳定性控制系统的功能是控制车辆的横摆力矩，把车轮侧偏角限制在一定范围内，其目的包括：保证汽车在制动和加速时的方向稳定性和可控性；保证转向时不出现过量的不足转向（Understeer）和过度转向（Oversteer）；增强汽车的转向反应和轨迹跟踪性能；缩短制动距离，改善牵引性能。汽车动力学稳定性控制系统（DSC）是汽车主动安全电控系统的重要研究前沿，是继ABS之后需要进行重点突破的汽车主动安全控制系统。动态稳定控制系统（DSC）电子稳定程序控制系统（ESP）DSC动态稳定控制系统-简介

DSC：Dynamicstabilitycontrol动态稳定控制系统它对车身姿态的修正方式：当车辆在高速入弯瞬间，在特定的条件下，有可能发生转向不足的情况。DSC系统会根据当时的车速，侧向加速度，车身的转角速率及方向盘转向角度等信息。针对转向内侧的后轮单独实施制动，并调整发动机的扭矩输出，让车身姿态维持在理想的过转弯轨迹上，将转向不足情况修正到最低。DSC动态稳定控制系统-简介

一汽马自达6轿车在国内中高档轿车中以配备技术水平较高见长。排量2.3L的马自达6轿车配备了动态稳定控制系统（DSC），使得马自达6轿车在车辆的通过平顺性和操控的准确和稳定性方面达到了较高的水平。尤其是在连续转弯的道路上行驶时对车辆实施的精确控制方面，提高了车辆的主动安全性能。

DSC动态稳定控制系统动态稳定控制系统（DSC）是一种新型主动安全系统，它整合了较多的控制系统，包括防抱制动系统（ABS）、电子制动力分配系统（EBD）、电控辅助制动系统（EBA）、牵引力控制系统（TCS）。DSC系统是在包含以上系统基础上，增加了车辆转向行驶时横摆率传感器，侧加速传感器和转向盘转角传感器，通过这些传感器发出的信号监测车辆的状态和驾驶员的需求。当路面状况改变使车辆行驶偏离驾驶员的预定方向或制动车轮打滑时，电控单元（ECU）发出控制前后、左右车轮驱动力和制动力的指令，以实时修正过度转向、不足转向或车轮打滑等不利于安全的倾向。

DSC动态稳定控制系统DSC系统具有如下优点：控制所有关键的侧向动力学运动状态获得最大安全性能；在驾驶员因为惊恐造成急转时，主动控制转向程度提高汽车的稳定性；提高汽车在各种工况下的稳定性和驱动性能；通过在物理参数限制范围之内提高操纵稳定性使得驾驶员能集中精力于交通状况：同ABS、EBD、EBA和TCS相比提高了转向能力和稳定性。DSC动态稳定控制系统DSC技术主要由马自达公司和宝马公司采用相类似的技术有保时捷公司的保时捷稳定管理系统PSM（PorscheStabilityManagement）、奔驰公司和奥迪公司的电子稳定程序系统ESP（ElectronicStabilizationProgram）和沃尔沃公司的动态稳定牵引控制系统DSTC（DynamicStabilityTractionControl）等。名称虽不相同，但在设计目标、控制策略、追求的性能上大体是相同的。电子稳定程序系统(ElectricStabilityProgram)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

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（驱动防滑系统，又称牵引力控制系统）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系统工作原理ESP的三大特点

1.实时监控：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。

ESP是如何工作的?

ABS/TCS系统就是要防止在车辆加速或制动时出现我们所不期望的纵向滑移。而ElectronicDynamicControl/ESP就是要控制横向滑移。他是各种工况下的一个主动安全系统，处理各种异常情况，减轻驾驶员的精神紧张及身体疲劳。

只要ESP识别出驾驶员的输入与车辆的实际运动不一致，它就马上通过有选择的制动/发动机干预来稳定车辆。

如果单独制动某个车轮不足以稳定车辆，ESP将通过降低发动机扭矩输出的方式或制动其它车轮来满足需求。

DSTCDSTCDynamicStabilityTracingControl(动态稳定牵引控制)为了使行驶更加稳定，全新XC60上的DSTC（动态稳定与牵引力控制）系统实现了进一步的完善。DSTC可以计算司机预计的行驶方向与汽车实际行驶方向之间的偏差。同时，进一步完善的DSTC还能够计算车辆的侧倾率，监测逐渐累积的打滑情况。如果司机在转向时突然松开加速踏板，比如在驶离公路稍稍有些过晚时，就可能发生这种情况。通过测量侧倾率，DSTC能够提前以更高的