汽车使用性能操纵稳定性

汽车使用性能操纵稳定性第1页，共47页，2023年，2月20日，星期日1.侧向稳定性侧向稳定性是指汽车抵抗侧翻和侧滑的能力。侧向稳定性条件若汽车转弯行驶满足一定条件，则不会产生侧向翻车和滑移。不侧滑的最高车速设汽车在弯道行驶时，不发生侧向滑移的最高车速为一、汽车行驶稳定性第2页，共47页，2023年，2月20日，星期日汽车行驶稳定性画受力图分析（汽车在横向坡度角为β的路面等速向左转向行驶）

由图列方程并整理得不侧滑的最高车速为：第3页，共47页，2023年，2月20日，星期日汽车行驶稳定性不侧翻的最高车速

设汽车在弯道行驶时，不发生侧向翻车的最高车速为

由图列方程并整理得不侧翻的最高车速为：第4页，共47页，2023年，2月20日，星期日汽车行驶稳定性翻车和侧滑相比，翻车导致的后果更为严重。因此，为使行车安全，应使侧滑发生在侧翻之前，即：这样汽车一旦侧滑，车速就不可能提高，因而保证不会翻车。由此推得的结论是：式中的称为汽车侧向稳定性系数，它反映了汽车抗侧翻的能力。该式表明：当侧向稳定性系数大于路面附着系数时，汽车侧翻不可能发生。因此，当汽车的轮距越大，质心高度越低，侧向稳定性系数越大，则汽车抗侧翻的稳定性就越好。

汽车侧向稳定性系数第5页，共47页，2023年，2月20日，星期日汽车行驶稳定性

GB7258－2004《机动车运行安全技术条件》中规定：车辆在空载、静态状态下，向左侧和右侧倾斜最大侧倾稳定角，双层客车不允许小于28°；总质量为车辆整备质量的1.2以下的车辆不允许小于30°；卧铺客车不允许小于32°。在国外，有的国家对轿车的抗侧翻能力，规定了检验的高标准和低要求。高标准是指在平坦的水泥或沥青路面的场地上，以任意的行驶速度和转向组合操纵，都不得翻车。低要求是：在平坦坚实的场地上，以

50km/h和80km/h的车速行驶，以500度/秒的角速度把转向盘转过180°，不得翻车；在平坦的水泥或沥青路面的场地上，成一直线布置11根标杆，间距为30m，汽车以72km/h的车速绕杆行驶，不得翻车。

侧向稳定性标准第6页，共47页，2023年，2月20日，星期日汽车行驶稳定性

纵向稳定性是指汽车上坡或下坡时，汽车抵抗绕后轴或前轴翻车的能力。汽车不纵翻的最大道路坡度角

当道路的纵向坡度角较大时，汽车重力沿纵向坡道的分力可能导致汽车的纵翻。研究分析表明，汽车等速行驶时，上坡比下坡更容易纵翻；上坡行驶时，后轮驱动的汽车更容易纵翻。因此，下面以4×2后轮驱动汽车等速上坡为例说明汽车不产生纵翻的条件。

2.纵向稳定性第7页，共47页，2023年，2月20日，星期日汽车行驶稳定性汽车上坡时的受力分析后轮驱动、匀速上坡、令Fw=0，Tf=0G第8页，共47页，2023年，2月20日，星期日汽车行驶稳定性上坡不翻车的最大坡度角αmax

当Fz1=0

时，失去转向能力，并可能产生纵向翻倒。由，令Fz1=0

，解得：由上式知：b↑，hg↓，αmax则越大，越不易纵翻。第9页，共47页，2023年，2月20日，星期日汽车行驶稳定性驱动轮不滑转的最大道路坡度角设后轮刚发生滑转的的道路坡度角为由受力图知：联立解得：G

第10页，共47页，2023年，2月20日，星期日汽车行驶稳定性汽车纵向稳定性条件

（后轮驱动）滑转应在纵翻之前发生，即：

联立解得纵向稳定性条件

:

正常装载情况下，上式能满足。下述情况应注意：装运重心高的货物，hg↑

装点太靠后，b↓

路面条件差，纵向坡度角较大。一般汽车因a＞b，故下坡时纵翻的危险性较小。第11页，共47页，2023年，2月20日，星期日二、汽车转向特性

概念1.轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏现象第12页，共47页，2023年，2月20日，星期日轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏现象不仅影响车轮的运动轨迹，同时使轮胎的滚动损失增加，并加剧了轮胎的磨损，是不利的，但它是不可避免的。轮胎侧偏示意图

概念第13页，共47页，2023年，2月20日，星期日轮胎的侧偏特性侧向力Fy和侧偏角α的关系曲线，称为轮胎的侧偏特性。

轮胎的侧偏特性第14页，共47页，2023年，2月20日，星期日轮胎的侧偏特性

在侧偏角不超过可4°～5°时，侧偏力Fy与侧偏角α成线性关系，可由下式表示：式中k—侧偏刚度，其单位为N/（°）或N/rad，它表示轮胎侧偏一度或一弧度所需的侧偏力。

α通常在3°以内，一般不超过5°。αFy12FZφ轮胎的侧偏特性1－子午线轮胎；2－普通斜交轮胎轮胎的侧偏特性第15页，共47页，2023年，2月20日，星期日轮胎的侧偏特性

轮胎的侧偏刚度是决定操纵稳定性的重要轮胎参数，轮胎应有较高的侧偏刚度，以保证汽车良好的操纵稳定性。轮胎的结构型式、轮胎气压、垂直载荷对其侧偏刚度影响较大。尺寸较大的轮胎，承载能力大，κ较大；宽系列轮胎，有较大的接地面积，κ较大，采用宽系列轮胎，是目前提高κ的主要措施；子午线轮胎接地面宽，κ值比普通斜交轮胎大；垂直载荷大，变形大，接触面大，轮胎局部侧滑倾向减少，相当于κ增大，但载荷超过150%额定载荷时，轮胎与地面接触区的压力变得极不均匀，反而使κ减小；轮胎气压降低，轮胎更富有弹性，κ减小。

影响侧偏刚度的因素第16页，共47页，2023年，2月20日，星期日2.汽车转向运动学刚性车轮转向几何关系根据图中的转向几何关系可推得：

R0=L/tanδ

当前轮转角不大时，

tanδ≈δ，δ用弧度表示，于是上式可写成：

R0=L/δ

第17页，共47页，2023年，2月20日，星期日汽车转向运动学设前轮转过δ角后作稳态等速圆周行驶，在离心力作用下，前后车轮均受到侧向力的作用，其弹性车轮产生了侧偏现象，前、后轴车轮产生的侧偏角为α1、α2，相应的速度方向变为VA′、VB′，转向瞬心变为O′，转向半径变为R，根据图中的转向几何关系可推得：

R=L/[tan（δ-α1）+tanα2]

当转角不大（高速行驶δ不大）时，tan（δ-α1）+tanα2≈δ－α1＋α2，则有：

R=L/[δ-（α1－α2）]

结论：

弹性车轮汽车处于转向运动状态时，由于轮胎的侧偏现象，使汽车的运动轨迹不同于刚性车轮。

弹性车轮转向几何关系第18页，共47页，2023年，2月20日，星期日3.汽车稳态转向特性稳态转向特性概念

汽车稳态转向特性是指转向工况不随时间而变的汽车行驶状况，即没有外界扰动，车速恒定，转向盘指令固定不变，汽车的输出运动达到稳定平衡状态。

汽车模型车辆坐标系

第19页，共47页，2023年，2月20日，星期日简化的汽车模型☆忽略转向系影响，直接以前轮转角作为输入；☆汽车只进行平行于地面的平面运动，而忽略悬架的作用；☆汽车前进（纵轴）速度不变，只有沿y轴的侧向速度和绕z轴横摆运动；☆驱动力不大，对侧偏特性无影响；☆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；☆忽略回正力矩的变化。第20页，共47页，2023年，2月20日，星期日汽车稳态转向特性稳态响应

操纵汽车时，可以将汽车看成一个能施加输入信号的控制系统。转向时驾驶员所给出的前轮转角δ是对系统的输入，而汽车的输出运动如等速圆周运动就是系统的响应。通常将稳态横摆角速度ωz视为系统响应的一个重要参数。常用输出与输入的比值，如稳态横摆角速度与前轮转角之比来评价稳态响应。称为稳态横摆角速度增益，也称转向灵敏度。第21页，共47页，2023年，2月20日，星期日汽车稳态转向特性稳定性因数的计算如下：

式中

K—称为稳定性因数（s2/m2）。稳定性因数K是表征汽车稳态转向特性的一个重要参数，它把汽车结构参数m、L、a、b、κ1、κ2与稳态转向特性定量地联系起来，以便从设计上保证汽车具有适当的转向特性。现代轿车在侧向加速度为0.3g时的平均K值约为0.002s2/m2。第22页，共47页，2023年，2月20日，星期日汽车稳态转向特性转向特性类型若将弹性车轮的转向半径与刚性车轮转向半径比较，可将汽车的转向特性分为不足转向特性、中性转向特性和过多转向特性。若α1=α2，则R=R0，称汽车具有中性转向特性。若α1＞α2，则R＞R0，称汽车具有不足转向特性。若α1＜α2，则R＜R0，称汽车具有过多转向特性。第23页，共47页，2023年，2月20日，星期日汽车稳态转向特性转向特性表征用稳定性因数K表征

过多转向K＜0不足转向K＞0中性转向K=0第24页，共47页，2023年，2月20日，星期日若K=0，则R=R0，汽车转向半径R和刚性车轮转向半径R0相同，汽车具有中性转向特性。中性转向特性汽车的转向灵敏度与车速的变化关系曲线，如图所示。汽车稳态转向特性

中性转向第25页，共47页，2023年，2月20日，星期日汽车稳态转向特性若K＞0，则R＞R0，汽车具有不足转向特性，K值越大，不足转向量越大。

当δ一定时,随着车速↑其R↑。转向灵敏度比中性转向汽车的小。特征车速不足转向汽车转向灵敏度达到最大值时所对应的车速。

不足转向第26页，共47页，2023年，2月20日，星期日汽车稳态转向特性若K＜0，则R＜R0，汽车具有过多转向特性，K的绝对值越大，过多转向量越大。当δ一定时，随着车速↑其R↓。转向灵敏度比中性转向汽车的大。临界车速过多转向汽车转向灵敏度趋于无穷大时所对应的车速。

过多转向第27页，共47页，2023年，2月20日，星期日汽车稳态转向特性用α1-α2差值表征α1-α2=0，说明R=R0，汽车具有中性转向特性。α1-α2＞0，说明R＞R0，汽车具有不足转向特性。α1-α2＜0，说明R＜R0，汽车具有过多转向特性。第28页，共47页，2023年，2月20日，星期日汽车稳态转向特性用转向半径比值表征R/R0=1，中性转向。R/R0＞1，不足转向，V↑，R/R0↑。R/R0＜1，过多转向，V↑，R/R0↓。R/R01V不足过多中性第29页，共47页，2023年，2月20日，星期日汽车稳态转向特性汽车转向特性检测测定前，在平坦的坚硬广场上画R0=15m的圆道印迹。测定时，汽车开始以最低稳定车速沿半径15m的圆道印迹作等速圆周行驶，并保持汽车转向盘的转角不变，再采用逐级加速法或连续加速法提高汽车的车速，然后根据汽车加速行驶后车轮的行驶轨迹定性判断汽车的稳态转向特性，如图所示。第30页，共47页，2023年，2月20日，星期日4.转向稳态转向特性对操纵稳定性的影响转向稳定性第31页，共47页，2023年，2月20日，星期日过多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z/就趋于无穷大，必将导致汽车急转而发生侧滑或侧翻。不足转向汽车稳定性好，但转向灵敏性差，在相同的弯道行驶时，前轮的转角较大，驾驶者应多转一下转向盘。中性转向汽车趋于两者之间，但有向过多转向变化的危险。第32页，共47页，2023年，2月20日，星期日中性转向特性汽车运动简图

中性转向直行抗干扰能力差，驾驶麻烦，轮胎磨损严重

直行抗干扰能力第33页，共47页，2023年，2月20日，星期日无直行抗干扰能力，驾驶操纵性差，是一种不稳定的转向特性

过多转向过多转向特性汽车运动简图第34页，共47页，2023年，2月20日，星期日直行抗干扰能力强，驾驶操纵性好，现代汽车均采用不足转向特性

不足转向不足转向特性汽车运动简图第35页，共47页，2023年，2月20日，星期日汽车稳态转向特性

不足转向特性的汽车具有良好的操纵稳定性，所以现代汽车都采用不足转向特性。人们已习惯于驾驶具有不足转向特性的汽车，知道如何控制转向盘使汽车遵循期望的路径行驶。若汽车的转向特性因使用因素的变化而突然发生改变，由于驾驶者的经验不适应新的、不良的转向特性，则转弯时就有可能出现汽车失控而造成事故。

三者比较结论第36页，共47页，2023年，2月20日，星期日三、影响汽车操纵稳定性的因素

1．汽车质心位置变化

若质心前移，转向时前轮的侧偏力增大，使前轮的侧偏角增大，从而增加了汽车的不足转向量；反之，质心后移，就减少了汽车的不足转向量，或汽车趋向于过多转向特性。第37页，共47页，2023年，2月20日，星期日影响汽车操纵稳定性的因素

2.汽车前后轴载荷分配与车轮侧偏刚度的匹配

在汽车设计及改装中，应使前后轴载荷分配与车轮的侧偏刚度相适应，使稳定性因数K>0，以保证汽车的不足转向特性。第38页，共47页，2023年，2月20日，星期日影响汽车操纵稳定性的因素

3．汽车的驱动型式转向时施加于驱动轮上的切向力增加，车轮的侧偏刚度将下降。因此，后轮驱动车辆，转向时有减少不足转向特性、向过多转向特性变化的趋势；前轮驱动车辆，转向时有增加不足转向特性的趋势。第39页，共47页，2023年，2月20日，星期日4．汽车车轮轮胎气压的变化轮胎充气压力

↑，k↑。因此前轮胎充气压力↑，则汽车趋于过多转向特性。同理可分析前后轮胎充气压力变化对转向特性的影响。

第40页，共47页，2023年，2月20日，星期日汽车车轮轮胎结构宽系列轮胎子午线轮胎

轮胎的结构不能随意更换αFy12FZφ轮胎的侧偏特性1－子午线轮胎；2－普通斜交轮胎

车轮平衡

高速行驶的汽车，若车轮特别是转向轮不平衡，则会引起车轮的跳动和摆振，使汽车行驶方向难以控制，严重影响汽车的操纵稳定性。因此，高速行驶的汽车其车轮必须动平衡。

第41页，共47页，