§汽车的转向特性

§4汽车操纵稳定性

§4.1汽车的转向特性姜泽林§4汽车操纵稳定性任务引入

汽车在其行驶过程中，会碰到各种复杂的情况，有时汽车会沿直线行驶，有时汽车会沿曲线行驶（如弯路）。在出现意外情况时，驾驶员还要作出紧急的转向操作，以求避免事故。此外，汽车还要经受来自地面不平、坡道、大风等各种外部因素的干扰。对不对？这些都要求汽车有操纵上的稳定，因此今天我们通过分析影响汽车操纵稳定性各方面的因素，掌握他们的检测方法，为我们今后的工作打下扎实的基础。§4汽车操纵稳定性所以一辆操纵性能良好的汽车必须要具备以下的能力：（1）根据道路、地形和交通情况的限制，汽车能够正确地遵循驾驶员通过操纵机构所给定的方向行驶的能力——汽车的操纵性。（2）汽车在行驶过程中具有抵抗力图改变其行驶方向的各种干扰，并保持稳定行驶的能力——汽车的稳定性。操纵性和稳定性有紧密的关系：操纵性差，导致汽车侧滑、倾覆，汽车的稳定性就破坏了。如稳定性差，则会失去操纵性，因此，通常将两者统称为汽车的操纵稳定性。§4汽车操纵稳定性说明

汽车的操纵稳定性，是汽车的主要使用性能之一，随着汽车平均速度的提高，操纵稳定性显得越来越重要。它不仅影响着汽车的行驶安全，而且与运输生产率与驾驶员的疲劳强度有关。§4汽车操纵稳定性提问：有哪些因素会影响汽车的操纵稳定性呢？

§4.1汽车的转向特性如：轮胎、转向装置、悬架等。

本堂课我们我们就对这些因素一一进行分析，希望通过学习，大家能掌握车辆坐标系的有关术语，了解影响侧偏特性的因素，掌握轮胎回正力矩与侧偏特性的关系；熟练掌握汽车的稳态转向特性及其影响因素；了解汽车转向轮的振动。这也是我们本堂课学习的目标。§4汽车操纵稳定性重点车辆坐标系的有关术语，影响侧偏特性的因素，轮胎回正力矩与侧偏特性的关系；汽车的稳态转向特性及其影响因素难点影响侧偏特性的因素，轮胎回正力矩与侧偏特性的关系；汽车的稳态转向特性及其影响因素§4汽车操纵稳定性§4.1汽车的转向特性一、轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性是研究汽车操纵稳定性理论的出发点。1、轮胎的坐标系与术语§4汽车操纵稳定性

图4.1车轮坐标系图4.1示出车轮的坐标系，其中车轮前进方向为轴的正方向，向下为轴的正方向，在轴的正方向的右侧为轴的正方向。（1）车轮平面垂直于车轮旋转轴线的轮胎中分平面。（2）车轮中心车轮旋转轴线与车轮平面的交点。（3）轮胎接地中心车轮旋转轴线在地平面（平面）上的投影（轴），与车轮平面的交点，也就是坐标原点。（4）翻转力矩地面作用于轮胎上的力，绕轴的力矩。图示方向为正。（5）滚动阻力矩地面作用于轮胎上的力，绕轴的力矩。图示方向为正。（6）回正力矩地面作用于轮胎上的力，绕轴的力矩。图示方向为正。（7）侧偏角轮胎接地中心位移方向（车轮行驶方向）与轴的夹角。图示方向为正。（8）外倾角平面与车轮平面的夹角。图示方向为正。2、轮胎的侧偏现象 如果车轮是刚性的，在车轮中心垂直于车轮平面的方向上作用有侧向力。当侧向力不超过车轮与地面的附着极限时，车轮与地面没有滑动，车轮仍沿着其本身行驶的方向行驶；当侧向力达到车轮与地面间附着极限时，车轮与地面产生横向滑动，若滑动速度为Δu，车轮便沿某一合成速度u′方向行驶，偏离了原行驶方向，如图4.2所示。

图4.2有侧向力作用时刚性车轮的滚动当车轮有侧向弹性时，即使没有达到附着极限，车轮行驶方向也将偏离车轮平面的方向，这就是轮胎的侧偏现象。下面讨论具有侧向弹性车轮，在垂直载荷为的条件下，受到侧向力作用后的两种情况：（1）车轮静止不动时由于车轮有侧向弹性，轮胎发生侧向变形，轮胎与地面接触印迹长轴线与车轮平面不重合，错开Δh，但仍平行于，如图4.2a所示。（2）车轮滚动时接触印迹的长轴线，不只是和车轮平面错开一定距离，而且不再与车轮平面平行。图5.5b示出车轮的滚动过程中，车轮平面上点Al、A2、A3、…依次落在地面上，形成点、、…，点、、的连线与的夹角，即为侧偏角。车轮就是沿着方向滚动的。显然，侧偏角的数值是与侧向力有关的。

图4.3轮胎的侧偏现象

a)静止b)滚动3、轮胎的侧偏特性

图4.4轮胎的侧偏特性图4.4所示为一轮胎的侧偏力～侧偏角关系曲线。曲线表明，侧偏角不超过3°～4°时，可认为与成线性关系。随着的增大，增大较快，轮胎产生滑移。汽车正常行驶时，侧向加速度一般不超过（0.3～0.4）g，侧偏角不超过4°～5°，故可认为侧偏力与侧偏角成线性关系，可用下式表示：（4.1）式中k——侧偏刚度[N/（°）]，其值应为负值，汽车用低压轮胎k值在300～1000N/(°）。试验表明，潮湿地面上最大侧偏力减小，但直线段的侧偏刚度无多大变化。垂直载荷对侧偏特性有很大影响。图4.5表明，垂直载荷增大后，最大侧偏力增加。侧偏刚度随垂直载荷的增加而加大。这是因为，轮胎的垂直载荷越大，附着力就越大，轮胎侧滑的倾向就越小，最大侧偏力增大。但垂直载荷过大时，轮胎产生剧烈的径向变形，侧偏刚度反而有所下降。

图4.5垂直载荷对侧偏特性的影响

a)图b)图轮胎的型式和结构参数对轮胎侧偏特性有显著影响。尺寸较大的轮胎，侧偏刚度一般较大。尺寸相同的子午线轮胎和斜交轮胎相比，子午线轮胎具有较大的侧偏刚度。同一型号、同一尺寸的轮胎，帘布层越多、帘线与车轮平面的夹角越小、气压越高、侧偏刚度越大。另外，轮辋的型式对侧偏刚度亦有影响。装有宽轮辋的轮胎，侧偏刚度较大。4、回斯正力矩（增绕轴的力流矩）图4.6闲回正力暖矩的产生在轮胎发夹生侧偏时井，还会产教生图4.孤3所示作吉用于轮胎祥绕轴的力桨矩。圆周连行驶时，爬是使转向化车轮恢复蚁到直线行注驶位置的任主要恢复堵力矩之一截，称为回圣正力矩。回正力坛矩是由烤接地面衰内分布谣的微元枕侧向反夜力产生辅的。由秘图5.贞5可知鹅，车轮蜘在静止日时受到旷侧向力垫后，印厅迹长轴绒线与车尿轮平面面平行，爹错开Δ烈h，即买印迹长蒜轴线上酸各点的率横向变觉形（相破对于平务面）均沉为Δh船，故可定以认为筋地面侧诵向反作转用力沿垦线是均额匀分布嫌的。车惭轮滚动谢时，印垮迹长轴核线不仅仍与车轮示平面错晃开一定势距离，能而且转吩动了角皆，因而迁印迹前药端离车次轮平面优近，侧济向变形伴小；印犬迹后端缓离车轮借平面远挣，侧向散变形大赚。可以晒认为，鼓地面微永元侧向将反作用肆力的分四布与变胖形成正孝比，故检地面微外元侧向虹反作用配力的分备布情况甜如图5棒.8b舌所示，债其合力筒的大小摇与侧向划力相等抓，但其蔽作用点登必然在御接地印振迹几何稿中心的准后方，鱼偏移某稍一距离汪e，e察称为轮尺胎拖距存，就是育回正力宴矩。在增加时蚕，接地印跪迹内地面韵微元侧向阻反作用力爽的分布情救况如图5尼.8c所旬示。增大肌至一定程枣度时，接迅地印迹后伪部的某些舰部分便达隐到附着极去限，反作茂用力将沿填345线佩分布。随唱着的进一序步加大，论将有更多循部分达到睬附着极限刘，直到整狮个接地印她迹发生侧码滑，因而研轮胎拖距箭会随着侧帽向力的增精加而逐渐第变小。课堂小锐结一、操再纵稳定浴性二、轮胎搜的侧偏特岸性轮胎的侧机偏特性是染研究汽车厚操纵稳定展性理论的木出发点。1、轮胎议的坐标系觉与术语（1）车辜轮平面（2）迈车轮中它心（3）蹲轮胎接宫地中心（4）勉翻转力仿矩（5）中滚动阻继力矩（6）岭回正力刚矩（7）侧郊偏角（8）外摇倾角二、轮胎共的侧偏尼现象轮胎的侧婚偏特性三、回正篇力矩（绕夫轴的力矩鼠）作业布横置1、什甜么是汽读车的操误纵性和垄稳定性嘉？2、什千么是弹门性轮胎龟的侧偏慨特性？勾侧偏刚两度的物借理意义光是什么药？复习提问俯：1、什么冻是汽车的叙操纵性？2、什么彻是汽车的村稳定性？3、规墓定轮胎科的术语影有哪些炸？导入语悟：汽车的操盘纵稳定性雀，是汽车汽的主要使谦用性能之伞一，随着笼汽车平均眼速度的提善高，操纵定稳定性显爸得越来越症重要。它咸不仅影响织着汽车的谋行驶安全委，而且与悉运输生产屋率与驾驶助员的疲劳捎强度有关斩。提问：有哪些因垂素会影响巧到汽车的包操纵稳定迁性呢？重点1、了说解和掌暮握汽车狭的转向皂特性2、了熔解和掌颜握汽车凭转向轮暮的振动难点汽车的碧转向特熄性§4.宋1汽车梨的转向崖特性四、汽车被的转向特喜性驾驶员操奸纵转向盘冤使汽车转极向时，要乡丰通过眼睛犁、手和身裙体等感知代汽车的转白向效果，战并经过头巡寿脑比较和龟判断，修升正转向盘火的操纵，犯这是通过念驾驶员把限系统的输傍出，反馈百到输入而滨构成一个茄人工闭路案系统。如搁不计入驾阶驶员的反浸馈作用，远便称为开南路系统。它的特点悠是系统的筋输出参数统对输入控际制没有影慈响。由于截驾驶员的邮反馈作用影十分复杂奴，作为闭紫路系统研扇究仍很不戚成熟，这粱里只把汽治车作为一路个开路系圈统，研究萍转向盘输赶入时汽车踏的运动。图4.7擦作为开散路系统的些汽车简图把汽车作书为开路系阁统进行分骑析时见图滴4.7改变汽车熟运动状态望的输入量敲（或称“均干扰”）接，主要来持自三个方合面：1、驾驶员盖通过力礼（力矩锦）操纵著或位置饲（转角抬）操纵诱转向盘落，使前最轮转向她；2、空气动百力作用常（如横影向风）护；3、路面不平亚等对汽车倦的作用。汽车大多激数行驶状摩况下，其扁侧向加速甚度不超过忆0.3～剩0.4g啄，可以把百它看作一定个线性动脏力学系统叉来分析。予线性系统肾一个重要医标志是可猴以运用叠此加原理，明可以把一熊个复杂的步输出量，甩分解为简帮单的输入狼量，或者贼有多个输推入量时，寄可按单个杂输入量求纤解，然后典加以叠加凉。由输入引直起的汽车会运动状况看，可分为急不随时间位而变化的键稳态与随坛时间变化园的瞬态两彻种。相应沙的车辆响围应称为稳剧态响应与越瞬态响应完。例如给等速直天线行驶的侧汽车以前邻轮角阶跃友输入，即狼急速转动亚前轮，然紫后维持前呜轮转角不推变，一般肢汽车经过抖短暂时间夫后，将进寺入等速圆鼓周行驶。谋一定车轮唇转角下的等速圆哀周行驶聪状态便效是一种救稳态。而等速杏直线行驶汇与等速圆活周行驶间腰的过渡过服程便是瞬惧态。汽车的“纤等速圆周束行驶”稳利态响应，拨是评价汽探车操纵稳童定性的重弓要特性之迷一，称为趣汽车的“袍稳态转向轨特性”。承汽车的稳佣态转向特楚性分成三科种类型：不足转向参、中性转招向和过多立转向。在圆犯周行驶长时，驾苏驶员使复转向盘崇保持一供个固定翅的转角握，令汽跃车以不生同固定诊车速行殖驶，若雾行驶车装速高时帖，汽车害的转向雨半径R善增大，毕这种汽辩车具有屋不足转岭向的特鹅性。若馒汽车的咬转向半纵径R不害变，这狠种汽车絮具有中剑性转向垂的特性奸。若转田向半径格愈来愈抄小，则沈具有过叉多转向钥的特性僚。只有径具有适污度不足堵转向的薄汽车，肆才有良您好的操来纵稳定赔性。汽虹车不能骆具有过龟多转向意特性。幼具有中觉性转向纷特性的敢汽车也母不好，拜因为汽感车本身堆或外界敬使用条催件的某冷些变化孕，中性阵转向特还性的汽雄车通常屈会转变剥为过多渐转向特联性而失挤去稳定火。人们鹅已经习酒惯于驾勾驶具有创不足转亦向特性再的汽车靠，知道脏如何通翅过转向肃机构使晚汽车遵侍循期望翠的路径句行驶。1、匆汽车厉的稳态蹄转向特值性对汽车曲湖线运动进枯行初步分舞析时，把少汽车看作企平行于路征面的平面博运动。即步汽车没有株垂直运动例，沿z轴懂的位移为丧零，绕y估轴的俯仰扰角、绕x翼轴的侧倾碰角均为零疮。另外假贵设汽车前柏进速度不饶变，即沿猫x轴的汽治车（绝对泛）速度u哀不变。因轿此汽车只蹈有沿y轴含的侧向运镇动与绕z皂轴的横摆馒运动这样胀两个自由拉度。图4.9育二自型由度汽车赌模型图4.头10诉汽车集的稳态归横摆增凶益曲线图4.9内是一个由屑前后两个肉具有侧向落弹性的弹搂簧（轮胎浆）支承于托地面、具观有侧向及奖横摆的二勤自由度汽折车模型。杂下面分析最中令固结识于汽车上贞的动坐标霜系原点与麦汽车重心功重合。当K=0回时，。即耀稳态横摆赠角速度增漏益与车速匀u成线性灭关系如图镰4.10牢所示。具雄有这种特总性的汽车欢，称为中赛性转向汽努车。这个页关系就是煎汽车轮胎著无侧偏角悔时的转向约关系。当K＞0役时，横摆锅角速度增遵益比中性朝转向时小偿，即前轮灶转过相同充的角度，如汽车横摆验角速度ω章要小些，恶是一条低竭于中性转楚向汽车稳撇态响应线置，后来又馅向下弯曲颜的曲线。跟具有这样痕特性的汽域车，称为相不足转向未汽车。K竞值越大，昂不足转向蛾量越大。当K＜0帖时，横摆浅角速度增娃益比中性易转向时大拆，即前轮垮转过相同其的角度，代汽车横摆隐角速度要哲大。具有窝这样特性意的汽车，民称为过多猫转向汽车钞。随车速幅增加，曲香线向上弯群曲。K值身越小，过续多转向量办越大。除了稳定落性因数K勤外，为了籍试验分析歇计算的方晓便，常引态用别的参纲数来表征较汽车的稳杜态转向特筋性。总之，议汽车稳等态转向职特性，驴取决于牌稳定性驳系数K哑的数值棋。把汽气车简化镜为二个蔬自由度孙模型进行分映析时，K归值取决于董重心位置诞、轴距及毫前后轮侧乐偏刚度的愁匹配。当肉重心向前爬移动或减小前后莫轴轮胎侧发偏刚度比粪时，会增屡加汽车的丘不足转向败量。2、外汽车趴的瞬态餐响应给等速直践线行驶的立汽车以前姥轮角阶跃晨输入，经斑过短暂时虏间后，将紧进入等速欺圆周行驶采。等速直述线行驶与紧等速圆周吼行驶的过惕渡过程便萍是瞬态，肥相应的响症应称为前形轮角阶跃滴输入引起际的汽车瞬束态响应。努在一般汽麻车行驶时委，实际上发驾驶员不玻断接触到刷的是汽车酬的瞬态响就应。图4.1君1转赛向盘阶跃粒输入时的剪汽车瞬态告响应图4.1捐1转接向盘阶跃古输入时的皱汽车瞬态钉响应图4.1搅1所示为希一辆直线光行驶汽车扣，驾驶员原在处突然诞猛打转向失盘，转过墙某一角度胶后，保持身转向盘不衔动，即给粱汽车一个温转向盘角转阶跃输入锈后的瞬态午响应曲线最。当车速盒不变时，利汽车横摆剧角速度本记应立即达三到相应的哄，但实际绍上汽车横偿摆角速度气的变化为觉。作为这反一过程的暴评价指标狸如下：（1）蛾响应时爱间躬以转向锻盘转角温达到终渔值的5致0%的枕时刻，磁作为时惊间坐标增原点，歪到所测唉横摆角迷速度第溜一次过撇渡到新下稳态值贡的50害%所用胃的时间晌，称为勇响应时检间。这伴段时间森应尽量概短些，盾响应摄时间太逢长，驾闸驶员将臂感到汽颂车转向妹反应迟幅钝。（2）峰画值响应时辆间从凝时间坐标轨原点开始匆，到所测汁横摆角速介度响应达饿到第一个膊峰值止，志这段时邮间称为峰柔值响应时黎间。由于左打转向盘缓的起始时摔间难以准维确确定，涝而且开始违转动及停京止转动阔转向盘前潜，转向盘害转角变化没速率较大妈，所以响幼应时间与雁峰值响应靠时间只是劲一个相互泉比较的煮参考性数驳据。（3）枕横摆角沸速度超医调量苏在时梢，横摆址角速度沙达到最挨大值，内往往大让于，的堪百分数椅称为超佳调量。阴超调量竭表明瞬龄态响应步中执行偏指令误熊差的大嚷小。超醒凋量越圣小越好膊。减小幻玉超调量因可使横丙摆角速载度波动慌较快衰议减。（4）秒横摆角泻速度的帖波动量设在直瞬态响析应中，挖横摆角景速度值位在值上眼、下波著动。车吃速一定卧时，值租的波动陶表现在紫转向半痛径R的悄时大时钩小，这催就增加犯了驾驶饼的困难骂。汽车回横摆角炸速度的卷波动周刺期T或敌频率，赖也是评夹价瞬态县响应的边重要参狂数。（5）肆稳定时悉间亮横摆角躺速度达你到稳定带值的9气5%～穴105义%之间殃的时间成，称为钞稳定时锤间。这淡段时间靠应尽量辫短些，流凡是能乐使横摆压角速度洞加快衰贿减的因乓素，也师是使稳短定时间局缩短的砖因素。少数汽挽车可能回出现横功摆角速井度不收侄敛情况暗，即越美来越大材，若车柔速不变息即转向稿半径R席越来越亿小，就述会急剧肥增加离敌心力，误汽车将兔发生侧谋滑或侧高翻等危碌险情况产。五、汽车转向老轮的振动汽车在忠行驶过跨程中，帽有时出棚现转向富轮的左使右摆动妙和上下斯跳动。择转向轮歇的振动切使轮胎虫磨损急休剧增加免，并增叹加了转吉向机构牙的动载乌荷，降溜低零件发使用寿睛命，同情时也严披重影响苹行驶安桶全。汽车的狡转向轮陪通过悬昏架及转伙向机构硬与车架划相连，妄这些互爸相联系绣的机件洒，组成塘了弹性缩慧振动系哀统。一己是前轴慌绕纵轴座的角振揪动，另饭一是前狸轮绕主兰销的角医振动。老直线行哥驶的汽抬车，当温车轮越狱过单个犬凸起或书凹坑时碎，前轮粘产生绕地汽车纵零轴的角雄振动。办前轮将届绕主销凉偏转，僵如果左王轮升高惰，车轮译将向右丈偏转；筹如果左匹轮下降疯，车轮宴将向左级偏转，绒即激发锻了前轮薪绕主销中的角振链动，同钳时，由极于陀螺敬效应，装车轮绕泡主销的封角振动妥，会反逝过来加威剧前轴陈绕汽车谅纵轴的味角振动笑。严重案地破坏矛了汽车惩直线行粉驶的稳报定性。葛为了避坝免这种再现象，纹要求减造小悬架伴下前轴漆系统的纠转动惯辆量，提灵高角振表动的固登有频率番；改善俊公路状寨况，提超高路面仙平整度示；适当关降低轮馋胎气压剖，增加筑轮胎吸姻振能力桂。图4.1窝2车轮句不平衡对休转向轮振屠动的影响车轮的问不平衡暮可以引胀起周期苍性的激鲁励，造坦成转向早轮的振棉动。如禾图5.届13所羽示。车漫轮转动哥时，其应不平衡快质量所瘦引起的纱离心力变的水平吓分力，艰与力臂龟形成力日矩。此趁力矩直暖接使车夸轮偏转覆，其数洁值按正援弦关系觉作周期胆性变化蹦，变化民的频率说决定于碗汽车的饥行驶速行度。此煮外，离锯心力的枯垂直分碗力，则范引起车垮轮的上舍下跳动紧，其特雅性与上独述相同糠。当左右协车轮都胞不平衡夹，且不消平衡质倚量处于软对称位愤置时，葡则振动里更为严烟重。为协了避免查因车轮益不平衡槽引起的束振动，浊要求无拦论是新掌轮胎或那经翻修蜘过的轮展胎，在环装用之晨前，都卡要进行晌动平衡天试验，雹并消除翻不平衡顶因素。龙对于高返速行驶访的车，船对车轮忽的不平钥衡度要亲求也高归纳总衫结汽车的稳泡态转向特翅性:分柳成三种类播型_——中不足转向怖、中性转苗向和过多渐转向。只地有具有适抖度不足转馆向的汽车舌，才有良勿好的操纵彻稳定性。汽车的愿稳态转销向特性歇分析：催，式中贯G1，车G2—忘—前后证轴的垂种直载荷读；K—纸—稳定漫性因数傍。当K=尚0时，搁。即稳绿态横摆耳角速度轨增益与低车速u畅成线性胆关系。阶具有这币种特性返的汽车序，称为身中性转昼向汽车捞。这个合关系就误是汽车事轮胎无破侧偏角堂时的转直向关系佩。当K＞瓦0时，刷横摆角烟速度增赵益比中昏性转向侵时小，塑即前轮草转过相舟同的角春度，汽犯车横摆齐角速度再ω要小宿些。具赚有这样连特性的剃汽车，醋称为不匀足转向嫁汽车。贷K值越胳大，不雷足转向电量越大狼。当K＜纯0时，雾横摆角聪速度增逮益比中倒性转向洁时大，蜡即前轮案转过相伯同的角歪度，汽倡车横摆肚角速度惑要大。插具有这衡样特性芒的汽车遍，称为趣过多转嫌向汽车教。K值他越小，艇过多转广向量越土大。用前后轴朽侧偏角差添来表征汽笋车稳态转透向特性：即当连K=0时纯，汽车为现中性转向蒸，K＞0时惨，汽车为玩不足转向