汽车的操纵稳定性
授课班级
课程名称
汽车使用性能与检测技术
第  11  讲
章节
第六章 汽车操纵稳定性与检测
课题
汽车的操纵稳定性
学时
2
本讲主要内容
车辆坐标系与转向盘角阶跃输入下的时域响应；人一汽车闭路系统；轮胎的侧偏特性；汽车的转向特性
本讲教学目的
知识点：
了解车辆坐标系与转向盘角阶跃输入下的时域响应、人一汽车闭路系统、轮胎的侧偏特性、汽车的转向特性的定义和内涵
能力点：
学会分析汽车的操纵稳定性的影响因素
教学重点
转向盘角阶跃输入下的时域响应、轮胎的侧偏特性、汽车的转向特性。
教学难点
影响转向特性的因素。
教学方法及手段
导入、讲授、演示、多媒体
课外作业
1、什么是汽车操纵稳定性？
2、什么是稳定响应和瞬态响应？
3、汽车侧翻的条件是什么？
4、什么是瞬态响应的稳定条件？
本讲主要教学内容
由汽车安全驾驶导入本讲内容
引题：汽车操纵的结构
重点介绍车辆坐标系与转向盘角阶跃输入下的时域响应
重点介绍人一汽车闭路系统
重点介绍影响侧偏特性的因素
重点介绍影响转向特性的因素
归纳总结汽车操纵稳定的各因素
一、 汽车的操纵稳定性
1、汽车的操纵稳定性定义
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。
2、汽车的操纵稳定性的重要性
    汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度，也是决定高速汽车安全行驶的
一个主要性能，成为现代汽车的重要使用性能之一。
二、车辆坐标系与转向盘角阶跃输入下的时域响应
    1、时域响应的分类
（1）不随时间变化的稳态响应
汽车转向盘稳态响应，虽然在实际行驶中不常出现，却是表征汽车操纵稳定性的一个重要的时域响应，一般也称它为汽车的稳态转向特性。汽车的稳态转向特性分为三种类型:不足转向、中性转向和过多转向这三种不同转向特性的汽车具有如下行驶特点:在转向盘保持一固定转角下，缓慢加速或以不同车速等速行驶时，不足转向汽车的转向半径增大;中性转向汽车的转向半径维持不变;而过多转向汽车的转向半径则愈来愈小。操纵稳定性良好的汽车不应具有过多转向特性，也不应具有中性转向特性，因为中性转向汽车在使用条件变动时，有可能转变为过多转向特性。
（2）随时间变化的瞬态响应  汽车的瞬态响应，它具有如下几个特点：
①时间上的滞后
②执行上的误差 
③横摆角速度的波动 
④进入稳态所经历的时间 
三、汽车操纵稳定性包含的内容
汽车操纵稳定性涉需要采用较多的物理参量从几个方面来评价。
在汽车操纵稳定性的研究中，常把汽车作为一控制系统，求出汽车曲线行驶的时域响应与频率响应特性，并以它们来表征汽车的操纵稳定性能。汽车曲线行驶的时域响应系指汽车在转向盘输入或外界侧向干扰输人下的侧向运动响应。
    转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应及转向盘角阶跃输人下的瞬态响应，就是表征汽车
操纵稳定性的转向盘角位移输人下的时域响应。回正性是一种转向盘力输人下的时域响应。
    横摆角速度频率响应特性是转向盘转角正弦输人下，频率由0→时，汽车横摆角速度与转向盘转角的振幅比及相位差的变化图形。它是另一个重要的表征汽车操纵稳定性的基础特性。
四、人一汽车闭路系统
    在对汽车时域响应的讨论中，假定驾驶者的任务只是机械地急速转动转向盘至某一转角并维持此角度不变，而不允许根据汽车的转向运动作出任何操纵修正动作，即不允许驾驶者起任何反馈作用。因此，汽车的时域响应只是把汽车作为开路控制系统的控制特性。它们完全取决于汽车的结构与参数，是汽车本身固有的特性。汽车作为开路系统的时域响应可以通过建立数学模型进行理论分析，也可以使用测试设备在试验中客观地进行测量。
但是，汽车的操纵稳定性最后应该是由驾驶者来评定的，操纵稳定性与架驶者的操作特性又是紧密相关的。因此操纵稳定性和研究对象应该是把驾驶者与汽车作为统一整体的人一汽车系统，而不能忽略驾驶者的反馈作用。在汽车行驶中，驾驶者根据需要，操纵转向盘使汽车作一定的转向运动;路面的凸凹不平，侧向风等亦影响汽车的行驶。与此同时，驾驶者根据随之出现的道路、交通等情况和通过眼睛、手及身体感知到的汽车运动状况，经过头脑的分析、判断，修正他对转向盘的操纵。如此;不断反复循环，驾驶者操纵汽车行驶前进。由此可见，在人一汽车系统中，通过驾驶者把系统:的输出参数反馈到输人控制中去，所以人一汽车系统是一个闭路系统。不过驾驶者的反馈作;用十分复杂，目前对于人一汽车闭路系统的理论研究还很不成熟，人一汽车系统的汽车操纵稳;定性还只能用试验方法来实际测定。试验时令汽车以一定车速，或以驾驶者感到安全的最高车速通过试验通道。试验可以对汽车的横摆角速度响应、车厢侧倾等进行综合评价。
尽管试验得到的人一汽车闭路系统的性能真实地反映了汽车的操纵稳定性能。但是由于进行试验的驾驶者的操作特性起了反馈作用，所以客观性及再现性就不如开路系统汽车的时域响应好。还应指出，人一汽车系统的操纵稳定性只能在已具有实际车辆的条件下通过试验求得，目前还不能做到通过理论分析与计算来进行准确的预测。所以在产品开发阶段，广泛应用的理论分析对象仍然只能是开路系统汽车的时域响应。
五、汽车试验的两种评价方法及时域响应与频率响应特性的评价指标
汽车性能最后应通过试验来进行测定与评价。试验中的性能评价有主观评价和客观评价两种方法。客观评价法是通过测试仪器测出表征性能的物理量，如横摆角速度、侧向加速度、侧倾角及转向力等，来评价操纵稳定性的方法。主观评价法就是感觉评价，其方法是让试验评价人员，根据试验时自己的感觉来进行评价，并按规定的项目和评分办法迸行评分。
确定稳态响应与瞬态响应的转向盘角阶跃输入试验及确定横摆角速度频率响应特性的转向盘角脉冲输入试验，就是由长期汽车工程实践与专门的主观评价试验所肯定下来的开路系统客观评价试验方法。由试验得到的作为评价汽车操纵稳定性的特性曲线与评价指标主要有下列几个参数:
六、轮胎的侧偏特性
轮胎的侧偏特性是轮胎机械特性的一个重要部分。本节将讨论轮胎的侧偏现象与侧偏特性。侧偏特性主要是指侧偏力、回正力矩与侧偏角间的关系，它是研究汽车操纵稳定性的基础。
（一）、影响侧偏特性的因素
    轮胎的尺寸、型式和结构参数对侧偏刚度有显著影响。尺寸较大的轮胎有较高的侧偏刚度。子午线轮胎接地面宽，一般侧偏刚度较高。钢丝子午线轮胎比尼龙子午线的侧偏刚度还要高些。
    轮胎断面高与轮胎断面宽之比×100%称为扁平率。早期轮胎的扁平率为100%，现代轮胎的扁平率逐渐减小，目前不少轿车已采用扁平率为60%或称60系列的宽轮胎。扁平率对轮胎侧偏刚度影响很大，采用扁平率小的宽轮胎是提高恻偏刚度的主要措施。扁平率为60%的60系列轮胎的侧偏刚度有大幅度提高。当扁平率为50%时，侧偏力即侧偏刚度比扁平率为80%的轮胎提高了70%。
    汽车行驶中，轮胎的垂直载荷常有变化。例如转向时，内侧车轮轮胎的垂直载荷减小，外侧车轮轮胎的垂直载荷增大。垂直载荷的变化对轮胎侧偏特性有显著影响。
    当垂百载荷增大后，侧偏刚度随垂直载荷的增加而加大，但垂直载荷过大时，轮胎产生很大的径向变形，侧偏刚度反而有所减小。
轮胎的充气压力对侧偏刚度也有显著影响。随着气压的增加，侧偏刚度增大，但气压过高后刚度不再变化。
行驶车速对侧偏刚度的影响很小。
上面讨论的是没有切向反作用力作用时轮胎的侧偏特性。实际上，在轮胎上常同时作用
有侧向力与切向力。由试验表明，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，这是由于轮胎侧向弹性有所改变的关系。当纵向力相当大时，侧偏力显著下降。因为此时接近附着极限，切向力已耗去大部分附着力，而侧向能利用的附着力很少。由图还可看出，这组曲线的包络线接近于一椭圆，一般称为附着椭圆。它确定了在一定附着条件下切向力与侧偏力合力的极限值。路面及其粗糙程度、干湿状态对侧偏特性，尤其是最大侧偏力有很大影响。粗糙路面较光滑路面的最大侧偏力大;同种路面干态较湿态较光滑路面的最大侧偏力大。
    路面有薄水层时，由于滑水现象，会出现完全丧失侧偏力的情况。轮胎在不同轮胎胎面、路面粗糙度和水层厚度等条件下，最大侧偏力的降低情况。水层厚1.2mm时，在粗糙路面上，开有4条沟槽的胎面能防止滑水现象。水层厚7.62mm时，不论胎面有无沟槽、路面是否粗糙，当车速为80km/h时均出现滑水现象，此时最大侧偏力为零。
（二）、有外倾角时轮胎的滚动
汽车两前轮有外倾角，具有绕各自旋转轴线与地面的交点'滚动的趋势，若不受约束，犹如发生侧偏一样，将偏离正前方而各自向左、右侧滚动。实际上，由于前轴的约束，两个车轮只能一起向前行驶。
随着外倾角的增大，胎面与路面的接触情况愈来愈差，会影响最大地面侧向反作用力(侧向附着力)而损害汽车的极限性能(降低极限侧向加速度)。所以高速轿车、特别采用超宽断面轮胎的竞赛车，转弯行驶时承受大部分前侧向力的前外轮应垂直于地面，外倾角等于零。摩托车转弯时，车轮外倾角很大，为了保证最大地面侧向反作用力，摩托车轮胎具有圆形断面。
车轮有外倾角时还产生回正力矩。按照轮胎坐标系的规定，正侧偏角对应于负的侧偏力与正的回正力矩;正外倾角对应于负的外倾侧向力与负的外倾回正力矩。
七、汽车的转向特性
为了便于掌握操纵稳定性的基本特性，我们将对一简化为线性二自由度的汽车模型进行
研究。分析中忽略转向系统的影响，直接以前轮转角作为输入;忽略悬架的作用，认为汽车只作平行于地面的运动，即汽车沿，轴的位移，绕y轴的俯仰角与绕x轴的侧倾角均为零。汽车沿x轴的前进速度u视为不变。因此，汽车只有沿轴的侧向运动与绕z轴的横摆运动这样两个自由度。此外，汽车的侧向加速度限定在0.4g以下，轮胎侧偏特性处于线性范围。在建立运动微分方程时还假设:驱动力不大，不考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的影响，没有空气动力的作用，忽略左右车轮轮胎由于载荷的变化而引起轮胎特性的变化以及轮胎回正力矩的作用。
分析时，令车辆坐标系的原点与汽车质心重合。显然，汽车的质量分布参数，如转动惯量等，对固结于汽车的这一动坐标系而言为常数，这正是采用车辆坐标系的方便之处。因此，只要将汽车的(绝对)加速度与(绝对汽车性能)角加速度及外力与外力矩沿车辆坐标系的轴线分解，就可以列出沿这些坐标轴的运动微分方程。
（一）、前抡角阶跃输入下进入的汽车稳态响应——等速圆周行驶
1、  稳态响应
2、  稳态响应的三种类型
1）中性转向------------中性转向的汽车，当转向盘保持一个固定的转角加减速行驶时，汽车的转向半径不变，即转向半径与车速无关。
2）不足转向------------它是表征不足转向量的一个参数.
3）过多转向------------由于过多转向汽车有失去稳定性的危险，故汽车都应具有适度的不足转向特性。     
3、几个表征稳态响应的参数
1）、前、后轮侧偏角绝对值之差
前、后轮侧偏角绝对值之差增加，转向半径增加，汽车具有不足转向特性。前、后轮侧偏角绝对值之差减小，转向半径减小，汽车具有过多转向特性。绝对值等于零时，汽车为中性转向。
2）、转向半径的比值
（二）、影响转向特性的因素
1、汽车的质量分配与车轮侧偏刚度的匹配
在汽车设计及改装申，应使汽车的质量在前后轴上的分配与车轮的侧偏刚度相适应，使稳定性因数＞0，以保证汽车的不足转向性。
前置发动机前驱动的轿车，前轴上的轴荷较大，转弯时前轴承担的离心惯性力较大，在前后车轮侧偏刚度相同的情况下，前轮会产生较大的侧偏角，故趋向于呈不足转向性。反之，后置发动机后驱动的轿车则趋向于呈过多转向性。
2、轮胎气压的影响
轮胎气压对侧偏刚度影响很大，降低轮胎气压，侧偏刚度下降，可以产生较大的侧偏角。
汽车说明书中规定的轮胎气压是考虑了获得不足轱向性的数值，故使用中应注意在冷态下检查并按说明书的规定调整轮胎的充气压力。有的高速轿车甚至规定了每种乘坐条件及不同季节时前后轮胎的充气压力，以确保需要的不足转向性。前轮气压低于规定值，仅使汽车不足转向性增大，转向灵敏度即横摆角速度增益下降;而后轮气压过低，后轮的侧偏角加大，甚至使原来是不足转向性的汽车变为过多转向性汽车，对操纵稳定性带来严重不良影响。
3、轮胎结构的影响
不同结构(帘布层数、扁平率等)、不同型式(子午线轮胎、普通斜交轮胎)的轮胎，侧偏刚度不同，可能使汽车具有过多转向性。
子午线轮胎和普通斜交帘线轮胎在车上混合装用对汽车的操纵性有严重影响。子午线轮
胎侧偏刚度大，若仅前轮改用子午线轮胎，可使前轮侧偏角减少，如果小于后轮侧偏角，可使原为不足转向性的汽车变为过多转向性汽车。
扁平率小的宽轮胎，侧偏刚度大，产生的侧偏角小。因此，如仅前轮换用扁平率小的轮胎，有使汽车产生过多转向的倾向;如仅后轮换用，则有汽车里不足转向的倾向。
4、驱动型式的影响
转向时施加于轮胎上的切向力增加，轮胎的侧偏刚度下降，使产生的侧偏角增加。因此，
后轮驱动的车辆，转向时施加驱动力，便后轮侧偏角增加，有减少不足转向性、向过多转向，性转化的倾向;前轮驱动的汽车，转向时施加驱动力，使前轮侧偏角增加，有增加不足转向性的作用。
5、左、右轮垂直载荷再分配的影响
轮胎侧偏刚度在一定范围内随垂直载荷的增加而增加。在侧向力作用下，若前轴左右轮垂直载荷变动量大，则汽车趋向于减少不足转向性。由于增加前悬架的角刚度(车身每侧倾1°，在前悬架上需施加的侧倾力矩值)，能使侧倾力矩分摊到前轴上的数值增加，因而能使前轴左右轮垂直载荷的变动量加大;减少后悬架的角刚度，能使侧倾力矩分摊到后轴上的数值减少，因而后轴左右轮垂直载荷的变动量减少，有利于增加汽车的不足转向性。
6、轴转向的影响
车身侧倾时，由于悬架导向杆件的运动学关系，会使前轴或后轴相对于车身转动某一角
度。这使轮心运动方向发生变化，具有与侧偏现象相同的效果，所以这种现象称为运动学侧
偏，或称轴转向。
车身侧倾时，由于悬架变形使后轴沿离心力对该轴中点之矩相反的方向转过某一角度由
虚线转至实线位置)，则汽车趋向于增加不足转向性;若后轴沿离心力对该轴中点之矩相同方
向转过某一角度，则趋向于减少不足转向性。如果前轴为非独立悬架，也存在轴转向问题。其分析的结论是相同的。
7、侧倾时车轮外倾角变化的影响
车身侧倾时，由于悬架型式的不同，车轮外倾角会发生变化，使轮心前进方向发生变化，这与轮胎侧偏具有相同效果，可以使汽车的转向特性发生变化。
  8、轮胎回正力矩对侧偏的影响
回正力矩(即稳定力矩)，汽车转弯时各轮上都受回正力矩的作用，有使前后轴侧偏角加大的效果。作用在前轮上的回正力矩，有增加不足转向的倾向;作用在后轮上的回正力矩，有减少不足转向的倾向。由于前轮的回正力矩较大，故汽车回正力矩的总效果往往趋问于增加不足转向性。
八、汽车的纵翻和侧翻
汽车在纵向坡道上行驶，例如等速上坡，随着道路坡度增大，前轮的地面法向反作用力不断减小。当道路坡度大到一定程度时，前轮的地面法向反作用力为零。在这样的坡度下，汽车将失去操纵，并可能产生纵向翻倒。汽车上坡时，坡度阻力随坡度的增大而增加，在坡度大到一定程度时，为克服坡度阻力所需的驱动力超过附着力时，驱动轮将滑转。这两种情况均使汽车的行驶稳定性遭到破坏。