第四章 操纵稳定性试验
第一节  概  述
一、试验的基本原理
汽车的操纵稳定性，指的是汽车在高速行驶下，接受驾驶员的控制能力及行驶方向稳定性。进行汽车操纵稳定性研究时，是把汽车看作一个动力学系统（由质量、弹簧、阻尼二者构成），以便进行理论分析和试验研究。其研究内容通常又称之为汽车横向动力学。对汽车进行操纵稳定性研究，首先是研究转向输入下汽车的运动特性。此时，是把汽车看成为一个多自由度动力系统。在数学模型中，转向系根据研究的需要，又可看成单一自由度系统和二自由度（以上）系统两种情况。研究转向盘位移输入下汽车的运动特性时，转向系通常看成为单一自由度，此时的转向输入又称之为固定控制输入。属于这一类输入的试验方法有转向盘转角阶跃、脉冲、正弦输入等项目的试验。研究转向盘力输入下汽车的运动特性时，转向系应看成至少二自由度，此时转向盘的位移是输出量，所以这种输入又叫做自由控制输入。为这类研究设计的试验项目有转向盘力脉冲、转向盘回正能力试验等。
上述转向输入都是给定—个特定的与驾驶员操作特性无关的输入，然后观察汽车的输出（运动特性，或称力的响应）。通过类似的数学模型，还可以进行其他外界环境影响的输入，例如横向风、路面凸起等方面的影响。这一类分析和试验，又称为汽车开路系统研究（如图4-1-1a ）所示）。数十年来，世界各国这方
面的研究工作者做了大量工作、到现在无论是数学模型的建立或是试验方法和设备的研制，均已取得了巨大的成果，或者说已经非常成熟。特别是有一些试验方法已由国际标准化组织（ISO ）作为正式标准颁布执行，例如ISO4138《稳态回转试验》ISO7410《横向瞬态响应试验》等。
a ）
b ）
图4-1-1 驾驶员—汽车控制系统
a ）开路系统；
b ）闭路系统
由于人—机工程研究的发展，20世纪60年代后期，汽车方面的科研工作者就提出了“驾驶员—汽车—外界环境”的闭路系统研究课题，这无论从理论上还是试验方法上，比起开路系统研究来说，难度上都有很大的增加。进行转向控制研究时、驾驶员－汽车－外界环境控输出（响应）
外界环境 输出（响应）
制回路示意图如图（4-1-1b ）所示。驾驶员在进行转向控制时，不仅受到外界环境的影响，还会受到来自汽车各输出响应反馈估息的影响。在进行试验研究时，这一类试验称之为闭路试验。例如，试验方法中的蛇行穿杆试验、移线试验等。这些试验结果不仅反映汽车固有的性能特点，还包括驾驶员自身操作技能在内。故而这一类试验结果的评价，通常还要求驾驶员对车辆性能作出主观评价。
二、试验仪器和设备
汽车操纵稳定性试验可大致地分为道路试验和室内试验两类。本章所述试验项目均属道路试验内容。
1、道路试验仪器
1)角速度陀螺仪
角速度陀螺仪又称二自由度陀螺仪，用来测定汽车横摆加速度γ，量程最大值可选用
s s /100~/50  ±±，
为使动态测试值不产生太大的相位滞后、当仪器相对阻尼系数=ξ0.2时，其自振频率f 不应小于50Hz 。角速度陀螺仪还应保证在输入频率为0～2.5Hz 范围内，其输出是线性的。
角速度陀螺仪通常是刚性地安装在汽车地板上，安装时应保证其敏感轴与地垂线平行，偏差不应大于1°。汽车在稳态转圈时，车身侧倾角对横摆角速度γ输出影响很小，实际上可忽略不计。但在转向制动联合作用下，若不给予修正，则其相对误差可达到7％～10％。
2)垂直陀螺仪
垂直陀螺仪又称三自由度陀螺仪，用来测定汽车车身侧倾角ϕ、俯仰角θ，量程最大值可选用 20±。使用这种陀螺仪测量车身侧倾角最大的问题是由于其自转轴不完全垂直于地面所造成的正弦波信号输出。因此，试验前应使汽车以极低的车速转圈行驶，测出由此而产生的偏差，以便在数据处理时进行修正。
使用带修正装置的三自由度陀螺仪时，试验前可以利用修正装置把陀螺仪自转轴自动修正到地垂线位置，试验时断开修正装置电路，以避免修正装置发出错误信号（例如由离心力引起的）。但试验时间不能太长，通常可允许数分钟，否则，将会由于其他原因引起自转轴产生漂移而导致测量误差。
3)侧（纵）向加速度计
侧（纵）向加速度计用以测定汽车作曲线行驶时的侧向加速y a 和纵向加速度x a ，最大量程可选用2/15s m ±。侧（纵）向加速计应安装在汽车质心C 处，初步估计，可认为加速度计安装偏差引起的测量误差沿质心坐标轴（X 轴平行地面，与汽车纵轴线和前进方向一致；Y 轴平行地面指向左方；Z 轴指向上方）三个方向的最大值可达0.2g ／m 。为使加速度计安装引起的测量误差不大于1％，则加速度计安装与质心的偏差沿三个坐标轴方向均应控制在1～2cm 范围以内。
汽车在稳态转圈时，侧向加速度y a 的测量误差只与加速度计安装偏离汽车质心沿Y 轴方向的距离有关，而与X 、Z 轴方向安装误差无关。因为侧向加速度计所感受的不是向心加速度，而是其沿Y 轴方向的侧向加速度分量y a 。试验证明，加速度计的安装沿Y 轴方向引
起的相对误差每米仅5％左右。在动态情况下，这个测量误差会大些，因为测量值不仅受到X 、Y 、Z 安装位置的影响，还会受到运动变量横摆角速度γ及其加速度γ 以及车身侧倾角
速度ϕ
汽车漂移教学
及其加速度ϕ  的影响。 如果侧向加速度计为惯性式，则会引起车身侧倾角ϕ很大的误差。汽车在稳态转圈情况下，由此而引起的相对误差可能达到20％，因此必须予以修正。
加速度计应尽可能装在陀螺平台上。
4)第五车轮
第五车轮用以测定汽车的前进车速、量程可选用0～50m/s 。通常有两种类型，一种是接触式（与地面接触），另一种是非接触式，一般总是把第五车轮装在汽车的后部。进行操纵稳定性试验时，往往需要知道汽车质心C 处的速度V c 及其两个分量V cx 和V cy 。图4-1-2是汽车发生横向（曲线）运动情况下，某一瞬时汽车（装有接触式第五车轮）的运动图。图中D 是第五车轮的拖挂点。
图4-1-2    作曲线运动的汽车
根据运动学原理，可以计算出任一瞬时汽车质心C 处的速度V c 及其在X 、Y 轴上的投影V cx 利V cy 。
ϖγϖ
ϖsin )(cos f V V f CX ++=                  (4-1-1) d f V V f CY γϖγϖ
ϖ+++=cos )(sin                (4-1-2) 22CY
CX C V V V +=                          (4-1-3) 以及质心处侧偏角：
CX
CY V V 1
tan -=β                              (4-1-4) 式中：V f ——第五车轮轮心速度，m/s ； ω
ω ,——分别为第五车轮纵轴线与汽车纵轴线夹角和角速度，rad ，rad/s ；
γ——汽车横摆角速度，rad/s ；
f ——第五车轮拖挂点D 至车轮中心F 的水平距离，m ；
d ——第五车轮拖挂点D 至汽车质心C 的水平距离，m 。
由于ω非常小，通常只有几度，因而要准确地测量ω和ω
是非常困难的。另外要指出的是D 点的速度是V D ，而不是V f 。在对汽车进行运动分析时，应予以注意。当距离f 缩小为零时，V f ＝V D 。此时，从测量原理上说，接触式第五车轮转变为非接触式第五车轮(或称非接触式速度传感器)。
为了测出D 点的速度大小和方向，应在D 点装一个传感器测量V DX ，并在过D 点沿Y 轴的方向再装一个传感器测量V DY 。
由于f ＝0，式(4-1-1)和式(4-1-2)简化为：
ϖcos D CX V V =                            (4-1-5)
d V V D CY γϖ+=sin                          (4-1-6)
且有：
22DY
DX D V V V +=                            (4-1-7) DX
DY V V 1tan -=β                              (4-1-8) 应用以上公式和式(4-1-4)即可标出质心处侧偏角β。
5)转向盘测力仪
转向盘测力仪用于测定施加在转向盘上的力矩和转角。转角量程一般为 1080±，力矩为1000±N ²m 。这种仪器的测力元件要求有较大的扭转刚度，因转向系的力学模型本身就是质量、弹簧、阻尼系统，转向盘上装上测力仪后，测力元件被串联在转向系中，如果其扭转刚度小，则会使系统力学特性发生变化，或者说，测量汽车的运动特性会与原车不一样。
转向盘测力仪有两种形式。一种常有一个副转向盘，其测力元件装在副转向盘上，试验前将副转向盘与被试汽车的转向盘刚性地串联在一起。试验时操纵副转向盘进行转向输入。这种结构形式的转向盘测力仪的优点是安装方便，但由于增加了一个副转向盘，相当于增大了被试汽车转向盘的转动惯量，会使系统的运动特性发生改变，特别是进行力输入试验时影响更大，驾驶员操作起来亦会感到不方便。另一种转向盘测力仪不带副转向盘，它只有力传感器和角度传感器的组件，可装在原车转向盘下方，如图4-1-3所示。试验时，驾驶员操纵的是原车转向盘，不会产生不适感觉，也不会影响原车的动态特性。但安装传感器组件时，比前一种要复杂些。
图4-1-3 转向盘测力仪
6)车辆动态测试仪
为使操纵稳定性试验仪器便于在汽车上安装及简化线路连接，将适合地面车辆参数测量的二自由度陀螺仪、三自由度陀螺仪、侧（纵）向加速度计组合在一起，就构成了车辆动态测试仪。使用这种测试仪进行汽车操纵稳定性试验，可使试验前的准备工作大大简化。试验时应将这种仪器装在汽车质心处。
有的车辆动态测试仪除了有模拟信号输出外，还具有数字信号打印输出，甚至可以绘图和进行简单的数据处理工作。
7)操纵稳定性现场数据处理系统
使用这种数据处理系统，可以在试验场地现场对所规定的试验项目（计算机程序已固化在微机模块中）进行数据处理，并按规定进行绘图和打印评价指标。发现问题可以在现场马上重复试验。从而大大提高了工作效力，节约了试验的人力和物力。
图4-1-4是一辆仪器设备安装齐全的操纵稳定性试验车的示意图。
图4-1-4 操纵稳定性试验仪器设备安装示意图
图4-1-5是车辆动态测试仪及操纵稳定性现场数据处理系统在车内的安装照片；图4-1-6是某冷藏车进行稳态回转试验的现场照片；图4-1-7是非接触式速度传感器安装照片，车上装有两个速度传感器，一个测量汽车纵向车速，另一个测量汽车的横向车速。