manuevereability handling performance

4.2 汽车操纵稳定性 概 述 轮胎侧偏特性 线性二自由度汽车模型对前轮角输入响应 汽车操纵稳定性试验 概 述 轮胎侧偏特性 线性二自由度汽车模型对前轮角输入响应 汽车操纵稳定性试验

定义：在驾驶员不感觉过分紧张、疲 劳的条件下，汽车能按照驾驶员通过 转向系及转向车轮给定的方向行驶， 且当受到外界干扰时，汽车能抵抗干 扰而保持稳定行驶的能力。 意义 操纵方便性 高速安全性 行驶方向 直线 转弯 干扰 路不平 侧风 货物或乘客偏载

1 内容 输入：角输入、力输入 响应：时域响应、频域响应。 横摆角速度频率响 应特性 回正性 转向半径 转向轻便性 直线行驶性（侧向风稳 定性、路面不平稳定性、 弯道行驶性） 典型行驶工况 极限行驶性能

2 车辆坐标系及时域响应

汽车时域响应分为稳态响应和瞬态响应。 转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应：等速直线行驶， 急剧转动转向盘，然后维持转角不变，即对汽车施 以转向盘角阶跃输入，汽车经短暂的过渡过程后进 入等速圆周行驶工况。 转向盘角阶跃输入下的瞬态响应：等速直线行驶和等 速圆周行驶两个稳态运动之间的过渡过程所对应的 瞬间运动响应。 稳态转向特性：不足转向、中性转向、过度转向。转 向盘保持一个固定转角不变，缓慢加速或以不同车 速等速行驶时，不足转向的汽车转向半径逐渐增大， 中性转向的汽车转向半径不变，而过度转向的汽车 转向半径逐渐减小。

汽车时域响应是把汽车作为开环控制系统的控制特性。 驾驶员－汽车系统是一个闭环控制系统：在汽车行驶过程 中，驾驶员根据需要，操纵转向盘使汽车做转向运动。路 面的凹凸不平、侧风、偏载等影响汽车的行驶。驾驶员根 据道路、交通等情况，通过眼、手及身体感知的汽车运动 状况（输出参数），经过头脑的分析、判断（反馈），修 正其对转向盘的操纵。如此不断地反复循环，操纵汽车行 驶前进。

主观评价法 : 凭借主观感觉的评价 转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应 ： 3. 评价方法 客观评价法：用测试仪器测物理参数：

侧偏特性：侧偏力、回正力与侧偏角的关系 1 轮胎坐标系

概念

最大侧偏力的影响因素 附着条件  及垂直载荷 F Z 轮胎胎面花纹、材料、结构、 充气压力 路面材料、结构、潮湿程度 车轮外倾角

3. 轮胎结构、工作条件与侧偏特性 尺寸 ↑ 的轮胎， k ↑ ； 子午线轮胎接地面宽， k 大； 钢丝比尼龙轮胎 k 大； 扁平率：轮胎断面高度与断面宽度之比 H /B ↓ ， k ↑ ； 在一定范围内，载荷 ↑ （ F Z ↑ ） ， k ↑ 。但载荷 ↑ 太 大时， k↓ ； 轮胎充气压力 ↑ ， k ↑ ； 行驶车速对 k 影响较小； 潮湿特别在积水时， k ↓ 很大。

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。

☆ 忽略转向系的影响，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 轴的横摆运动 (a y <0.4g) ； ☆ 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。

电子稳定控制

Y 向力平衡 对质心取矩对质心取矩

2 前轮角阶跃输入下进入的汽 车稳态响应－－等速圆周运动 2.1 稳态响应的评价指标： 稳态横摆角速度增益或转向灵敏度

2 稳态响应的三种类型 过度转向 Over-Steering 不足转向 Under- Steering 中性转向 Neutral-Steering

当汽车以很低的速度和 / 或很大转 向半径行驶时，侧偏角很小，即 则有

 过度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  r /  就趋于无穷大。  因为假设纵向速度为优先值，根据纵向 速度与角速度的关系可知，汽车的转向 半径极小，这样汽车必定发生激转而发 生侧滑或侧翻。  过度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  r /  就趋于无穷大。  因为假设纵向速度为优先值，根据纵向 速度与角速度的关系可知，汽车的转向 半径极小，这样汽车必定发生激转而发 生侧滑或侧翻。

影响不足转向和过度转向的主要因素 （ 1 ）轮胎：后轮如果使用高转向功率的轮胎，则容易造成 不足转向；提高后轮的气压，也会获得同样的效果。 （ 2 ）重量分配：加大前轮载荷分配，便易产生不足转向。 （ 3 ）侧倾刚度：加粗稳定杆，就会使车身侧倾刚度提高， 就容易引起不足转向。 （ 4 ）前轮外倾：如在（＋）方向加大前轮外倾角，则外倾 推力使转向侧向力减少，故易造成不足转向。

1. 行驶跑偏： 汽车在直线道路上行驶时，若驾驶 员松握方向盘，行驶方向会自动朝 一侧偏离，这种现象称为行驶跑偏。

（ 1 ）前轮定位失准。包括主销后倾角不等、主销 内倾角不等和前轮外倾角不等。 （ 2 ）汽车左右侧轴距不一致。 （ 3 ）汽车左右行驶阻力不一致。 （ 4 ）左右侧车轮半径不一致 包括因磨损和气压不一致导致左右侧车轮运动半 径不等。 引起行驶跑偏的主要原因有：

高速振摆 汽车在高速行驶或在某一较高速行驶时， 出现行驶不稳定、车头摆动甚至转向盘 抖动，这种现象称为高速振摆。

低速摆头： 汽车在时速 20km/h 以下时，感到方向忽 左忽右不稳定，车头摆动，不能保证直 线行驶，运动轨迹出现 “ 蛇形 ” 现象。

引起低速摆头的主要因素： （ 1 ）非独立悬架的 “ 轴转向 ” 。 （ 2 ）悬架与转向传动机构运动不协调。 （ 3 ）前轮定位失准。 （ 4 ）转向器和传动机构间隙过大。 （ 5 ）后轴超载或后轮胎气压不足。 引起高速振摆的主要因素除引起低速摆头 的以上各种因素外，动不平衡现象和共振 现象也是引起高速振摆的主要原因。

操纵轻便性 （ 1 ）停止时：停车时的操纵轻便性，用静态操纵力表示。 它代表了停车和入库等情况。 降低前轮轮胎气压或加大载荷，都会使方向盘沉重。 （ 2 ）行驶时：可用较低车速、大转角、沿 “ 8 ” 字形车线行驶， 或在高速下沿蛇形车线行驶的试验进行评价。 沿 “ 8 ” 字形的雷姆尼斯哥德曲线的行驶情况，代表了市区行 驶时的方向操纵轻便性； 蛇形高速行驶则代表了方向盘的手感。 轮胎气压或载荷、轮胎自动回正特性、前轮外倾角的大小 等因素，都会影响转向操纵轻便性。

影响转向操纵轻便性的因素

1 ）轮胎接地部位的作用力：汽车静态时，要强迫轮胎滑动， 必须提供相当的力。行驶时，轮胎处于滚动状态，其力比 停止时的要小很多。影响该力的因素：载荷、轮胎气压、 轮胎结构、悬架和前轮定位。路面摩擦系数对其影响也很 大。 2 ）转向系内摩擦力和效率：经方向盘到转向机，而后通过 拉杆机构到达前轮过程中，产生摩擦力。 3 ）传动机构：方向机或拉杆的传动比是减轻转向沉重的重 要因素。 传动比的选择要适度，其原则是既要保证方向盘操纵轻便， 又不会造成操作紧张和忙乱。 动力转向就是为获取轻便操纵力的动力装置。

提高操纵稳定性的电子控制系统 1. 车辆稳定控制系统 (Vehicle Stability Control System,VSC) 。 这个系统是以 ABS 为基础发展而成的。系统主要 在大侧向加速度、大侧偏角的极限工况下工作。 它利用左、右两侧制动力之差产生的的横摆力偶 矩来防止出现难以控制的侧滑现象，如在弯道行 驶中因前轴侧滑而失去路径跟踪能力的驶出现象 及后轴侧滑甩尾而失去稳定性的激转。

2.VSC 组成 （ 1 ）用于各个车轮施加制动的执行机构。 （ 2 ）用于控制驱动力的节气门执行机构与节气门传 感器。 （ 3 ）轮速传感器。 （ 4 ）横摆角速度传感器。 （ 5 ）侧向、纵向加速度传感器。 （ 6 ）转向角传感器。 （ 7 ）制动主缸压力传感器。 （ 8 ）进行程序计算的 ECU 。

四轮转向

四轮定位对操纵稳定性影响 主销后倾角过大时，转向沉重，驾驶员容易 疲劳； 主销后倾角过小时，在汽车直线行驶时，容 易发生前轮摆振，转向盘自动回正能力变弱， 驾驶员会失去路感； 当左右车轮的主销后倾角不相等时，车辆直 线行驶时会引起跑偏，驾驶员不敢放松方向 盘，难于操纵或极易引起驾驶员疲劳。

4.2.4 汽车操纵稳定性试验 1. 试验场地：试验场或实际路面。 2. 测定参数：车速、侧向加速度、侧倾角、 侧倾角速度、车轮轨迹、航向角、转向盘 操纵力。 3. 仪器：第五车轮、测力转向盘、加速度计、 陀螺测量仪。

4. 试验内容 （ 1 ）稳定转向特性试验 定圆转向试验、车速、转角、横摆角速度。

4. 试验内容 （ 2 ）瞬态横摆响应试验 车速 40km/h 、 110km/h ， >500deg/s,

4. 试验内容 （ 3 ）回正能力试验 40km/h 、 80km/h 、侧向加速度 0.4g 。 然后突然完全松开转 向盘，汽车将从圆周 行驶回复到直线行驶