第5章 汽车操纵稳定性

第13章 汽车的操纵稳定性 第5章​  汽车的操纵稳定性 学习目标 通过本章的学习，应掌握汽车行驶的纵向和横向稳定性条件；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和操纵稳定性的道路试验内容。 汽车在其行驶过程中，会碰到各种复杂的情况，有时沿直线行驶，有时沿曲线行驶。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。一辆操纵性能良好的汽车必须具备以下的能力： （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。 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。 5.1节汽车行驶的纵向和横向稳定性 5.1.1 汽车行驶的纵向稳定性 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，汽车将失去操纵性，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。 图5.1 汽车上坡时的受力图 图5.1为汽车上坡时的受力图，如汽车在硬路面上以较低的速度上坡，空气阻力 可以忽略不计，由于剩余驱动力用于等速爬坡，即汽车的加速阻力 ，加速阻力矩 ，而车轮的滚动阻力矩 的数值相对来说比较小，可不计入。 分别对前轮着地点及后轮着地点取力矩，经整理后可得 （5.1） 当前轮的径向反作用力 时，即汽车上陡坡时发生绕后轴翻车的情况，由式(5.1) 可得 将上式整理，可得不发生翻车的最大坡度角由下式确定： （5.2） 当道路的坡度角 时，汽车即失去操纵并可能后轴翻倒。汽车重心至后轴的距离 越大，重心高度 越小，则汽车越不容易发生绕后轴翻倒，汽车的纵向稳定性越好。在正常装载情况下，式（5.2）是能够满足的。 在上述稳定 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 中，尚未考虑驱动轮滑转的可能性。后轮驱动的汽车，以较低速度等速上坡时，驱动轮不发生滑转的临界状态为 （5.3） 式中： ——汽车后轮不发生滑转所能克服的最大道路坡度角。 驱动轮滑转与附着系数，汽车重心的位置及汽车的驱动型式有关。 将式(5.2)代入式(5.3)中，整理得 （5.4） 显然，如果 ＜ 即 ＜ 则当汽车遇有坡度角为 的坡道时，驱动轮因受附着条件的限制而滑转，地面不能提供足够的驱动力以克服坡度阻力，因而无法上坡，也就避免了汽车的纵向翻倒。所以，汽车滑转先于翻倒的条件是 ＜ 将上式整理得 ＞ （5.5） 上式即为后轮驱动型汽车的纵向稳定性条件。 对于前轮驱动型汽车，其纵向稳定性条件为 ＞ 对于全轮驱动型汽车，其纵向稳定性条件为 ＞ 由于现代汽车的重心位置较低，因此上述条件均能满足而有余。但是对于越野汽车，其轴距 较小，重心较高( 较大)，轮胎又具有纵向防滑花纹因而附着系数较大，故其丧失纵向稳定性的危险增加。因此，对于经常行驶于坎坷不平路面的越野汽车，应尽可能降低其重心位置，而前轮驱动型汽车的纵向稳定性最好。 5.1.2 汽车横向稳定性 汽车横向稳定性的丧失，表现为汽车的侧翻或横向滑移。由于侧向力作用而发生的横向稳定性破坏的可能性较多，也较危险。 图5.2 汽车在横向坡道上转向时的受力图 图5.2所示汽车在横向坡路上作等速弯道行驶时的受力图。随着行驶车速的提高，在离心力 作用下，汽车可能以左侧车轮为支点向外侧翻。当右侧车轮法向反力 时，开始侧翻。因此，汽车绕左侧车轮侧翻的条件为 （5.6） 如汽车转弯半径为R，行驶速度为u，则 将 代入式（5.6），可求出在横向坡道上不发生向外侧翻的极限车速为 （5.7） 由式（5.7）可见，当横向坡度值 时，式中分母为零， ，说明汽车在此坡度弯道行驶时，任意速度也不会使汽车绕外侧车轮侧翻。因此在公路建设上常将弯道外筑有一定的坡度，以提高汽车的横向稳定性。 若在水平路面上（ ），汽车转弯行驶不发生侧翻的极限车速为 （5.8） 比较式（5.7）和式（5.8），式（5.7）的 显然比式（5.8）大。 汽车在横向坡道上行驶发生侧滑的临界条件为 式中 ——附着系数。 整理后，得汽车在侧滑前允许的最大速度为 当 时， ，则以任何车速行驶也不发生侧滑。在 的水平道路上，汽车侧滑前所允许最大速度为 （5.9） 为了行驶安全，应使侧滑发生在侧翻之前，即 整理后得 （5.10） 比值 称为侧向稳定性系数，侧翻只能在附着系数大于侧向稳定性系数的道路上才能发生。在干燥沥青路面上， =0.7～0.8，一般满足式（5.10）的条件。只有当汽车重心提高后，减小了横向稳定性系数，才增加了翻车的危险。 5.2节 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。 5.2.1 轮胎的坐标系与术语 图5.3 车轮坐标系 图5.3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。 5.2.2 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5.4所示。 图5.4 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5.5a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5.5 轮胎的侧偏现象 a)静止 b)滚动 5.2.3 轮胎的侧偏特性 图5.6 轮胎的侧偏特性 图5.6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： （5.11） 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5.7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5.7 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。 5.2.4 回正力矩（绕 轴的力矩） 图5.8 回正力矩的产生 在轮胎发生侧偏时，还会产生图5.3所示作用于轮胎绕 轴的力矩 。圆周行驶时， 是使转向车轮恢复到直线行驶位置的主要恢复力矩之一，称为回正力矩。 回正力矩是由接地面内分布的微元侧向反力产生的。由图5.5可知，车轮在静止时受到侧向力后，印迹长轴线 与车轮平面 平行，错开Δh，即印迹长轴线 上各点的横向变形（相对于 平面）均为Δh，故可以认为地面侧向反作用力沿 线是均匀分布的（图5.8a）。车轮滚动时，印迹长轴线 不仅与车轮平面错开一定距离，而且转动了 角，因而印迹前端离车轮平面近，侧向变形小；印迹后端离车轮平面远，侧向变形大。可以认为，地面微元侧向反作用力的分布与变形成正比，故地面微元侧向反作用力的分布情况如图5.8b所示，其合力 的大小与侧向力 相等，但其作用点必然在接地印迹几何中心的后方，偏移某一距离e，e称为轮胎拖距， 就是回正力矩 。 在 增加时，接地印迹内地面微元侧向反作用力的分布情况如图5.8c所示。 增大至一定程度时，接地印迹后部的某些部分便达到附着极限，反作用力将沿345线分布（图5.8d）。随着 的进一步加大，将有更多部分达到附着极限，直到整个接地印迹发生侧滑，因而轮胎拖距会随着侧向力的增加而逐渐变小。 5.3节 汽车的转向特性 驾驶员操纵转向盘使汽车转向时，要通过眼睛、手和身体等感知汽车的转向效果，并经过头脑比较和判断，修正转向盘的操纵，这是通过驾驶员把系统的输出，反馈到输入而构成一个人工闭路系统。如不计入驾驶员的反馈作用，便称为开路系统，它的特点是系统的输出参数对输入控制没有影响。由于驾驶员的反馈作用十分复杂，作为闭路系统研究仍很不成熟，这里只把汽车作为一个开路系统，研究转向盘输入时汽车的运动 把汽车作为开路系统进行分析时见图5.9改变汽车运动状态的输入量（或称“干扰”），主要来自三个方面： 图5.9 作为开路系统的汽车简图 （1）​ 驾驶员通过力（力矩）操纵或位置（转角）操纵转向盘，使前轮转向； （2）​ 空气动力作用（如横向风）； （3）​ 路面不平等对汽车的作用。 汽车大多数行驶状况下，其侧向加速度不超过0.3～0.4g，可以把它看作一个线性动力学系统来分析。线性系统一个重要标志是可以运用叠加原理，可以把一个复杂的输出量，分解为简单的输入量，或者有多个输入量时，可按单个输入量求解，然后加以叠加。 由输入引起的汽车运动状况，可分为不随时间而变化的稳态与随时间变化的瞬态两种。相应的车辆响应称为稳态响应与瞬态响应。例如给等速直线行驶的汽车以前轮角阶跃输入，即急速转动前轮，然后维持前轮转角不变，一般汽车经过短暂时间后，将进入等速圆周行驶。一定车轮转角下的等速圆周行驶状态便是一种稳态。而等速直线行驶与等速圆周行驶间的过渡过程便是瞬态。 汽车的“等速圆周行驶”稳态响应，是评价汽车操纵稳定性的重要特性之一，称为汽车的“稳态转向特性”。汽车的稳态转向特性分成三种类型：不足转向、中性转向和过多转向。在圆周行驶时，驾驶员使转向盘保持一个固定的转角，令汽车以不同固定车速行驶，若行驶车速高时，汽车的转向半径R增大，这种汽车具有不足转向的特性。若汽车的转向半径R不变，这种汽车具有中性转向的特性。若转向半径愈来愈小，则具有过多转向的特性。只有具有适度不足转向的汽车，才有良好的操纵稳定性。汽车不能具有过多转向特性。具有中性转向特性的汽车也不好，因为汽车本身或外界使用条件的某些变化，中性转向特性的汽车通常会转变为过多转向特性而失去稳定。人们已经习惯于驾驶具有不足转向特性的汽车，知道如何通过转向机构使汽车遵循期望的路径行驶。 5.3.1 汽车的稳态转向特性 对汽车曲线运动进行初步分析时，把汽车看作平行于路面的平面运动。即汽车没有垂直运动，沿z轴的位移为零，绕y轴的俯仰角、绕x轴的侧倾角均为零。另外假设汽车前进速度不变，即沿x轴的汽车（绝对）速度u不变。因此汽车只有沿y轴的侧向运动与绕z轴的横摆运动这样两个自由度。 图5.10 二自由度汽车模型 图5.10是一个由前后两个具有侧向弹性的弹簧（轮胎）支承于地面、具有侧向及横摆的二自由度汽车模型。下面分析中令固结于汽车上的动坐标系原点与汽车重心重合。 从运动关系可以求得： 则 （5.12） 汽车高速行驶时，转向角δ一般不大，侧偏角一般不超过6°～8°，故可以认为 或 令稳态时单位前轮转角所引起的横摆角速度为“稳态横摆角速度增益”，用 表示。 则 （5.13） 假定汽车在水平道路上作等速圆周运动，则作用在汽车上的侧向力，仅为离心力 之侧向分力 ，其值为 当转角不大时，前轮侧偏力Fy1沿y轴的分力 ，故前后轮的侧偏力Fy1、Fy2可用下式计算： （5.14） 由侧偏特性 =ka知， ， ，连同式（5.14）代入式（5.13），得 （5.15） （5.16） 式中 G1，G2——前后轴的垂直载荷； K——稳定性因数。 从式（5.16）看出，不同的汽车重心位置和不同前后轮侧偏刚度匹配时，稳定性因数可以等于零、大于零或小于零。 图5.11 汽车的稳态横摆增益曲线 当K=0时， 。即稳态横摆角速度增益与车速u成线性关系如图5.11所示。具有这种特性的汽车，称为中性转向汽车。这个关系就是汽车轮胎无侧偏角时的转向关系。 当K＞0时，式（5.15）中分母大于1，横摆角速度增益比中性转向时小，即前轮转过相同的角度，汽车横摆角速度ω要小些， 是一条低于中性转向汽车稳态响应线，后来又向下弯曲的曲线。具有这样特性的汽车，称为不足转向汽车。K值越大，不足转向量越大。 当K＜0时，式（5.15）分母小于1，横摆角速度增益比中性转向时大，即前轮转过相同的角度，汽车横摆角速度 要大。具有这样特性的汽车，称为过多转向汽车。随车速增加， 曲线向上弯曲。K值越小，过多转向量越大。 除了稳定性因数K外，为了试验分析计算的方便，常引用别的参数来表征汽车的稳态转向特性。 （1）​ 用前后轴侧偏角差 来表征汽车稳态转向特性 令 为侧向加速度系数，表征侧向加速度 有零点几个g。则 所以 即当 K=0时，汽车为中性转向， K＞0时，汽车为不足转向， ＞0 K＜0时，汽车为过多转向， ＜0 （2）​ 用转向半径比值表征汽车稳态转向特性 当前轮转角 一定的条件下，侧向加速度为零时，车轮无侧偏角，汽车转向半径假定为 ，有一定侧向加速度时的转向半径为 ，则可用 来表征汽车的稳态转向特性。 如图5.10所示，当 和 都为零时，所得汽车转向半径 为 由式（5.15）可得 （5.17） 当 K=0时， =1，汽车为中性转向。转向半径不随车速变化，始终等于 。 K＞0时， ＞1，汽车为不足转向。转向半径总大于 ，且随车速的增加而加大。 K＜0时， ＜1，汽车为过多转向。转向半径总小于 ，且随车速的增加而减小。 总之，汽车稳态转向特性，取决于稳定性系数K的数值。把汽车简化为二个自由度模 型进行分析时，K值取决于重心位置、轴距及前后轮侧偏刚度的匹配。当重心向前移动或 减小前后轴轮胎侧偏刚度比时，会增加汽车的不足转向量。 5.3.2 汽车的瞬态响应 给等速直线行驶的汽车以前轮角阶跃输入，经过短暂时间后，将进入等速圆周行驶。等速直线行驶与等速圆周行驶的过渡过程便是瞬态，相应的响应称为前轮角阶跃输入引起的汽车瞬态响应。在一般汽车行驶时，实际上驾驶员不断接触到的是汽车的瞬态响应。 图5.12 转向盘阶跃输入时的汽车瞬态响应 图5.12所示为一辆直线行驶汽车，驾驶员在 处突然猛打转向盘，转过某一角度 后，保持转向盘不动，即给汽车一个转向盘角阶跃输入后的瞬态响应曲线。当车速不变时，汽车横摆角速度本应立即达到相应的 ，但实际上汽车横摆角速度的变化为 。作为这一过程的评价指标如下： （1）响应时间 以转向盘转角达到终值的50%的时刻，作为时间坐标原点，到所测横摆角速度第一次过渡到新稳态值的50%所用的时间，称为响应时间。这段时间应尽量短些， 响应时间太长，驾驶员将感到汽车转向反应迟钝。 （2）峰值响应时间 从时间坐标原点开始，到所测横摆角速度响应达到第一个峰值止， 这段时间称为峰值响应时间。由于打转向盘的起始时间难以准确确定，而且开始转动及停止 转动转向盘前，转向盘转角变化速率较大，所以响应时间与峰值响应时间只是一个相互比较 的参考性数据。 （3）横摆角速度超调量 在 时，横摆角速度达到最大值 ， 往往大于 ， 的百分数称为超调量。超调量表明瞬态响应中执行指令误差的大小。超凋量越小越好。减小超调量可使横摆角速度波动较快衰减。 （4）横摆角速度的波动量 在瞬态响应中，横摆角速度值 在 值上、下波动。车速一定时， 值的波动表现在转向半径R的时大时小，这就增加了驾驶的困难。汽车横摆角速度的波动周期T或频率，也是评价瞬态响应的重要参数。 （5）稳定时间 横摆角速度达到稳定值 的95%～105%之间的时间，称为稳定时间。这段时间应尽量短些，凡是能使横摆角速度加快衰减的因素，也是使稳定时间缩短的因素。 少数汽车可能出现横摆角速度不收敛情况，即 越来越大，若车速不变即转向半径R越来越小，就会急剧增加离心力，汽车将发生侧滑或侧翻等危险情况。 5.4节 汽车转向轮的振动 汽车在行驶过程中，有时出现转向轮的左右摆动和上下跳动。转向轮的振动使轮胎磨损急剧增加，并增加了转向机构的动载荷，降低零件使用寿命，同时也严重影响行驶安全。 汽车的转向轮通过悬架及转向机构与车架相连，这些互相联系的机件，组成了弹性振动系统。一是前轴绕纵轴的角振动，另一是前轮绕主销的角振动。直线行驶的汽车，当车轮越过单个凸起或凹坑时，前轮产生绕汽车纵轴的角振动。前轮将绕主销偏转，如果左轮升高，车轮将向右偏转；如果左轮下降，车轮将向左偏转，即激发了前轮绕主销的角振动，同时，由于陀螺效应，车轮绕主销的角振动，会反过来加剧前轴绕汽车纵轴的角振动。严重地破坏了汽车直线行驶的稳定性。为了避免这种现象，要求减小悬架下前轴系统的转动惯量，提高角振动的固有频率；改善公路状况，提高路面平整度；适当降低轮胎气压，增加轮胎吸振能力。 图5.13 车轮不平衡对转向轮振动的影响 车轮的不平衡可以引起周期性的激励，造成转向轮的振动。如图5.13所示。车轮转动时，其不平衡质量所引起的离心力 的水平分力 ，与力臂 形成力矩。此力矩直接使车轮偏转，其数值按正弦关系作周期性变化，变化的频率决定于汽车的行驶速度。此外，离心力 的垂直分力 ，则引起车轮的上下跳动，其特性与上述相同。 当左右车轮都不平衡，且不平衡质量处于对称位置时，则振动更为严重。为了避免因车轮不平衡引起的振动，要求无论是新轮胎或经翻修过的轮胎，在装用之前，都要进行动平衡试验，并消除不平衡因素。对于高速行驶的车，对车轮的不平衡度要求也高。 5.5节汽车操纵稳定性的道路试验 5.5.1 试验条件 5.5.1.1 试验应在平坦、干燥、清洁的水泥或沥青路面的场地上进行，场地在任意方向的坡度不大于0.1%。 5.5.1.2 试验风速不大于5m/s，大气温度一般在5～32℃之间。 5.5.1.3 所有对试验结果有影响的零部件均应经过检查、紧固和调整，特别是转向系和悬架机构的各零部件。 5.5.1.4 所有轮胎和轮辋型式及大小必须满足有关要求。使用新轮胎需有200km的正常行驶磨合；若使用旧轮胎，则在试验终了，从花纹沟底测量残留花纹的高度不小于0.15cm。轮胎气压按有关规定，气压小于250kPa时，允许的偏差为±5kPa，若气压大于250kPa，则允许的偏差为±2kPa。 5.5.1.5 试验应在汽车轻载及额定满载两种状态下进行。 5.5.2 试验项目和试验方法 5.5.2.1 低速行驶转向轻便性试验 该试验用于测定汽车在低速大转弯时的转向轻便性。 图5.14 测定转向轻便性的双纽线 试验时汽车按照画在场地上的双纽线（图5.14），以10km/h的车速行驶。双纽线轨迹的极坐标方程为 在 =0时，双纽线顶点处的曲率半径最小，其数值为 。双纽线的最小曲率半径应按试验汽车的最小转弯半径乘以1.05倍，并圆整到比此乘积大的一个整数来确定。 图5.15 方向盘转矩——方向盘转角曲线 试验中记录方向盘转角及方向盘转矩，并按双纽线路径每一周整理出如图5.15所示的方向盘最大转矩、方向盘最大作用力及方向盘作用功来评价转向轻便性。 5.5.2.2 汽车稳态回转试验——定方向盘转角、连续加速法 试验中，将方向盘转过某一角度后，固定不变，汽车连续加速至达到所需的侧向加速度，用于测定汽车车速及横摆角速度等参量，求出转弯半径随侧向加速度变化的特性。 试验前，在试验场地上画出半径为15m的圆周作为试验起始圆周（起始转向半径 =15m）。 该试验的试验方法是先使轮胎升温，而后汽车以最低稳定速度沿所画圆周行驶，待拖挂于汽车后部中点的第五车轮在半圈内都能对准地面上所画的圆周时，固定方向盘不动，汽车停车，启动记录仪器，记录下各变量的零线。汽车起步，缓慢连续加速，但纵向加速度不能超过0.25m/s2，直至汽车重心的侧向加速度达到6.5 m/s2，或受到发动机功率限制而达到的最高车速，或汽车出现不稳定状态为止。 汽车先向左转，后向右转，每个方向重复试验三次。 根据试验记录，作出汽车转弯半径 （ 为转弯半径）与侧向加速度 的关系曲线、汽车前、后轮侧偏角差值 与侧向加速度 的关系曲线以及方向盘力矩 与侧向加速度 的关系曲线等。 5.5.2.3 汽车稳态回转试验——定转弯半径法 试验中，以若干个固定车速，通过某一确定半径的圆弧，测量在不同测向加速度下方向盘转角的大小。 试验前，在试验场地上用明显颜色画出中心线为30m的圆弧形试验路径，如图5.16所示。 图5.16 圆弧形试验路径 试验方法是按汽车处于轻载及额定满载两种状态下进行，且轮胎应有一定的温升。汽车以最低稳定车速行驶，适当调整方向盘转角，以使汽车能按圆弧轨迹行驶。进入弯道后，保持节气门和方向盘位置在3s内不变，记录各变量。增加车速，但速度增加量每次不得大于0.5m/s，重复上述试验，直至侧向加速度达到6.5 m/s2为止。 试验应按向左转及向右转两个方向进行。可以先进行向左转或向右转的试验，从低速直至高速，然后反向试验；也可以在某一车速下向左、右两个方向进行后再增加车速。 根据记录的方向盘转角 ，前进车速 及横摆角速度 ，求出侧向加速度 ，然后作出 曲线。并根据记录的方向盘力矩 ，作出 曲线。 5.5.2.4 汽车回正能力试验 回正试验是表征和测定汽车从曲线行驶自行回复到直线行驶的过渡过程，是测定自由操纵力输入的基本性能试验。 汽车回正能力试验在平坦场地上进行，汽车以某一车速（一般车辆仅做中速回正试验；最高车速超过100km/h的车辆加做80km/h的高速回正试验）等速圆周（中速回正试验，圆周半径为15±1m）行驶，当侧向加速度达到（4±0.2）m/s2时，稳定3s，然后突然松开方向盘，在回正力矩作用下，前轮将要回复到直线行驶，记录这个过程的时间 、车速 、方向盘转角 和横摆角速度 、整理出 曲线。 5.5.2.5 汽车蛇行试验 在汽车以某一车速穿越若干直线布置的极桩时，测定汽车的横摆角速度、方向盘转角等变量。这些变量对汽车的方向稳定性、驾驶操作方便性、乘坐舒适性均有影响，这是一个包含驾驶员在内的闭环试验。 试验时，按规定的车速和路线，以不撞倒标桩为前提，由三位驾驶员每人往返穿行三次。记录方向盘转角 、横摆角速度 、方向盘力矩 等变量及通过有效标桩区的时间 ，最后求出各变量的平均值。试验路线如图5.17所示。标桩间距及车速见表5.1，场地长度不小于1000m，宽度不小于5倍车宽。 图5.17 蛇行路线 表5.1 标桩间距及车速 车 型 极桩间距离L/m 规定蛇行车速/km.h-1 轿车 30 60 小型越野汽车和客车，轻型载货汽车 20 40 中、大型载货汽车和客车，越野汽车 30 40 小结 1.​ 汽车行驶的纵向稳定性条件： 后轮驱动型汽车的纵向稳定性条件： ＞ 前轮驱动型汽车，其纵向稳定性条件为： ＞ 全轮驱动型汽车，其纵向稳定性条件为： ＞ 2.​ 汽车行驶的横向稳定性条件： 汽车在横向坡道上不发生向外侧翻的极限车速 汽车在侧滑前允许的最大速度 为了行驶安全，应使侧滑发生在侧翻之前，即 3.​ 车轮的坐标系：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。 4.​ 轮胎的侧偏特性：侧偏力与侧偏角成线性关系，即 ，其中 k——侧偏刚度[N/（°）]，其值应为负值。 5.​ 轮胎的侧偏特性的影响因素：侧偏刚度随垂直载荷的增加而加大；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。 6.​ 轮胎回正力矩 ：是使转向车轮恢复到直线行驶位置的主要恢复力矩之一，它是由接地面内分布的微元侧向反力产生的。 7.​ 汽车的稳态转向特性: 分成三种类型_——不足转向、中性转向和过多转向。只有具有适度不足转向的汽车，才有良好的操纵稳定性。 8.​ 汽车的稳态转向特性分析： ，式中G1，G2——前后轴的垂直载荷；K——稳定性因数。 当K=0时， 。即稳态横摆角速度增益与车速u成线性关系。具有这种特性的汽车，称为中性转向汽车。这个关系就是汽车轮胎无侧偏角时的转向关系。 当K＞0时，横摆角速度增益比中性转向时小，即前轮转过相同的角度，汽车横摆角速度ω要小些。具有这样特性的汽车，称为不足转向汽车。K值越大，不足转向量越大。 当K＜0时，横摆角速度增益比中性转向时大，即前轮转过相同的角度，汽车横摆角速度 要大。具有这样特性的汽车，称为过多转向汽车。K值越小，过多转向量越大。 9.​ 用前后轴侧偏角差 来表征汽车稳态转向特性： 即当 K=0时，汽车为中性转向， K＞0时，汽车为不足转向， ＞0 K＜0时，汽车为过多转向， ＜0 10.​ 用转向半径比值表征汽车稳态转向特性： 当K=0时， =1，汽车为中性转向。转向半径不随车速变化，始终等于 。 K＞0时， ＞1，汽车为不足转向。转向半径总大于 ，且随车速的增加而加大。 K＜0时， ＜1，汽车为过多转向。转向半径总小于 ，且随车速的增加而减小。 11.​ 汽车瞬态响应：给等速直线行驶的汽车以前轮角阶跃输入，经过短暂时间后，将进入等速圆周行驶。等速直线行驶与等速圆周行驶的过渡过程便是瞬态，相应的响应称为前轮角阶跃输入引起的汽车瞬态响应。 12.​ 汽车瞬态响应过程的评价指标有：响应时间、峰值响应时间、横摆角速度超调量、横摆角速度的波动量、稳定时间。 13.​ 汽车转向轮的振动：汽车在行驶过程中，有时出现转向轮的左右摆动和上下跳动的现象。转向轮的振动使轮胎磨损急剧增加，并增加了转向机构的动载荷，降低零件使用寿命，同时也严重影响行驶安全。当左右车轮都不平衡，且不平衡质量处于对称位置时，则振动更为严重。为了避免因车轮不平衡引起的振动，要求轮胎在装用之前，都要进行动平衡试验，并消除不平衡因素。对于高速行驶的车，对车轮的不平衡度要求也高。 14.​ 汽车操纵稳定性的道路试验：转向轻便性试验，汽车稳态回转试验——定方向盘转角、连续加速法，汽车稳态回转试验——定转弯半径法，汽车回正能力试验，汽车蛇行试验。 复习思考题 1、什么是汽车的操纵性和稳定性？何谓汽车的稳态和瞬态响应？ 2、什么是弹性轮胎的侧偏特性？侧偏刚度的物理意义是什么？ 3、汽车的稳态转向特性有几种？一般汽车应具有哪些性质的转向特性？为什么？ 4、什么是汽车的稳定性系数K？有几种方式可以判定或表征汽车的稳态转向特性？ 5、汽车转向时瞬态响应好坏评价指标是什么？ 6、 汽车左、右轮垂直载荷重新分配，对汽车转向特性有什么影响？为什么？ 7、某汽车轮距 ，质心高度 ，地面附着系数 。当汽车沿曲线半径为40m无倾斜的道路及有10°侧倾角的道路上行驶时，求： （1）侧翻在侧滑之前还是在侧滑之后？ （2）不发生侧滑的临介车速。 8、某一小客车总质量为2010kg，轴距为3.2m，其轴荷分配在静止水平情况下，前轴为53.5%，后轴为46.5%。 （1）已知每个前轮侧偏刚度为678.9N/（°），后轮侧偏刚度为667.2N/（°），试确定该车的稳态转向特性。 （2）若后轮保持不变，前轮换成子午线轮胎，每个子午线轮胎的侧偏刚度为834.2N（°），试求这时的汽车稳态转向特性。