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汽車的操縱穩(wěn)定性

2021-09-17 09:11:18·  來源：驅(qū)動(dòng)視界  
　
1. 概述一、汽車操縱穩(wěn)定性定義汽車操縱穩(wěn)定性是指汽車在行駛過程中，能遵循駕駛員給定的行駛方向行駛，且受各種外部干擾尚能保持穩(wěn)定行駛的能力。汽車的操縱穩(wěn)
1. 概述
一、汽車操縱穩(wěn)定性定義
汽車操縱穩(wěn)定性是指汽車在行駛過程中，能遵循駕駛員給定的行駛方向行駛，且受各種外部干擾尚能保持穩(wěn)定行駛的能力。
汽車的操縱穩(wěn)定性包括操縱性和穩(wěn)定性。
汽車操縱性是指汽車能夠確切地響應(yīng)駕駛者轉(zhuǎn)向指令的能力；而穩(wěn)定性是指汽車抵抗外界干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力，或汽車受到外界擾動(dòng)后恢復(fù)原來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力。
通常，汽車操縱性和穩(wěn)定性兩者關(guān)系密切，若汽車操縱性變壞，則汽車容易產(chǎn)生側(cè)滑、翻車而失去穩(wěn)定性；而汽車穩(wěn)定性變壞，則汽車又難以操縱直接影響操縱性。
實(shí)際上兩者難以截然分開，因此，常統(tǒng)稱為汽車的操縱穩(wěn)定性。
汽車的操縱穩(wěn)定性不僅影響汽車駕駛的操縱方便程度，而且還決定著高速汽車的行車安全，所以人們稱汽車操縱穩(wěn)定性是高速車輛的生命線。
隨著汽車保有量的增加和汽車車速的提高，汽車的操縱穩(wěn)定性越來越重要，已成為現(xiàn)代汽車的主要使用性能之一。
操縱穩(wěn)定性不好的具體表現(xiàn)
“飄”—汽車自己改變方向。升力或轉(zhuǎn)向系、輪胎、 懸架等問題。
“反應(yīng)遲鈍”—轉(zhuǎn)向反映慢。傳動(dòng)比太大。
“晃”—左右搖擺，行駛方向難于穩(wěn)定。
“喪失路感”—操縱穩(wěn)定性不好的汽車在高速或急劇轉(zhuǎn)向時(shí)會(huì)喪失路感，導(dǎo)致駕駛員判斷的困難。
“失控”—某些工況下汽車不能控制方向。制動(dòng)時(shí)無法轉(zhuǎn)向,甩尾，側(cè)滑，側(cè)翻。
二、車輛坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的時(shí)域響應(yīng)
1.車輛坐標(biāo)系和汽車主要運(yùn)動(dòng)形式


2. 汽車的時(shí)域響應(yīng)
汽車瞬態(tài)響應(yīng)
轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)：等速直線行駛和等速圓周行駛兩個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)之間的過渡過程所對(duì)應(yīng)的瞬間運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。




汽車的時(shí)域響應(yīng)
汽車穩(wěn)態(tài)響應(yīng)
轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下進(jìn)入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：等速直線行駛，急劇轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤，然后維持轉(zhuǎn)角不變，即對(duì)汽車施以轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入，汽車經(jīng)短暫的過渡過程后進(jìn)入等速圓周行駛工況。


三、人--車閉環(huán)系統(tǒng)
汽車時(shí)域響應(yīng)是把汽車作為開環(huán)控制系統(tǒng)的控制特性。
駕駛員－汽車系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)：在汽車行駛過程中，駕駛員根據(jù)需要，操縱轉(zhuǎn)向盤使汽車做轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。
路面的凹凸不平、側(cè)風(fēng)、偏載等影響汽車的行駛。
駕駛員根據(jù)道路、交通等情況，通過眼、手及身體感知的汽車運(yùn)動(dòng)狀況（輸出參數(shù)），經(jīng)過頭腦的分析、判斷（反饋），修正其對(duì)轉(zhuǎn)向盤的操縱。
如此不斷地反復(fù)循環(huán)，操縱汽車行駛前進(jìn)。


駕駛員--汽車閉環(huán)系統(tǒng)
四、汽車操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法
汽車試驗(yàn)的兩種評(píng)價(jià)方法
  • 客觀評(píng)價(jià)法
客觀評(píng)價(jià)法是通過儀器測(cè)出表征性能的物理量來評(píng)價(jià)操縱穩(wěn)定性的方法，它能通過分析求出其與汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)系。
  • 主觀評(píng)價(jià)法
主觀評(píng)價(jià)法就是感覺評(píng)價(jià)。
考慮到了人的感覺，能發(fā)現(xiàn)儀器不能測(cè)試出的現(xiàn)象，是操縱穩(wěn)定性的最終評(píng)價(jià)方法，但很難給出定量評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。
汽車操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法
汽車操縱穩(wěn)定性的基本內(nèi)容及評(píng)價(jià)所用物理參量


2. 汽車行駛穩(wěn)定性
一、側(cè)向穩(wěn)定性
側(cè)向穩(wěn)定性是指汽車抵抗側(cè)翻和側(cè)滑的能力。
1. 側(cè)向穩(wěn)定性條件
若汽車轉(zhuǎn)彎行駛滿足一定條件，則不會(huì)產(chǎn)生側(cè)向翻車和滑移。
不側(cè)滑的最高車速
設(shè)汽車在彎道行駛時(shí)，不發(fā)生側(cè)向滑移的最高車速為
側(cè)向穩(wěn)定性
畫受力圖分析（汽車在橫向坡度角為β的路面等速向右轉(zhuǎn)向行駛）


側(cè)向穩(wěn)定性
汽車在側(cè)向坡道上行駛側(cè)滑的臨界條件
Fyl=Fzlφ、Fyr=Fzrφ 或Fyl+ Fyr=（Fzl+Fzr）φ
其方程如下：
FCcosβ－Gsinβ=（FCsinβ+Gcosβ）φ
當(dāng)汽車沿半徑為R之圓周等速行駛時(shí)有






汽車在側(cè)向坡道上行駛側(cè)翻的臨界條件
當(dāng)Fzr=0時(shí)，汽車可能失去側(cè)向穩(wěn)定而向左側(cè)翻，其不側(cè)翻的條件為:
FCcosβhg≤FCsinβB/2+GcosβB/2+Gsinβhg
當(dāng)汽車沿半徑為R之圓周等速行駛時(shí)有:


側(cè)向穩(wěn)定性
汽車側(cè)向穩(wěn)定性系數(shù)
翻車和側(cè)滑相比，翻車導(dǎo)致的后果更為嚴(yán)重。
因此，為使行車安全，應(yīng)使側(cè)滑發(fā)生在側(cè)翻之前，即：
Vφmax＜Vβmax
這樣汽車一旦側(cè)滑，車速就不可能提高，因而保證不會(huì)翻車。
由此推得的結(jié)論是：


式中的B/（2hg）稱為汽車側(cè)向穩(wěn)定性系數(shù)，它反映了汽車抗側(cè)翻的能力。
該式表明：當(dāng)側(cè)向穩(wěn)定性系數(shù)大于路面附著系數(shù)時(shí)，汽車側(cè)翻不可能發(fā)生。
因此，汽車的輪距越大，質(zhì)心高度越低，側(cè)向穩(wěn)定性系數(shù)越大，則汽車抗側(cè)翻的穩(wěn)定性就越好。
2. 側(cè)向穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)
GB7258－2004《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》中規(guī)定：車輛在空載、靜態(tài)狀態(tài)下，向左側(cè)和右側(cè)傾斜最大側(cè)傾穩(wěn)定角，雙層客車不允許小于28°；總質(zhì)量為車輛整備質(zhì)量的1.2以下的車輛不允許小于30°；臥鋪客車不允許小于32°。
在國(guó)外，有的國(guó)家對(duì)轎車的抗側(cè)翻能力，規(guī)定了檢驗(yàn)的高標(biāo)準(zhǔn)和低要求。
高標(biāo)準(zhǔn)是指在平坦的水泥或?yàn)r青路面的場(chǎng)地上，以任意的行駛速度和轉(zhuǎn)向組合操縱，都不得翻車。
低要求是：在平坦堅(jiān)實(shí)的場(chǎng)地上，以50km/h和80km/h的車速行駛，以500度/秒的角速度把轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)過180°，不得翻車；在平坦的水泥或?yàn)r青路面的場(chǎng)地上，成一直線布置11根標(biāo)桿，間距為30m，汽車以72km/h的車速繞桿行駛，不得翻車。
二、縱向穩(wěn)定性
縱向穩(wěn)定性是指汽車上坡或下坡時(shí)，汽車抵抗繞后軸或前軸翻車的能力。
當(dāng)?shù)缆返目v向坡度角較大時(shí)，汽車重力沿縱向坡道的分力可能導(dǎo)致汽車的縱翻。
研究分析表明，汽車等速行駛時(shí)，上坡比下坡更容易縱翻；上坡行駛時(shí)，后輪驅(qū)動(dòng)的汽車更容易縱翻。
因此，下面以4×2后輪驅(qū)動(dòng)汽車等速上坡為例說明汽車不產(chǎn)生縱翻的條件。
1．汽車上坡時(shí)的受力分析
后輪驅(qū)動(dòng)、勻速上坡、令Fw=0，Mf=0


2．汽車勻速上坡不翻車的最大坡度角αmax
當(dāng)FZ1=0時(shí)，失去轉(zhuǎn)向能力，并可能產(chǎn)生縱向翻倒。
由FZ1=（L2Gcosα－h(huán)gGsinα）/L，令FZ1=0，解得：
tgαmax=L2/hg
利用汽車總重力通過后輪與地接觸點(diǎn)也可得上述結(jié)論。
為不致縱翻，路面縱向坡度角：
α＜arctg（L2/hg）
由上式知：L2↑，hg↓，αmax則越大，越不易縱翻。
3．考慮后輪滑轉(zhuǎn)情況
設(shè)后輪剛發(fā)生滑轉(zhuǎn)的的道路坡度角為αφmax
由受力圖知：FZ2=（L1Gcosα+ hgGsinαφmax）/L
FX2=FZ2φ=Gsinαφmax
聯(lián)立解得：tgαφmax=φL1/（L－φhg）


4．保證縱向穩(wěn)定性條件（后輪驅(qū)動(dòng)）
滑轉(zhuǎn)應(yīng)在縱翻之前發(fā)生，即：
tgαφmax＜tgαmax
φL1/（L－φhg）＜L2/hg
∴φ＜L2/hg
正常裝載情況下，上式能滿足。
下述情況應(yīng)注意：
裝運(yùn)重心高的貨物。hg↑
裝點(diǎn)太靠后，使L2↓
路面條件差，縱向坡度角較大。
一般汽車因L1＞L2，故下坡時(shí)縱翻的危險(xiǎn)性較小。
3. 輪胎側(cè)偏特性
輪胎的側(cè)偏特性主要是指?jìng)?cè)偏力、回正力矩與側(cè)偏角的關(guān)系，它是研究汽車操縱穩(wěn)定性的理論基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)。
一、輪胎坐標(biāo)系


二、輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象




三、輪胎的側(cè)偏特性
側(cè)偏力FY和側(cè)偏角α的關(guān)系曲線，稱為輪胎的側(cè)偏特性。


輪胎的側(cè)偏特性
在側(cè)偏角不超過可4°～5°時(shí)，側(cè)偏力FY與側(cè)偏角α成線性關(guān)系，可由下式表示：
FY=ka k=-28~-80KN/rad
式中 k—側(cè)偏剛度，由輪胎坐標(biāo)系有關(guān)符號(hào)規(guī)定可知，負(fù)的側(cè)偏力產(chǎn)生正的側(cè)偏角，故k為負(fù)值，其單位為N/（°）或N/rad，它表示輪胎側(cè)偏一度或一弧度所需的側(cè)偏力。
α通常在3°以內(nèi)，一般不超過5°。


四、輪胎結(jié)構(gòu)、工作條件對(duì)側(cè)偏特性的影響
半徑尺寸↑的輪胎，k（絕對(duì)值，下同） ↑ ；
子午線輪胎接地面寬，k大；
鋼絲輪胎比尼龍輪胎k大；
扁平率：輪胎斷面高度與斷面寬度之比H/B ↓， k ↑ ，如圖；
在一定范圍內(nèi)，載荷↑（FZ ↑ ） ，k ↑，如圖 。但載荷↑太大時(shí)，k↓；
輪胎充氣壓力↑ ，k ↑ ，如圖；
考慮輪胎切向力作用時(shí)，其側(cè)偏特性如圖；
潮濕特別在積水時(shí)，k↓很大。
五、影響側(cè)偏剛度的因素
輪胎的側(cè)偏剛度是決定操縱穩(wěn)定性的重要輪胎參數(shù)，輪胎應(yīng)有較高的側(cè)偏剛度，以保證汽車良好的操縱穩(wěn)定性。
輪胎的結(jié)構(gòu)型式、輪胎氣壓、垂直載荷對(duì)其側(cè)偏剛度影響較大。
尺寸較大的輪胎，承載能力大，k（絕對(duì)值，下同）較大；
寬系列輪胎，有較大的接地面積，k 較大，采用寬系列輪胎，是目前提高 k 主要措施；
子午線輪胎接地面寬，k值比普通斜交輪胎大；
垂直載荷大，變形大，接觸面大，輪胎局部側(cè)滑傾向減少，相當(dāng)于k 增大，但載荷超過150%額定載荷時(shí)，輪胎與地面接觸區(qū)的壓力變得極不均勻，反而使 k 減小；
輪胎氣壓降低，輪胎更富有彈性，k 減小。




一定側(cè)偏角下，驅(qū)動(dòng)力或制動(dòng)力增加時(shí)，側(cè)偏力逐漸有所減小，這是由于輪胎側(cè)向彈性有所改變的關(guān)系。
當(dāng)縱向力相當(dāng)大時(shí)，側(cè)偏力顯著下降，接近附著極限時(shí)，切向力已耗去大部分附著力，而側(cè)向力能利用的附著力很小。


六、汽車轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)學(xué)
為了反映彈性輪胎側(cè)偏時(shí)對(duì)汽車轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的影響，有必要比較剛性車輪和彈性車輪轉(zhuǎn)向時(shí)的幾何關(guān)系。
1. 剛性車輪轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系
根據(jù)圖中的轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系可推得：
R0=L/tanδ
當(dāng)前輪轉(zhuǎn)角不大時(shí)，tanδ≈δ，δ用弧度表示，于是上式可寫成：
R0=L/δ


2.彈性車輪轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系
彈性車輪汽車轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)如圖。


設(shè)前輪轉(zhuǎn)過δ角后作穩(wěn)態(tài)等速圓周行駛，在離心力作用下，前后車輪均受到側(cè)向力的作用，其彈性車輪產(chǎn)生了側(cè)偏現(xiàn)象，前、后軸車輪產(chǎn)生的側(cè)偏角為α1、α2，相應(yīng)的速度方向變?yōu)閂A′、VB′，轉(zhuǎn)向瞬心變?yōu)镺′，轉(zhuǎn)向半徑變?yōu)镽， 根據(jù)圖中的轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系可推得：
R=L/[tan（δ-α1）+tanα2]
當(dāng)轉(zhuǎn)角不大（高速行駛δ不大）時(shí)，
tan（δ-α1）+ tanα2≈δ－α1＋α2，
則有： R=L/[δ-（α1－α2）]
結(jié)論：彈性車輪汽車處于轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，由于輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象，使汽車的運(yùn)動(dòng)軌跡不同于剛性車輪。
4. 汽車的操縱特性
一、線性二自由度汽車模型的運(yùn)動(dòng)微分方程
忽略轉(zhuǎn)向系的影響，直接以前輪轉(zhuǎn)角作為輸入；
汽車只進(jìn)行平行于地面的平面運(yùn)動(dòng)，而忽略懸架的作用；
汽車前進(jìn)（縱軸）速度不變，只有沿y軸的側(cè)向速度和繞z軸的橫擺運(yùn)動(dòng)(ay<0.4g)；
驅(qū)動(dòng)力不大，對(duì)側(cè)偏特性無影響；
忽略空氣阻力；
忽略左右輪胎因載荷變化引起輪胎特性的變化；
忽略回正力矩的變化。
轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)分析
汽車的質(zhì)量分布參數(shù)對(duì)于固結(jié)于汽車的動(dòng)坐標(biāo)系是常數(shù)，因而可利用該坐標(biāo)系列出其坐標(biāo)軸方向的微分方程


運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度變化量









運(yùn)動(dòng)微分方程








2. 穩(wěn)定性因數(shù)


K — 稱為穩(wěn)定性因數(shù)（s2/m2）。
穩(wěn)定性因數(shù)K是表征汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性的一個(gè)重要參數(shù)，它把汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)m、L、L1、L2、k1、k2與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性定量地聯(lián)系起來，以便從設(shè)計(jì)上保證汽車具有適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向特性。


3. 穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的三種類型
常用穩(wěn)定性因數(shù)K作為表征汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性的參數(shù)


（1）中性轉(zhuǎn)向
若K=0，則R= R0，汽車轉(zhuǎn)向半徑R和剛性車輪轉(zhuǎn)向半徑R0相同，汽車具有中性轉(zhuǎn)向特性。
中性轉(zhuǎn)向特性汽車的轉(zhuǎn)向靈敏度與車速的變化關(guān)系曲線，如圖所示。


（2）不足轉(zhuǎn)向
若K＞0，則R＞R0，汽車具有不足轉(zhuǎn)向特性，K值越大，不足轉(zhuǎn)向量越大。當(dāng)δ一定時(shí),隨著車速↑其R↑。
轉(zhuǎn)向靈敏度比中性轉(zhuǎn)向汽車的小。


特征車速
不足轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向靈敏度達(dá)到最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的車速。


（3）過多轉(zhuǎn)向
若K＜0，則R＜R0，汽車具有過多轉(zhuǎn)向特性，K的絕對(duì)值越大， 過多轉(zhuǎn)向量越大。當(dāng)δ一定時(shí)，隨著車速↑其R↓。
轉(zhuǎn)向靈敏度比中性轉(zhuǎn)向汽車的大。


臨界車速
過多轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向靈敏度趨于無窮大時(shí)所對(duì)應(yīng)的車速。


過多轉(zhuǎn)向
過多轉(zhuǎn)向汽車車速達(dá)到臨界車速時(shí)將失去穩(wěn)定性。因?yàn)橹灰粋€(gè)很小的轉(zhuǎn)角δ，橫擺角速度增益ωz/ δ就趨于無窮大。
過多轉(zhuǎn)向汽車在臨界車速下行駛時(shí)，很小的轉(zhuǎn)角δ，就意味著汽車的轉(zhuǎn)向半徑極小，這樣汽車必定發(fā)生激轉(zhuǎn)而發(fā)生側(cè)滑或側(cè)翻。


例題
例：某轎車重20.105千牛頓，軸距L=3.2米，前軸軸荷占53.5％，后軸軸荷占46.5％。
1）如果每個(gè)前輪胎的側(cè)偏剛度為-38.92千牛頓／弧度、后輪胎的側(cè)偏剛度為38.25千牛頓／弧度，試確定該車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性及特征車速或臨界車速。


三、表征汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性的其他參數(shù)
1. 用α1-α2差值表征


α1-α2=0，說明R=R0，汽車具有中性轉(zhuǎn)向特性。
α1-α2＞0，說明R＞R0，汽車具有不足轉(zhuǎn)向特性。
α1-α2＜0，說明R＜R0，汽車具有過多轉(zhuǎn)向特性。
2.用轉(zhuǎn)向半徑比值表征


R/R0=1 ，中性轉(zhuǎn)向。
R/R0＞1，不足轉(zhuǎn)向，u↑，R/R0↑。
R/R0＜1，過多轉(zhuǎn)向，u↑，R/R0↓。
3.用靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù)S.M表征


靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù)S.M




四、轉(zhuǎn)向特性對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響
1. 轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性


過多轉(zhuǎn)向汽車車速達(dá)到臨界車速時(shí)將失去穩(wěn)定性。因?yàn)橹灰粋€(gè)很小的轉(zhuǎn)角δ，橫擺角速度增益ωz/ δ就趨于無窮大，必將導(dǎo)致汽車急轉(zhuǎn)而發(fā)生側(cè)滑或側(cè)翻。
不足轉(zhuǎn)向汽車穩(wěn)定性好，但轉(zhuǎn)向靈敏性差，在相同的彎道行駛時(shí)，前輪的轉(zhuǎn)角較大，駕駛者應(yīng)多轉(zhuǎn)一下轉(zhuǎn)向盤。
中性轉(zhuǎn)向汽車趨于兩者之間，但有向過多轉(zhuǎn)向變化的危險(xiǎn)。
2. 直行抗干擾能力
中性轉(zhuǎn)向


過多轉(zhuǎn)向


不足轉(zhuǎn)向


結(jié) 論
不足轉(zhuǎn)向特性的汽車具有良好的操縱穩(wěn)定性，所以現(xiàn)代汽車都采用不足轉(zhuǎn)向特性。
人們已習(xí)慣于駕駛具有不足轉(zhuǎn)向特性的汽車，知道如何控制轉(zhuǎn)向盤使汽車遵循期望的路徑行駛。
若汽車的轉(zhuǎn)向特性因使用因素的變化而突然發(fā)生改變，由于駕駛者的經(jīng)驗(yàn)不適應(yīng)新的、不良的轉(zhuǎn)向特性，則轉(zhuǎn)彎時(shí)就有可能出現(xiàn)汽車失控而造成事故。
五、影響轉(zhuǎn)向特性的因素
1．汽車質(zhì)量分配與車輪側(cè)偏剛度的匹配


2. 輪胎氣壓的變化
輪胎充氣壓力 ↑ ，k的絕對(duì)值↑。
因此前輪胎充氣壓力 ↑，則汽車趨于過多轉(zhuǎn)向特性。
同理可分析前后輪胎充氣壓力變化對(duì)轉(zhuǎn)向特性的影響。
影響轉(zhuǎn)向特性的因素
3. 輪胎結(jié)構(gòu)的不同
寬系列輪胎
子午線輪胎
輪胎的結(jié)構(gòu)不能隨意更換


4．汽車的驅(qū)動(dòng)型式
轉(zhuǎn)向時(shí)施加于驅(qū)動(dòng)輪上的切向力增加，車輪的側(cè)偏剛度將下降。
因此，后輪驅(qū)動(dòng)車輛，轉(zhuǎn)向時(shí)有減少不足轉(zhuǎn)向特性、向過多轉(zhuǎn)向特性變化的趨勢(shì)；前輪驅(qū)動(dòng)車輛，轉(zhuǎn)向時(shí)有增加不足轉(zhuǎn)向特性的趨勢(shì)。
5．左、右輪垂直載荷再分配


注意?。?！
在側(cè)傾力矩的作用下，汽車左右車輪的垂直載荷發(fā)生變化，這將導(dǎo)致輪胎的側(cè)偏特性變化而使汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性發(fā)生變化。
左右車輪垂直載荷差別越大，側(cè)偏剛度越小。
若前軸左右車輪的垂直載荷變化大，則趨于不足轉(zhuǎn)向。后軸左右車輪的垂直載荷變化大，則為趨于過多轉(zhuǎn)向。
車輪左右載荷的變動(dòng)取決于：側(cè)傾角剛度、質(zhì)心位置等。
6.側(cè)傾轉(zhuǎn)向
側(cè)傾轉(zhuǎn)向: 是在側(cè)向力作用下，車廂發(fā)生側(cè)傾，而引起車輪偏轉(zhuǎn)，即車輪圍繞垂直軸線或轉(zhuǎn)向節(jié)主銷轉(zhuǎn)動(dòng)。
也稱軸轉(zhuǎn)向: 發(fā)生側(cè)傾轉(zhuǎn)向時(shí)，車軸發(fā)生繞垂直軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)。
也稱運(yùn)動(dòng)學(xué)側(cè)偏: 車軸和車輪圍繞垂直軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)與輪胎側(cè)偏之效果一樣。
后軸的軸轉(zhuǎn)向?qū)Ψ€(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性的影響


在側(cè)傾作用下板簧懸架的軸轉(zhuǎn)向


7. 側(cè)傾時(shí)車輪外傾角變化
車身傾斜時(shí)，由于懸架形式不同，車輪外傾角會(huì)發(fā)生變化，使輪心前進(jìn)方向發(fā)生變化，這與輪胎側(cè)偏具有相同的效果，可使汽車的轉(zhuǎn)向特性發(fā)生變化。
車廂側(cè)傾時(shí)，因懸架形式不同，對(duì)車輪的傾斜有不同的影響。
車廂側(cè)傾時(shí)，車輪傾斜有三種情況。
保持外傾角不變，如非獨(dú)立懸架，無影響


沿側(cè)向力方向傾斜，側(cè)偏角↑。如單縱臂式（富康轎車后懸架）、雙橫臂式，燭式懸架（一般轎車的前懸架）。


沿側(cè)向力相反方向傾斜，側(cè)偏角↓。如單橫臂式懸架（小向心加速度）。


因此，車身傾斜時(shí)，對(duì)汽車的轉(zhuǎn)向特性有一定的影響。
正常情況下，車輪傾斜5～6°將使輪胎側(cè)偏角改變1°。
為了獲得良好的汽車操縱穩(wěn)定性，前后懸架的形式應(yīng)合適。
5. 轉(zhuǎn)向輪的擺振與穩(wěn)定
一、轉(zhuǎn)向輪的振動(dòng)
1．現(xiàn)象
1）轉(zhuǎn)向輪繞主銷振動(dòng)：方向盤居中時(shí)，轉(zhuǎn)向輪繞主銷擺振，如圖b。
2）角振動(dòng)：汽車前軸在垂直的橫向平面內(nèi)產(chǎn)生角振動(dòng)a，即左、右車輪上、下跳動(dòng)，甚至使其跳離地面。
轉(zhuǎn)向輪的這兩種振動(dòng)形式，即前輪的上下跳動(dòng)和繞主銷的擺動(dòng)，兩者彼此不是孤立的，它們之間存在著回轉(zhuǎn)聯(lián)系。


2．結(jié)果
1）高速時(shí)汽車蛇形前進(jìn)，嚴(yán)重時(shí)駕駛員無法扶穩(wěn)激烈擺動(dòng)的方向盤。
2）轉(zhuǎn)向輪的振動(dòng)使輪胎磨損急劇增加，并增加了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的動(dòng)載荷，降低零件的使用壽命。
3）轉(zhuǎn)向輪的振動(dòng)嚴(yán)重地影響了汽車的行駛安全。
為避免轉(zhuǎn)向輪振動(dòng)產(chǎn)生的不良后果，駕駛員被迫降低行駛速度，因而使汽車的運(yùn)輸生產(chǎn)率降低。


二、轉(zhuǎn)向輪擺振的原因
1．前軸角振動(dòng)引起轉(zhuǎn)向輪擺振
行駛中，車輪受路面不平的沖擊，前軸在垂直的橫向平面內(nèi)產(chǎn)生角振動(dòng)，在某一車速下，來自路面不平的沖擊頻率與前軸角振動(dòng)的固有頻率接近時(shí)，發(fā)生共振，嚴(yán)重時(shí)，一邊的車輪可以跳離地面。
前軸角振動(dòng)使具有較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的車輪旋轉(zhuǎn)平面的方位改變(不含車輪旋轉(zhuǎn)平面的平移)，由于陀螺儀效應(yīng)的影響，引起轉(zhuǎn)向輪在水平平面內(nèi)繞主銷左右擺振。
1）陀螺儀效應(yīng)的原理
陀螺儀效應(yīng)的原理圖如下。


設(shè)一外力矩M使儀架在簡(jiǎn)圖平面內(nèi)繞O點(diǎn)以角速度dψ/dt旋轉(zhuǎn)，由于飛輪平面傾斜，則陀螺儀儀架繞垂直軸O〞O〞以角速度ωφ回轉(zhuǎn)。這個(gè)運(yùn)動(dòng)稱為進(jìn)動(dòng)，是在所謂回轉(zhuǎn)力矩Mg的作用下實(shí)現(xiàn)的。
其力矩Mg為：
Mg=JKωK·dψ/dt
式中 JK—飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，相當(dāng)于車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
ωK—飛輪的角速度；
dψ/dt—飛輪側(cè)傾的角速度，相當(dāng)于車輪角振動(dòng)的角速度。
飛輪側(cè)傾的角速度dψ/dt及飛輪的角速度ωK愈大，則回轉(zhuǎn)力矩Mg愈大，陀螺儀儀架的進(jìn)動(dòng)速度亦愈大。
陀螺儀效應(yīng)的原理
行駛中的汽車轉(zhuǎn)向輪類似陀螺儀。
當(dāng)路面不平引起車輪上下跳動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生陀螺儀效應(yīng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向輪左右擺振，其擺振規(guī)律是：左下左，左上右；右下右，右上左。
即如果左前輪向下跳動(dòng)，該輪會(huì)繞主銷向左偏轉(zhuǎn)，左前輪向上跳動(dòng)，該輪會(huì)向右偏轉(zhuǎn)；右前輪向下跳動(dòng)，該輪會(huì)向右偏轉(zhuǎn)，右前輪向上跳動(dòng)，該輪會(huì)向左偏轉(zhuǎn)。
這一現(xiàn)象可以從陀螺儀的演示得到證實(shí)。
2）消除陀螺儀效應(yīng)的措施
減少懸架下前軸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高角振動(dòng)的固有頻率。
改善公路狀況，保持公路的平整。
適當(dāng)降低輪胎氣壓，增加輪胎的吸振能力。
在轎車上，常采用雙橫臂獨(dú)立懸架。如采用等長(zhǎng)的雙橫臂獨(dú)立懸架，在車輪上下跳動(dòng)時(shí)，車輪的旋轉(zhuǎn)平面不會(huì)傾斜，因而不產(chǎn)生繞主銷的擺振。但是車輪跳動(dòng)時(shí)，輪距的變化較大，這會(huì)增加輪胎的磨損，所以目前多采用b圖所示的不等長(zhǎng)雙橫臂結(jié)構(gòu)。它是一種折中方案，既可使車輪的旋轉(zhuǎn)平面傾斜較少，又可使輪距變化不大。


2．轉(zhuǎn)向車輪不平衡引起轉(zhuǎn)向輪擺振
1）車輪的靜不平衡
若車輪的質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)中心不重合，則該車輪為靜不平衡。
靜不平衡的車輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于存在著不平衡質(zhì)量，因而產(chǎn)生離心力，如圖所示。


該離心力F可分解為一個(gè)水平分力Fx和一個(gè)垂直分力Fy。
車輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，水平分力Fx在通過車輪旋轉(zhuǎn)中心水平線的c、d兩點(diǎn)時(shí)達(dá)到最大值且方向相反，易引起車輪的前后竄動(dòng)，它將產(chǎn)生繞主銷來回?cái)[動(dòng)的力矩，造成轉(zhuǎn)向輪擺振。
而垂直分力Fy在通過車輪旋轉(zhuǎn)中心垂直線的a、b兩點(diǎn)時(shí)達(dá)到最大值且方向相反，易引起車輪的上下跳動(dòng)，它使前軸產(chǎn)生角振動(dòng)，由于陀螺儀效應(yīng)它也會(huì)引起轉(zhuǎn)向輪擺振。
當(dāng)左、右轉(zhuǎn)向輪的不平衡質(zhì)量相互處于180°位置時(shí)，轉(zhuǎn)向輪擺振將最為嚴(yán)重。
2）車輪的動(dòng)不平衡
靜平衡的車輪，若車輪的質(zhì)量分布相對(duì)于車輪縱向中心面不對(duì)稱，則會(huì)造成車輪的動(dòng)不平衡，如下圖所示。


假定點(diǎn)和點(diǎn)上分別具有兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)m1和m2，其質(zhì)量相等方位相反，車輪質(zhì)心與車輪旋轉(zhuǎn)軸心重合，即車輪處于靜平衡狀態(tài)。
當(dāng)該車輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，m1和m2將分別產(chǎn)生離心力，雖然其離心力的合力為零，但離心力位于不同平面內(nèi)，二力構(gòu)成的合力矩卻不為零。
因而，在車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由離心力作用而產(chǎn)生的方向反復(fù)變動(dòng)的力偶M，使車輪處于動(dòng)不平衡中。
若轉(zhuǎn)向輪動(dòng)不平衡，則車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于M的作用，將會(huì)造成車輪繞主銷擺振。
3）消除車輪不平衡的措施
車輪應(yīng)進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)（就車或拆下），必要時(shí)進(jìn)行動(dòng)平衡作業(yè)。
選擇兩邊輪輞平面作為平衡平面，根據(jù)需要打裝適當(dāng)質(zhì)量的平衡卡子。
3．前懸架與轉(zhuǎn)向系運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系不協(xié)調(diào)引起的擺振
如圖所示，當(dāng)車輪上下跳動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向節(jié)球銷O應(yīng)繞鋼板彈簧固定吊耳的O1點(diǎn)擺動(dòng)，同時(shí)O點(diǎn)只能繞轉(zhuǎn)向器的O2點(diǎn)擺動(dòng)，由于兩擺動(dòng)的軌跡不重合，因而轉(zhuǎn)向節(jié)將相對(duì)于主銷發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，故引起車輪左右擺振。
消除措施：將轉(zhuǎn)向機(jī)與鋼板彈簧固定吊耳盡量靠近，使兩軌跡相重合。


三、轉(zhuǎn)向輪的穩(wěn)定
存在轉(zhuǎn)向輪擺振的原因，但不一定就造成轉(zhuǎn)向輪擺振。
因?yàn)檗D(zhuǎn)向輪還存在著穩(wěn)定效應(yīng)。
轉(zhuǎn)向輪穩(wěn)定效應(yīng)是指轉(zhuǎn)向輪具有保持居中位置（直線行駛位置）及轉(zhuǎn)向后自動(dòng)返回到中間位置的能力。
轉(zhuǎn)向輪的穩(wěn)定效應(yīng)是由穩(wěn)定力矩來完成的，穩(wěn)定力矩的作用是阻止車輪偏轉(zhuǎn)并力圖使轉(zhuǎn)向輪保持居中位置。
其穩(wěn)定力矩的大小主要取決于轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)及輪胎的側(cè)偏效應(yīng)。
穩(wěn)定力矩主要有以下幾項(xiàng)。
1．主銷內(nèi)傾時(shí)，法向反作用力FZ形成穩(wěn)定力矩MZβ汽車直行時(shí)，F(xiàn)Z與主銷軸線在同一平面，此時(shí)MZβ=0。
當(dāng)轉(zhuǎn)向輪繞主銷偏轉(zhuǎn)δ角后，F(xiàn)Z與主銷軸線不在同一平面，位于空間相錯(cuò)位置，具有力矩TZβ，其方向與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反，起阻止車輪偏轉(zhuǎn)的作用，轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員必須施加力矩來克服該力矩，轉(zhuǎn)向后該力矩可使車輪具有自動(dòng)回正的作用。
其MZβ=f（δ，β），δ↑， β↑，MZβ↑，與其他條件無關(guān)。
它是汽車低速行駛時(shí)起主要作用的穩(wěn)定力矩。
2．主銷后傾時(shí)，側(cè)向反作用力Fy形成的穩(wěn)定力矩MYγ
1）作用原理
轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生穩(wěn)定力矩。
圖中轉(zhuǎn)向輪向右轉(zhuǎn)動(dòng)，Y為離心力之側(cè)向分力，F(xiàn)Y為側(cè)向反作用力，e′為后傾拖距，其力矩為MYγ=FY·e′，方向與前輪偏轉(zhuǎn)相反，是穩(wěn)定力矩，轉(zhuǎn)向后撒手，MYγ可使轉(zhuǎn)向輪自動(dòng)回正。
只要前輪偏轉(zhuǎn)，MYγ就會(huì)存在。


穩(wěn)定力矩MYγ
2）MYγ特點(diǎn)
它與離心力成正比；當(dāng)轉(zhuǎn)向半徑一定時(shí)，與V2成正比。低速時(shí)， MYγ很小，比MZβ小得多，但在高速時(shí)， MYγ很大，比MZβ大得多。
∴ MYγ 主要是在高速時(shí)起作用，而MZβ主要在低速時(shí)起作用，兩者相互補(bǔ)充，在整個(gè)車速范圍均起作用。
汽車直線行駛時(shí)，若汽車受側(cè)向力， MYγ成為非穩(wěn)定力矩。其力矩將促使轉(zhuǎn)向輪朝側(cè)向力方向偏轉(zhuǎn)。


3．側(cè)偏時(shí)，側(cè)向反作用力Fy形成的穩(wěn)定力矩MYα
1）側(cè)偏時(shí)穩(wěn)定力矩MYα 的形成與作用原理
側(cè)偏時(shí)輪胎印跡上的側(cè)向反力分布見圖，其合力作用點(diǎn)位于印跡中點(diǎn)之后，偏距為ba，其FY·ba即為穩(wěn)定力矩。


2）穩(wěn)定力矩MYα的影響因素
  • Fy、α的影響。Fy↑，側(cè)偏角↑，印跡愈長(zhǎng)，ba↑，則MYα ↑。但Fy過大達(dá)到附著極限時(shí)，F(xiàn)y↑，則ba ↓。試驗(yàn)表明，α開始增加時(shí)， MYα ↑，當(dāng)α=4～6°時(shí)， MYα最大，再使α↑，則MYα↓，在α=10～16°時(shí)，其MYα=0。
  • 輪胎的結(jié)構(gòu)型式的影響。在同樣側(cè)偏角時(shí)，子午胎的穩(wěn)定力矩較普通斜交胎大。原因是：子午胎徑向變形大；Fy大。
  • 輪胎氣壓的影響。PW↓，印跡增長(zhǎng)， ba↑，穩(wěn)定力矩↑。
  • FZ的影響。FZ↑，印跡增長(zhǎng)， ba↑，穩(wěn)定力矩↑。
現(xiàn)代高速轎車，由于前輪承受的重力增加，并且廣泛采用低壓胎，因此，輪胎側(cè)向偏離所產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩相應(yīng)增加，這常使高速時(shí)轉(zhuǎn)向感到沉重。
由試驗(yàn)知，側(cè)偏角1°引起的穩(wěn)定力矩，相當(dāng)于主銷后傾5～6°的效果，所以在現(xiàn)代轎車上，為了避免轉(zhuǎn)向沉重，可相應(yīng)地減少主銷后傾角。
在個(gè)別情況下，甚至使其為0或負(fù)值，如紅旗轎車的主銷后傾角為－1°。
4．側(cè)偏時(shí)，切向反作用力FX形成的穩(wěn)定力矩MXα轉(zhuǎn)向時(shí)，側(cè)偏引起的內(nèi)外輪切向力的作用線到主銷的距離不等，力矩：
MXα=FX0·L0－FXi·Li
如MXα與車輪偏轉(zhuǎn)反向，則是穩(wěn)定力矩；如MXα與車輪偏轉(zhuǎn)同向，則是非穩(wěn)定力矩。
∴對(duì)于前輪驅(qū)動(dòng)汽車，轉(zhuǎn)向時(shí)施加驅(qū)動(dòng)力的情況下，MXα為穩(wěn)定力矩。
對(duì)于后輪驅(qū)動(dòng)汽車、對(duì)于制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向來說，MXα為非穩(wěn)定力矩。因此，轉(zhuǎn)彎制動(dòng)時(shí)易產(chǎn)生過分偏轉(zhuǎn)，應(yīng)緊握方向盤。


汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性檢測(cè)
測(cè)定前，在平坦的堅(jiān)硬廣場(chǎng)上畫R0=15m的圓道印跡。
測(cè)定時(shí)，汽車開始以最低穩(wěn)定車速沿半徑15m的圓道印跡作等速圓周行駛，并保持汽車轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角不變，再采用逐級(jí)加速法或連續(xù)加速法提高汽車的車速，然后根據(jù)汽車加速行駛后車輪的行駛軌跡定性判斷汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性，如圖所示。
若汽車轉(zhuǎn)向半徑不變，則汽車具有中性轉(zhuǎn)向特性；若汽車轉(zhuǎn)向半徑變大，則汽車具有不足轉(zhuǎn)向特性；若汽車轉(zhuǎn)向半徑變小，則汽車具有過多轉(zhuǎn)向特性。


 
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