汽车理论汽车的制动性汽车的操纵稳定性.docx

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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，=0.70.8，一般满足式（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，

8、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

9、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u，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

10、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h，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

11、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34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（0.30.4）g，侧偏角不超过45，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3001000N/(）。 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

12、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

13、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h，即印迹长轴线上各点的横向变形（相对于平面）均为h，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

14、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。

15、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0.30.4g，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

16、，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

17、，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。

18、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，转向角一般不大，侧偏角一般不超过68，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

19、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K0时，式（5.15）中分母大于1，横摆角速度增益比中性转向时小

20、，即前轮转过相同的角度，汽车横摆角速度要小些，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K0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，K0时，汽车为不

21、足转向，0K0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。K0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。K0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

22、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

23、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

24、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.

25、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

26、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

27、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532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

28、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

29、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

30、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

31、.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

32、。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151m）行驶，当侧向加速度达到（40.2）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

33、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3060小型越野汽车和客车，轻型载货汽车2040中、大型载货汽车和客车，越野汽车3040小结1. 汽车行驶的纵向稳定性条件：后轮

34、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.

35、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K0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K0时

36、，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，K0时，汽车为不足转向，0K0时，汽车为过多转向，010. 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。K0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。K0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

37、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。1

38、4. 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

39、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。第4章 汽车的制动性 学习目标通过本章的学习，要求掌握制动性的评价指标；掌握制动时汽车的受力情况以及地面制动力、制动器制动力与地面附着力之间的关系；掌握

40、汽车制动距离的概念和计算方法；能对制动跑偏和制动侧滑进行正确的受力分析和运动分析；熟练分析前、后制动器制动力具有固定比值的汽车在各种路面上的制动过程；了解自动防抱死系统的原理。为了保障汽车行驶安全和使汽车的动力性得以发挥，汽车必须具有良好的制动性。对于行车制动而言，汽车的制动性能是指汽车行驶时，能在短距离内停车且维持行驶方向稳定，在下长坡时能维持较低车速的能力。汽车的制动性是汽车的主要性能之一。制动性直接关系到交通安全，重大交通事故往往与制动距离太长、紧急制动时发生侧滑等情况有关，故汽车的制动性是汽车行驶的重要保障。改善汽车的制动性始终是汽车设计制造和使用部门的重要任务。4.1节 制动性的评价

41、指标制动性主要用以下三方面指标来评价：4.1.1 制动效能。包括制动减速度、制动距离、制动时间及制动力等。制动效能是指在良好路面上，汽车以一定初速制动到停车的制动距离或制动时汽车的肩速度。它是制动性能最基本的评价指标。4.1.2 制动效能的恒定性。包括抗热衰退和水衰退的能力。汽车高速行驶或下长坡连续制动时制动效能保持的程度，称为抗热衰退性能。因为制动过程实际上是把汽车行驶的动能通过制动器吸收转换为热能，所以制动器温度升高后，能否保持在冷状态时的制动效能已成为设计制动器时要考虑的一个重要问题。此外，涉水行驶后，制动器还存在水衰退问题。4.1.3 制动时的方向稳定性。指制动时汽车按照驾驶员给定方向

42、行驶的能力，即是否会发生制动跑偏、侧滑和失去转向能力等。 制动时汽车的方向稳定性，常用制动时汽车按给定路径行驶的能力来评价。若制动器发生跑片、侧滑或失去转向能力，则汽车将偏离原来的路径。4.2节 制动时车轮受力4.2.1 制动器制动力在轮胎周缘克服制动器摩擦力矩(Nm)所需的力，称为制动器制动力，用(N)表示，显然 式中 车轮半径(m)。由此可知，制动器制动力是由制动系的设计参数所决定的。即取决于制动器型式、尺寸、摩擦系数、车轮半径。它与制动系的油压或气压成正比。4.2.2 地面制动力图4.1 车轮在制动时的受力情况图4.1为在良好的硬路面上制动时，车轮的受力情况。图中滚动阻力偶矩和减速时的惯

43、性力、惯性力矩均忽略不计。为地面制动力，为车轮垂直载荷，为车轴对车轮的推力，为地面对车轮的法向反作用力。从力矩平衡得 地面制动力是使汽车制动而减速行驶的外力，但是，地面制动力取决于两个摩擦副的摩擦力；一个是制动器摩擦副间的摩擦力；另一个是轮胎与地面间的附着力。4.2.3 制动器制动力、地面制动力及附着力之间的关系图4.2 制动过程中地面制动力、制动器制动力及附着力的关系 制动器制动力、地面制动力及附着力三者的关系如图4.2所示。由图可见，制动器制动力可以随制动系油压的增大而增大，而地面制动力在达到附着力的值后，就不再增加了。此时若想提高地面制动力，以使汽车具有更大的制动效能、只有提高附着系数。由此可见，汽车的地面制动力，首先取决于制动器制动力，但同时又受到地面附着条件的限制。所以，只有汽车具有足够的制动器制动力，同时，地面又能提供高的附着力时，才能获得足够的地面制动力。4.2.4 附着系数与滑动率的关系前面曾假设附着系数在制动过程中是常数。但实际上，附着系数与车轮的运动状态，即滑动程度有关。滑动所占的比例为滑移率，用符号表示，其表达式为 式中 自由滑动的车轮动态半径(m)； 车轮中心的速度(m/s)