汽车的转向特性

1、4 汽车操纵稳定性4.1 汽车的转向特性,姜 泽 林,4 汽车操纵稳定性,任务引入 汽车在其行驶过程中，会碰到各种复杂的情况，有时汽车会沿直线行驶，有时汽车会沿曲线行驶（如弯路）。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。对不对？这些都要求汽车有操纵上的稳定，因此今天我们通过分析影响汽车操纵稳定性各方面的因素，掌握他们的检测方法，为我们今后的工作打下扎实的基础,4 汽车操纵稳定性,所以一辆操纵性能良好的汽车必须要具备以下的能力： （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

2、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,4 汽车操纵稳定性,说明 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,4 汽车操纵稳定性,提问： 有哪些因素会影响汽车的操纵稳定性呢,4.1 汽车的转向特性,如：轮胎、转向装置、悬架等。 本堂课我们我们就对这

3、些因素一一进行分析，希望通过学习，大家能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。这也是我们本堂课学习的目标,4 汽车操纵稳定性,重点 车辆坐标系的有关术语，影响侧偏特性的因素，轮胎回正力矩与侧偏特性的关系；汽车的稳态转向特性及其影响因素 难点 影响侧偏特性的因素，轮胎回正力矩与侧偏特性的关系；汽车的稳态转向特性及其影响因素,4 汽车操纵稳定性,4.1 汽车的转向特性 一、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。 1、轮胎的坐标系与术语,4 汽车操纵稳定性,图4.1

4、车轮坐标系,图4.1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）

5、外倾角 平面与车轮平面的夹角。图示方向为正,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4.2所示,图4.2 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

6、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4.2a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4.3 轮胎的侧偏现象 a)静止 b)滚动,3、 轮胎的侧偏特性,图4.4 轮胎的侧偏特性,图4.4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，

7、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： （4.1） 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4.5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4.5 垂直载荷对侧偏特性的影响 a)图

8、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,4、 回正力矩（绕轴的力矩,图4.6 回正力矩的产生,在轮胎发生侧偏时，还会产生图4.3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

9、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。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

10、沿345线分布。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,课堂小结 一、操纵稳定性 二、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。 1、轮胎的坐标系与术语 （1）车轮平面 （2）车轮中心 （3）轮胎接地中心 （4）翻转力矩 （5）滚动阻力矩 （6）回正力矩 （7）侧偏角 （8）外倾角,二、轮胎的侧偏现象 轮胎的侧偏特性 三、 回正力矩（绕轴的力矩） 作业布置 1、什么是汽车的操纵性和稳定性？ 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,复习提问： 1、什么是汽车的操纵性？ 2、什么是汽车的稳

11、定性？ 3、规定轮胎的术语有哪些？ 导入语： 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。 提问： 有哪些因素会影响到汽车的操纵稳定性呢,重点 1、了解和掌握汽车的转向特性 2、了解和掌握汽车转向轮的振动 难点 汽车的转向特性,4.1汽车的转向特性,四、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

12、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,图4.7 作为开路系统的汽车简图,把汽车作为开路系统进行分析时见图4.7,改变汽车运动状态的输入量（或称“干扰”），主要来自三个方面： 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

13、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

14、，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,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

15、，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4.9 二自由度汽车模型,图4.10 汽车的稳态横摆增益曲线,图4.9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,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4.10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，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

16、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，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,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,

17、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4.11 转向盘阶跃输入时的汽车瞬态响应,图4.11 转向盘阶跃输入时的汽车瞬态响应,图4.11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

18、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

19、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,五、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

20、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

21、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4.12 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,归纳总结,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。 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