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1、单元3 汽车操纵与行驶性能单元3 汽车操纵与行驶性能本单元结构图单元 3 汽车操纵与行驶性能 侧滑试验检测 行驶平顺性 操纵稳定性 通过性 汽车悬架装置检测 车轮平衡检测 学习目标 了解汽车操纵稳定性的概念与评价； 掌握操作稳定性与悬架之间的关系； 掌握汽车行驶稳定性条件； 掌握提高汽车稳定性的控制方法； 理解平顺性、通过性的概念； 能分析汽车行驶稳定的基本条件； 能熟练运用通过性评价指标正确判断车况； 能根据车况判断影响汽车行驶平顺性和通过性的因素； 掌握侧滑试验检测、汽车悬架装置检测和车轮平衡检测基本方法。单元3 汽车操纵与行驶性能 汽车的操纵与行驶性能包括操纵稳定性、行驶平顺性和通过性。
2、 汽车的操纵稳定性是指驾驶者在不感到过分紧张、疲劳的正常行驶条件下，汽车能遵循驾驶者的意愿通过转向系及转向轮给定的方向行驶，且当遇到外界干扰时抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。 行驶平顺性是指保持汽车在行驶过程中乘员所处的振动环境具有一定舒适度的性能，对于载货汽车还包括保持货物完好的性能。 汽车的通过性又称越野性，是指汽车能以足够高的平均车速通过各种坏路及无路地带的能力。3.13.1 操纵稳定性 汽车的操纵稳定性包含两个方面的含义，即操纵性和稳定性。操纵性是指汽车能够准确地响应驾驶者转向指令的能力；稳定性是指汽车受到外界干扰时保持稳定行驶的能力，由于两者联系紧密且很难分开，故统称为操纵稳定性。汽车
3、的操纵稳定性不仅影响到驾驶汽车的操纵方便性，而且也是决定汽车安全行驶的一个主要性能。汽车的操纵稳定性是现代汽车的重要使用性能之一。3.1.1 汽车的转向特性与轮胎侧偏特性 1汽车的转向特性 在汽车操纵稳定性的研究中，常把汽车整车作为一个系统，通过系统的输入和输出物理参数之间的关系，来表征汽车的操纵稳定性，如图3-1所示。汽车系统 转向盘或侧向干扰（输入） 汽车侧向 运动（输出） 图 3-1 系统分析示意图 3.1.1 汽车的转向特性与轮胎侧偏特性 评价指标主要有以下几种： （1）汽车曲线行驶的时域响应 是指汽车在转向盘输入或外界侧向干扰输入下的侧向运动相应。 （2）横摆角速度频率响应特性 是转
4、向盘转角正弦输入的情况下，频率由0时，汽车横摆角速度与转向盘转角的振幅比及相位差的变化图形。 （3）转向盘中间位置操纵稳定性 是转向盘小转角低频正弦输入的情况下，汽车高速行驶时的操纵稳定性。3.1.1 汽车的转向特性与轮胎侧偏特性 （4）转向半径 是评价汽车机动灵活性的物理参量。 （5）转向轻便型 是评价转向盘轻便程度的特性。 （6）汽车的直线行驶性能 是评价汽车直线行驶时，外界侧向干扰（侧向风和路面不平度）输入下，汽车直线行驶的时域响应。分别称为侧向风稳定性和路面不平度稳定性。3.1.1 汽车的转向特性与轮胎侧偏特性 （7）典型工况行驶性能 是指汽车通过模拟典型驾驶操作的通道的性能。它们能更
5、加如实地反映汽车的操纵稳定性。 （8）极限行驶性能 表明了汽车安全行驶的极限性能。是指汽车在处于正常行驶与异常危险之间的运动状态下的特性。3.1.1 汽车的转向特性与轮胎侧偏特性 当我们给转向盘一个输入转角，以汽车在曲线行驶的时域响应与频域响应来表征汽车的操纵稳定性能。 汽车在转弯时，实际输入的物理参数显然是转向盘转角，但为了简化分析过程，假设转向盘转角与前轮偏转角之间为单纯的线形关系，即：)()(stit 3.1式中：s(t)转向盘转角随时间变化的函数；i转向系角传动比，通常为常数；(t)前轮偏转角随时间变化的函数。3.1.1 汽车的转向特性与轮胎侧偏特性 前轮偏转角是指假想的设置在前轴中点
6、的车轮偏转角，如图3-2所示。的大小为)(21213.2图3-2 前轮偏转角示意图 3.1.1 汽车的转向特性与轮胎侧偏特性 阶跃输入函数是工程上常用的输入函数之一，对于前轮角阶跃函数而言，其数学表达式为式（3.3）。其函数图像如图3-3所示。000( )0ttt3.3图3-3 前轮角阶跃函数3.1.1 汽车的转向特性与轮胎侧偏特性 2轮胎的侧偏特性 轮胎的侧偏特性主要是指侧偏力与侧偏角之间的关系，它是研究汽车操纵稳定性的基础。 （1）轮胎的坐标系 为讨论方便，建立如图3-4所示轮胎坐标系。取垂直于车轮轴线的轮胎中分平面为车轮平面；坐标原点为车轮平面和地面的交线与车轮旋转轴线在地平面上投影线的
7、交点；X轴为车轮平面与地平面的交线，规定向前为正；Z轴与地平面垂直，规定向上为正；Y轴在地平面上，规定面向车轮前进方向时指向左方为正。侧偏角是轮胎接地印迹中心（即坐标原点）位移方向与X轴的夹角，图示方向为正；外倾角是垂直平面（XOZ）与车轮平面的夹角，图示方向为正。3.1.1 汽车的转向特性与轮胎侧偏特性图3-4 轮胎坐标系3.1.1 汽车的转向特性与轮胎侧偏特性 （2）轮胎的侧偏现象 汽车行驶时，由于各种侧向力的作用，相应地在地面上产生地面侧向反作用力FY，FY又称作侧偏力。车轮在侧向力Fy和侧偏力FY的作用下（侧向力Fy：车轮外倾角为零时，一定的侧偏角时地面作用在轮胎上的侧向反作用力；侧偏
8、力FY：侧偏角为零时，一定的车轮外倾角时地面作用在轮胎上的侧向反作用力），其运动方向偏离了车轮平面方向，这种现象称为轮胎的侧偏现象。其原因主要有以下两方面： 当侧偏力FY达到车轮与地面间的附着极限时，车轮发生侧向滑动，若滑动速度为u，车轮便沿合成速度u方向运动，偏离了车轮平面CC方向，如图3-5所示。3.1.1 汽车的转向特性与轮胎侧偏特性图3-5 车轮侧滑时的运动简图3.1.1 汽车的转向特性与轮胎侧偏特性 由于弹性车轮在侧向力的作用下产生侧向变形所引起的侧偏。下面利用图3-6所示对这个现象作一说明。设想在车轮的中心平面圆周上作出a，b，c标记，当车轮未受侧向力而滚动时如图3-6（a）所示，
9、车轮上的b点将与支承面上的b1点相接触，c点将与c1点相接触，以此类推，从而可得车轮在支承面上的运动轨迹af1。由于af1处于车轮平面之内，因此车轮的运动方向与车轮平面一致，没有侧偏现象。当车轮受到侧向力Fy作用时，就会产生如图3-6（b）所示的侧向变形，一旦滚动，车轮上的b点将与支承面上的b1相接触，c点将与c1相接触，依此类推。车轮在支承面上的运动轨迹af1相对于车轮平面偏离某一角度；换言之，弹性车轮在侧向力作用下，由于车轮的侧向弹性变形，其实际运动方向不再是车轮平面所指的方向，而是偏离了一个角度，这个角度称为侧偏角。从图中可以看出，侧偏方向与侧向力Fy的方向一致，与侧偏力FY的方向相反。
10、当汽车转弯时，侧偏方向则与离心力方向一致，因此也可用离心力方向来定义的正值。显然，侧偏角的数值与侧向力Fy的大小有关；换言之，侧偏角的数值与侧偏力FY的大小有关。 3.1.1 汽车的转向特性与轮胎侧偏特性（a）静止 （b）滚动图3-6 弹性车轮和侧偏现象3.1.1 汽车的转向特性与轮胎侧偏特性 （3）轮胎侧偏 轮胎的侧偏特性是指侧偏力FY与侧偏角之间的数值关系。图3-7所示为侧偏力-侧偏角曲线。图3-7 侧偏特性曲线图3.1.1 汽车的转向特性与轮胎侧偏特性 曲线表明，侧偏角不超过4时，可以认为FY与呈线性关系，随着侧偏力的增大，侧偏角也增大。侧偏角增至某一数值后（=10），由于轮胎与路面开始
11、局部滑移，侧偏角增长加快，当侧偏力等于附着力时，车轮发生侧滑。汽车正常行驶时，侧偏角一般不超过5，故认为侧偏力与侧偏角呈线性关系，即 FY=k （3.4） 式中：kFY-曲线在=10时的斜率，称为侧偏刚度。3.1.1 汽车的转向特性与轮胎侧偏特性 （4）影响侧偏刚度的因素 轮胎的尺寸、型式和结构。 尺寸较大的轮胎有较高的侧偏刚度。子午线轮胎接地面宽，一般侧偏刚度较高，如图3-8所示。图3-8 子午线轮胎与斜交轮胎的侧偏特性3.1.1 汽车的转向特性与轮胎侧偏特性 轮胎断面高H与断面宽B之比H/B100称为扁平率。早期轮胎的扁平率为100，现代轮胎的扁平率逐渐减小，目前不少轿车已采用扁平率为60
12、的宽轮胎。扁平率对轮胎侧偏刚度影响很大，采用扁平率小的宽轮胎是提高侧偏刚度的主要措施。3.1.1 汽车的转向特性与轮胎侧偏特性 轮胎的充气压力。 轮胎的充气压力对侧偏刚度也有显著影响。由图3-9可知，随着气压的增加，侧偏刚度增大，但气压过高后侧偏刚度不再变化。 轮胎的垂直载荷。 由图3-10可以看出，同一侧偏角下，不同垂直载荷时的侧偏力不一样。一般情况，侧偏刚度随垂直载荷的增加而加大，但垂直载荷过大时，轮胎产生很大的径向变形，侧偏刚度反而有所减小。侧偏刚度最大时的垂直载荷约为额定载荷的150。3.1.1 汽车的转向特性与轮胎侧偏特性图3-9 轮胎气压对侧偏刚度的影响图 3-10 不同垂直载荷下
13、的侧偏力3.1.1 汽车的转向特性与轮胎侧偏特性 地面切线反作用力。 上面讨论的是没有切向反作用力作用时轮胎的侧偏特性。实际上，在轮胎上常同时作用有侧向力与切向力。由试验得到的曲线（见图3-11）表明，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，这是由于轮胎侧向弹性有所改变的关系。当纵向力相当大时，侧偏力显著下降。因为此时接近附着极限，切向力已耗去大部分附着力，而侧向能利用的附着力很少。由图还可看出，这组曲线的包络线接近于一椭圆，一般称为附着椭圆。它确定了在一定附着条件下切向力与侧偏力合力的极限值。3.1.1 汽车的转向特性与轮胎侧偏特性图3-11 地面切线反作用力对侧偏特性的影响
14、3.1.1 汽车的转向特性与轮胎侧偏特性 路面及其粗糙程度、干湿状态对侧偏特性的影响。 路面及其粗糙程度、干湿状态对侧偏特性，尤其是最大侧偏力有很大影响。粗糙路面较光滑路面的最大侧偏力大；同种路面干态较湿态较光滑路面的最大侧偏力大。路面有薄水层时，由于有滑水现象，会出现完全丧失侧偏力的情况。图3-12所示为一轮胎在不同轮胎胎面、路面粗糙度和水层厚度等条件下，最大侧偏力的降低情况。水层厚1.02mm时，在粗糙路面上，开有4条沟槽的胎面能防止滑水现象。水层厚7.62mm时，不论胎面有无沟槽、路面是否粗糙，当车速为80km/h时均出现滑水现象，此时最大侧偏力为零。3.1.1 汽车的转向特性与轮胎侧偏
15、特性图3-12 轮胎胎面、路面粗糙程度、水层厚度和滑水现象的关系粗糙混凝土路面 -光滑混凝土路面3.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系 1汽车操作稳定性基本特性 （1）汽车转向时运动微分方程 为了描述前轮偏转后汽车的运动状况，通常需要建立一个固结于运动着的汽车上的动坐标系车辆坐标系来描述的。图3-13所示的固结于汽车上的Oxyz直角动坐标系就是车辆坐标系，xOz处于汽车左右对称的平面内。当车辆在水平路面上静止状态下，z轴平行于地面指向前方，z轴通过质心指向上方，y轴指向驾驶员的左侧，坐标系的原点O常可令其与质心重合。与操纵稳定性有关的主要运动参量为，车厢角速度在z轴上的分量横摆
16、角速度r、汽车质心速度在y轴上的分量侧向速度v、汽车质心加速度在y轴上的分量侧向加速度ay等。3.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系图3-13 车辆坐标系图3.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系 为便于掌握操纵稳定性的基本特性，建立汽车转向时运动微分方程，我们将忽略转向系统的影响，直接以前轮转角作为输入；忽略悬架的作用，认为汽车只做平行于地面的运动，即汽车沿z轴的位移，绕y轴的俯仰角与绕x轴的侧倾角均为零。另外假设汽车沿x轴的前进速度v视为不变。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。此外，轮胎侧偏特性处于线性范围。还假设：驱动力不大，不
17、考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的影响，没有空气动力的作用，忽略左右车轮轮胎由于载荷的变化而引起轮胎特性的变化以及轮胎回正力矩的作用。这样，实际汽车便简化成一个两轮摩托车模型，见图3-14。3.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系图3-14 两轮摩托车模型3.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系 上述模型描述了汽车转向运动的动态过程，O为瞬时中心，汽车作刚体平面运动，而并非作定轴转动。图3-14中的有关参数如FY、r 、v以及角度、等均随时间而变化。系统的输入函数为前轮偏转角(t)，输出函数为横摆角速度r(t)和质心侧偏角(t)（在求解时，将被消去）。汽车的质量分布参数
18、（如转动惯量等）为常数，因此，只要将汽车的（绝对）加速度与（绝对）角加速度及外力与外力矩沿车辆坐标系的轴线分解，就可以列出沿这些坐标轴的运动微分方程。3.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系 式中：Iz-汽车绕z轴的转动惯量。 考虑到较小，尤其是高速行驶时更是如此，可以近似认为cos=1，同时把FY=k代入式（3.5），得Y2Y1yrY1Y2zcoscosFFmaaFbFI3.51122y1122zrkkmaakbkI3.63.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系 如图3-15所示，Ox与Oy为车辆坐标系的纵轴与横轴。质心速度V于t时刻在Ox轴上的分量为u，在Oy轴
19、上的分量为v，由于汽车转向行驶时伴有平移和转动，在t+t时刻，不但车辆坐标系中质心速度的大小与方向均发生变化，而且车辆坐标系的纵轴与横轴的方向也发生变化。 由图3-15可知，汽车质心绝对加速度在y轴上的分量ay为ryuva3.73.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系图3-15 利用动坐标系分析汽车的运动图3.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系 前后侧偏角与有关参数的关系可利用图3-14和图3-16来确定。图中V1，V2分别为前后轴中点的速度，为质心侧偏角，=v/u。为V1与x轴的夹角，其值为：rau3.8r1rr2aubvbuu3.93.1.2 汽车操纵稳定性与
20、悬架、转向系、传动系的关系图3-16 汽车转向运动速度分析图3.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系 将式（3.8）、式（3.9）代入式（3.6），整理后得汽车转向运动微分方程式为12121r22121211()()()()0rvkkakbkkmuuuvakbka kb kakuu3.103.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系 （2）前轮角阶跃输入下的稳态响应 汽车等速行驶时，在前轮角阶跃输入下进入的稳态响应就是等速圆周行驶。常用输出与输入的比值，如用稳态时的横摆角速度与前轮转角之比来评价稳态响应。这个比值称为稳态横摆角速度增益，也称为转向灵敏度，以符号 表示。r
21、s3.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系 稳态横摆角速度r为定值，此时 =0，又=/u，由式（3.10）可得12121r22121211()()()()0rvkkakbkkmuuuvakbka kb kakuu3.11将上两式联立并消去 ，可求出稳态横摆角速度增益为r2s2221/11u Lu LKumabuLkk3.123.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系3.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系图3-17 汽车的三类稳态响应3.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系3.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系图3-18 汽
22、车的稳态横摆角速度增益曲线3.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系3.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系3.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系 2影响汽车稳态转向特性的主要因素 （1）轮胎气压的影响 轮胎气压对侧偏刚度影响很大，降低轮胎气压，侧偏刚度下降，可以产生较大的侧偏角。汽车说明书中规定的轮胎气压是考虑了获得不足转向性的数值，故使用中应注意在冷态下检查并按说明书的规定调整轮胎的充气压力。有的高速轿车甚至规定了每种乘坐条件及不同季节时前后轮胎的充气压力，以确保需要的不足转向性。前轮气压低于规定值，仅使汽车不足转向性增大，转向灵敏度即横摆角速度增
23、益下降；而后轮气压过低，后轮的侧偏角加大，甚至使原来是不足转向性的汽车变为过多转向性汽车，对操纵稳定性带来严重不良影响。3.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系 （2）驱动形式的影响 转向时施加于轮胎上的切向力增加，轮胎的侧偏刚度下降，使产生的侧偏角增加。因此，后轮驱动的车辆，转向时施加驱动力，使后轮侧偏角增加，有减少不足转向性并向过多转向性转化的倾向；前轮驱动的汽车，转向时施加驱动力，使前轮侧偏角增加，有增加不足转向性的作用。3.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系 （3）轮胎结构的影响 不同结构（帘布层数、扁平率等）、不同形式（子午线轮胎、普通斜交轮胎）的轮胎，
24、侧偏刚度不同，可能使汽车具有过多转向性。 子午线轮胎和普通斜交帘线轮胎在车上混合装用对汽车的操纵性有严重影响。子午线轮胎侧偏刚度大，若仅前轮改用于午线轮胎，可使前轮侧偏角 减少，如果小于后轮侧偏角 ，可使原为不足转向性的汽车变为过多转向性汽车。 扁平率小的宽轮胎，侧偏刚度大，产生的侧偏角小。因此，如仅前轮换用扁平率小的轮胎，有使汽车产生过多转向的倾向；如仅后轮换用，则有汽车呈不足转向的倾向。3.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系 （4）汽车的质量分配与车轮侧偏刚度的匹配 在汽车设计及改装中，应使汽车的质量在前后轴上的分配与车轮的侧偏刚度相适应，使稳定性因数K0，以保证汽车的不足
25、转向性。 前置发动机前驱动的轿车，前轴上的轴荷较大，转弯时前轴承担的离心惯性力较大，在前后车轮侧偏刚度相同的情况下，前轮会产生较大的侧偏角，故趋向于呈不足转向性。反之，后置发动机后驱动的轿车则趋向于呈过多转向性。3.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系 （5）汽车悬架的影响 车轮侧倾角的变化。 当车厢侧倾时，由于悬架结构型式的不同，车轮侧斜角的变化有如下三种情况： a车轮朝车厢侧倾的方向倾斜，即车轮的侧斜方向与离心力方向一致，如图3-19（a），（b），（c）所示。它们分别是上、下横臂长度相等且平行的双横臂、单纵臂、烛式独立悬架。3.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的
26、关系图3-19 车轮侧倾与悬架导向机构的关系3.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系 b车轮朝车厢侧倾的相反方向倾斜，即车轮的侧斜方向与离心力方向相反，如图3-19（d）所示的单横臂独立悬架在小侧向加速度时，就是属于这种情况。 c车轮的侧斜不随车厢的侧倾而变，如图3-19（e）所示的非独立悬架。 车轮侧斜后，由于轮胎与地面接触面的受力情况发生变化，从而产生一个附加的侧偏角。的大小与车轮侧斜角有关，二者的关系可通过试验求得的方向与车轮倾斜的方向一致，因此当与离心力方向一致时，为正值，车轮的侧偏角增大，如图3-19（b）所示；当与离心力方向相反时，为负值，车轮的侧偏角减小，如图3-1
27、9（d）所示。3.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系 左、右轮垂直载荷再分配的影响。 轮胎侧偏刚度在一定范围内随垂直载荷的增加而增加。在侧向力作用下，若前轴左右轮垂直载荷变动量大，则汽车趋向于减少不足转向性。由于增加前悬架的角刚度（车身每侧倾1，在前悬架上需施加的侧倾力矩值），能使侧倾力矩分摊到前轴上的数值增加，因而能使前轴左右轮垂直载荷的变动量加大；减少后悬架的角刚度，能使侧倾力矩分摊到后轴上的数值减少，因而后轴左右轮垂直载荷的变动量减少，有利于增加汽车的不足转向性。3.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系 轴转向。 当车厢侧倾时，由于悬架导向机构的运动学关系，
28、使车轴绕垂直轴线转动，这种现象称为轴转向。 下面以单纵臂非独立悬架为例进行说明，见图3-20。汽车转向时车厢侧倾，外侧的弹性元件受到压缩，铰接中心C将下移至C1点，相应的车轮中心O将左移至O1点。而内侧因弹性元件伸张，铰接中心将上移至C2点，相应的车轮中心O将右移至O2点。从俯视图可以看出，车轴线转动了久角，这就是轴转向现象。3.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系 图3-20 单纵臂非独立悬架的轴转向3.1.2 汽车操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系 轴转向的大小和方向与悬架的结构型式、布置和参数有关。如果轴转向的方向与离心力方向一致，则从运动学的观点来看，相当于使车轮的侧
29、偏角增加，对于后轴而言，将使汽车减小不足转向量；如果轴转向方向与离心力方向相反，则相当于使车轮的侧偏角减小，若为后轴，将使汽车增加不足转向量。 综上所述可知，汽车悬架的设计，不仅应满足汽车平顺性的要求，同时还应顾及对操纵稳定性的影响。3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性 1汽车的纵向倾翻 当汽车在等速上坡时，其受力如图3-21所示。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，汽车将绕A点向后倾翻，通常称之为纵向倾翻。下面求出汽车不发生纵向倾翻的极限坡度角max。3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性图3-21 汽车在
30、纵向坡道上等速行驶受力图3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性 根据受力平衡可得LGhGbFsincosgz13.13LGhGaFsincosgz13.143.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性 令Fz1=0，有gtanhb3.15因此，汽车不发生纵翻的极限坡度角gmaxarctanhb3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性 另一方面，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。以后轴驱动汽车为例，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LGhGaFGFsincossi
31、ngz2maxtmax3.16式中：max汽车后轮不发生滑转所能克服的最大道路坡度角，其大小为gmaxtanhLa3.173.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性 如果maxmax，则当汽车遇有坡度角为max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道阻力，因而无法上坡，也就避免了汽车的纵向翻倒。所以汽车避免纵翻的条件是gghbhLa3.183.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性 由此整理可得后轴驱动汽车纵向稳定性条件是ghb3.19同样可以求出前轴驱动汽车避免纵翻的条件为L0；全轴驱动汽车避免纵翻的条件与后轴驱动相同。由于现代汽车的质心位置较低，因此上述条件均能
32、满足而有余。但是对于越野汽车，其轴距L较小，质心较高（hg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，应尽可能降低其质心位置，而前轮驱动型汽车的纵向稳定最好。3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性 2汽车的侧向翻倾 汽车在行驶中常受到重力的侧向分力、离心力、侧向风力和道路不平的侧向冲击等各种侧向力的作用。侧向力将引起左、右车轮法向反作用力的改变，当一侧车轮的法向反作用力变为零时，将发生侧向翻车。 下面讨论汽车在具有横向弯道作等速转向运动时，汽车不发生侧翻的极限车速umax。3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性 汽车
33、在弯道上等速行驶的受力如图3-22。随着车速的提高，其离心力增大，内侧车轮的法向反作用力逐渐减小。当Fzr=0时，汽车将失去侧向稳定性开始向外侧翻。此时对应的车速为弯道上产生侧翻的临界车速，用uamax表示。gccgzrsincossincos22BBGhGFF hFB3.203.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性图3-22 汽车横向横道上等速行驶受力图3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性 汽车在侧向力的作用下，如车轮的侧向反作用力达到附着力时，汽车还将沿侧向力的作用方向滑移。如图3-24所示，经受力分析，汽车在具有横向弯道作等速转向运动时，汽车不发生侧
34、滑的条件cccossin(sinsin )FGFG 侧3.23将上式整理可得在具有横向弯道作等速转向运动时，汽车不发生侧滑的极限车速 为tan1)tan(6 . 3rmax侧侧gRu3.243.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性 若汽车在水平路面上（ =0）作等速转向运动时，汽车不发生侧滑的极限车速 为侧gRurmax6 . 33.25侧滑与侧翻都是汽车行驶中应避免的失控现象，比较起来侧翻更危险。要避免侧翻，应使汽车侧滑的临界车速低于侧翻的临界车速。即maxamaxuu3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性 由此经分析整理可得，避免侧翻的条件为侧g2hB3.26侧又称为汽车侧向稳定系数，满足此
35、式，称为满足侧向稳定条件。3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性 一般汽车行驶于干燥的沥青路面上，这时侧值较大，为0.70.8，仍然能满足上述稳定的条件。由于轮距B受车宽小于或等于2.5m的限制，要避免侧翻应力求降低质心高度，一般车辆都能满足要求。只有在装载货物质心太高且偏向车厢的一侧，或者转向时车速过高，转动转向盘过急，致使风过大时，才容易产生侧翻。为了保证行车安全，就是侧滑也不希望发生，所以汽车转弯应降低车速，以减少侧翻及侧滑的机会。 3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性 3汽车转向轮的摆振与稳定 在平直良好路面和转向盘转角不变的情况下，操纵稳定性良好的汽车能够自行抵抗侧向风、微小路面不
36、平等外界干扰，保持直线稳定行驶。但在上述条件下，有些汽车会出现低速摆头、高速振摆等行驶不稳定现象。研究这些现象的特点及其产生原因，对于恢复和保持汽车行驶稳定性无疑是十分必要的。3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性 （1）转向轮的摆振 车轮不平衡引起的转向轮摆振。 车轮动不平衡和传动轴动不平衡会引起汽车高速振摆。当车轮总成质量中心C与旋转中心O不相重合时，在转动中会产生离心力Fj，其分力FjX是周期性的干扰力，它使前轴产生角振动，由于陀螺效应也可能引起前轮的摆振。当左、右轮偏心质量处于相隔180位置时，摆振更为严重，如图3-23所示。3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性图3-23 车轮不平衡
37、引起的转向轮摆振示意图3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性 即使质量中心C与旋转中心O重合，但质量分布相对于车轮的中心平面不对称，离心力的合力为零，但离心力的合力矩不为零，这时车轮处于动不平衡状态。在车轮旋转中，合力矩的方向不断变化，对主销产生周期性的干扰力矩，使转向轮绕主销摆振。 若传动轴存在动不平衡，离心力会忽左忽右随转动而周期性变化，通过车身、悬架也会使汽车行驶方向左右偏摆不定。3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性 转向系与悬架的运动干涉引起的方向摆振。图3-24所示为一种纵置半椭圆板簧前悬架与转向系布置简图。板簧的固定吊耳在前轴前面，活动吊耳及转向机在前轴的后面。前轴和转向节等固定
38、于板簧上，随板簧一起运动。转向机固定于车架上。当板簧发生变形时，车轮相对于车架有上下方向的运动，转向节的球销c作为前轴上一点绕O2点摆动，其运动轨迹为bb；但c又与纵拉杆相连，这样c将绕转向机垂臂下端球关节O1摆动，运动轨迹为aa弧（实际上是以O1点为圆心，以纵拉杆长度为半径作球面运动）。c点不能同时满足这两个运动要求，于是转向节将相对主销发生转动，以满足c点沿aa弧的运动。从俯视图可以看出，当前轮向上运动时，c点向前移，转向节绕主销向左转。当前轮向下运动时，c点向后移，转向节绕主销向右转。由此可见，当路面不平引起前轴在垂直平面内产生角振动时，转向轮将出现水平面内的左右偏摆。3.1.3 汽车行
39、驶的纵向及横向稳定性图3-24 转向系与悬架的运动干涉引起的方向摆振3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性 前轴角振动引起的转向轮摆振。行驶中，车轮受路面不平的冲击，前轴在垂直平面内产生角振动。在某一车速下，来自路面不平的冲击频率与前轴角振动的固有频率接近时，发生共振，严重时一边的车轮可以跳离路面。汽车的转向轮通过非独立悬架及转向传动机构与车架相连，这些互相联系的机件组成了弹性振动系统，如图3-25所示。当汽车在凹凸不平的路面上行驶，或偶遇一侧有凸起或凹坑时，将激发车轴相对于车体在垂直平面内的角振动，由于陀螺效应，使前轴在水平面内产生角振动。但由于前轴通过钢板弹簧和车架相连，无法在水平面内摆动
40、，所以可能引发的是前轮绕主销的摆动。其规律是，当左前轮上升时，转向轮将向右偏转；左前轮下降时，转向轮将向左偏转；右前轮上升时，转向轮向左偏转；右前轮下降时，转向轮将向右偏转。3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性图3-25 前轮振动系统示意图3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性 产生陀螺效应的条件是，当车轴在垂直平面内产生角振动时，车轮旋转平面产生了偏转，如图3-26（a）所示。双横臂独立悬架遇路面凹凸不平时，车轮旋转平面发生平移，但未发生偏转，不会产生陀螺效应（如图3-26（b）所示）。各类不同结构的独立悬架系统，追求的主要目标之一就是要减小或消除陀螺效应，以提高行驶方向稳定性。3.1.3
41、 汽车行驶的纵向及横向稳定性（a）非独立悬架 （b）双横臂独立悬架图3-26 路面不平对不同悬架系统的影响3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性 （2）汽车转向轮的稳定 上述这些原因可能会引起转向轮摆振，但不一定会造成转向轮摆振，因为转向轮还有阻止其发生摆振的稳定效应。所谓转向轮的稳定效应是指直行时转向轮保持居中位置的能力及转向后自动回正的能力。用阻止车轮偏转、力图使车轮保持居中位置的稳定力矩的大小，来表示其稳定效应的强弱。3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性图3-27 主销后倾作用图3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性 主销内倾，垂直反力Z产生的稳定
42、力矩Tz。 如图3-28所示，设前轴的空间位置保持不变，转向轮由直行位置转过某一角度时，车轮最低点将落在以OA为母线、绕主销轴线OO旋转形成的圆锥的底圆上，即车轮最低点将落在地面之下，这是不可能的。实际情况是：车轮最低点仍在路面上，而前轴在汽车转向中被抬高。驾驶员对转向盘作的功（施加于转向盘上的力矩与转向盘转角乘积之和）转变为车头抬高所增加的势能。因此，在转向时转向盘上必须施加转向力矩；维持某一转向半径行驶，转向盘上要保持一定的转向力矩；撒手后，势能将恢复到最小状态，迫使转向轮自动回正。3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性图3-28 主销内倾作用3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性 直行时
43、地面垂直反力Z与主销轴线在同一平面内，Z对主销轴线的力矩为零。当前轮转过某一角度时，力Z对主销轴线处于空间相错位置，所产生力矩的方向与转角的方向相反，力图阻止前轮偏转，所以Tz是稳定力矩。在090的范围内，随转角的加大，Tz增大。因此，前轮以某一转角使汽车转弯时，在转向盘上必须施加一个力矩，该力矩经转向传动系放大后，去克服稳定力矩Tz，才能实现稳定的圆周行驶。如果撒手，在稳定力矩Mz的作用下，前轮将自动恢复到直行位置。3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性 由于侧偏，侧向反力产生的稳定力矩Ty。 如图3-29所示由于转弯时离心力的作用，车轮受到的侧向力为Fy，产生的侧偏角为。轮胎接地印迹的长轴
44、由直行时的aa移到bb位置，轮胎侧向变形前小后大，地面侧向反力的分布呈前小后大状，使其合力Y与Fy错开一个距离ba，形成力偶矩Ty=Yba。它的方向与车轮偏转方向相反，是稳定力矩。3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性图3-29 侧偏产生的稳定力矩3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性 现代轿车车速很高，转弯时离心力大，轮胎气压低，侧偏刚度小。由于侧偏，侧向反力的稳定力矩Ty很大，这常使高速时感到转向沉重。实践证明，1侧偏角引起的稳定力矩，相当于主销后倾56的效果。为了不使总的稳定力矩过大，可以相应地减小主销后倾角，甚至为负值。3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性 由于侧偏，切向反力产生的稳
45、定力矩Tx。 如图3-30所示，由于侧偏，内、外轮地面切向反力Xi和X0的作用线到主销的距离不等，切向反力对主销之矩 的方向取决于切向反力的方向。对于后轮驱动的汽车，前转向轮受到的切向反力（制动时的地面制动力及驱动时的滚动阻力）向后，形成的力矩方向与车轮偏转方向相同，它是非稳定力矩，记为-Tx。对于前轮驱动的汽车，在转向时施加驱动力的情况下，因切向反力方向向前，Tx是稳定力矩。制动时切向反力向后，且Xi和X0值很大，-Tx的绝对值很大，制动中转弯时转向轮容易过分偏转。因此，制动时要把稳转向盘。3.1.3 汽车行驶的纵向及横向稳定性图3-30 切向反力产生的稳定力矩3.1.3 汽车行驶的纵向及横
46、向稳定性 转向系的摩擦力矩T。 转向盘上施加的力矩，经转向传动系放大后，要能克服转向系的摩擦力矩T及前述各项稳定力矩，才能实现转向。由此看来T起阻止转向的作用，是稳定力矩。但是，转向后它又起阻止回正的作用，所以它又是非稳定力矩。 前轮稳定力矩的数值过小，容易产生转向轮摆振。但是，稳定力矩过大，不但转向沉重，且使回正过猛，增加转向轮在回正过程中的摆振。3.23.2 行驶平顺性 因路面、轮胎产生的振动，先传到悬架，受悬架自身的振动持性影响后再传给车身，通过车身传到乘客的胸部，同时通过座椅传给乘客的臂部和背部，还通过转向系，以转向型抖动的形式传到驾驶员手部。发动机、传动系产生的振动，通过支承发动机、
47、变速器和传动袖的缓冲橡胶块，经衰减后传给车身，再经上述途径传至人体各个部位。因此，行驶平顺性是决定汽车舒适性最主要的方面，是评价汽车行驶性能的主要指标之一。3.23.2 行驶平顺性 1人体对振动的反应和行驶平顺性的评价 （1）振动及其传递途径 行驶平顺性可以用图3-31所示来分析。行驶中的汽车是个复杂的“振动系统”，振动的发生源主要有路面凹凸不平的变化，不平衡轮胎的旋转，不平衡传动轴的旋转以及发动机的扭矩变化等。这些因素引起的振动又大多与车速相关，尤其是路面凹凸不平引起的振动，随着车速的变化，振动的频率和强弱会产生相应的变化。3.23.2 行驶平顺性图3-31 汽车振动系统框图3.23.2 行
48、驶平顺性 上述诸多“信号”不断地“输入”行驶中的汽车，而汽车又可以看作是由轮胎、悬架、坐垫等弹性、阻尼元件和悬架质量及非悬架质量构成的“振动系统”。各种“输入”信号沿不同的路径传至乘员人体、其主要传递路径如图3-32所示。 当振动频率超过40Hz以上，便形成噪声传进耳朵。3.23.2 行驶平顺性 系统的“输出”，是人体或货物受到的振动，其中最重要的是振动的频率和振动加速度。由物理学知识可知，任何一个“振动系统”均有个“固有频率”，当外界激振信号，频率接近或等于“国有频率”时，将出现“共振”现象，产生剧烈的振动。研究汽车行驶平顺性实际上要解决两方面的问题：一是如何避免汽车这个“振动系统”的“共振
49、”现象，这既要影响到汽车的操纵稳定性，也要影响行驶平顺性；二是使“振动系统”输出的振动频率避开人体敏感的范围，振动加速度不超过人体所能承受的强度。3.23.2 行驶平顺性图3-32 汽车行驶振动传递路线示意图3.23.2 行驶平顺性 （2）人体对振动的反应 人体是个复杂的机械振动系统，人体对振动的反应既与振动频率及强度、振动作用方向和暴露时间有关，也与人的心理、生理状态有关。 大量的振动试验表明，人体对不同方向的振动反应存在差异，对上下振动忍耐性最强，其次是前后振动，对左右振动最敏感。人体上下振动的共振点大约在48Hz，水平振动的共振点在l 2Hz。如果在共振点上加振，人的抗振能力会严重下降，
50、氧气消耗量剧增，能量代谢加快。3.23.2 行驶平顺性 所谓暴露时间是指人体处于振动环境的时间。暴露时间越长，人体所能承受的振动强度越小。 汽车行驶平顺性的评价方法，通常是根据人体对振动的生理感受和保持货物的完整程度来制订的，并用表征振动的物理量如频率、振幅、位移、加速度等作为评价指标。这些物理量称为振动参数。 最简单而且目前常用的评价行驶平顺性的指标是按照车身振动的低频率制订的，它决定悬挂装置的性能。3.23.2 行驶平顺性 人体器官自幼就已习惯于行走所引起的垂直振动的频率，如果车身振动频率与步行速度频率接近，则乘坐者不会感到不舒适。取步距为0.75m，中等步行速度为（34）km/h，则振动