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汽车操纵稳定性 
一、 汽车操纵稳定性
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。
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cF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0=zRF时，开始侧翻。
3.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。
3.1  轮胎的坐标系与术语 
图5.3示出车轮的坐标系，其中车轮前进方向为x轴的正方向，向下为z轴的正方向，在x轴的正方向的右侧为y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（xOy平面）上的投影（y轴），与车轮平面的交点，也就是坐标原点。 
（4）翻转力矩xT  地面作用于轮胎上的力，绕x轴的力矩。图示方向为正。     （5）滚动阻力矩yT  地面作用于轮胎上的力，绕y轴的力矩。图示方向为正。     （6）回正力矩zT 地面作用于轮胎上的力，绕z轴的力矩。图示方向为正。  （7）侧偏角a  轮胎接地中心位移方向（车轮行驶方向）与x轴的夹角。图示方向为正。  （8）外倾角g  xOz平面与车轮平面的夹角。图示方向为正。
3.2 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yF。当侧向力yF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yF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。
当车轮有侧向弹性时，即使yF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W的条件下，受到侧向力yF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aa与车轮平面cc不重合，错开Δh，但aa仍平行于cc，如图5.5a所示。 （2）车轮滚动时  接触印迹的长轴线aa，不只是和车轮平面错开一定距离，而且不再与车轮平面cc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1A¢、2A¢、3A¢„，点1A¢、2A¢、3A¢的连线aa与cc的夹角a，即为侧偏角。车轮就是沿着aa方向滚动的。显然，侧偏角a的数值是与侧向力yF有关的。

3.3  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yF与a成线性关系。随着yF的增大，a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：

3.4  回正力矩（绕z轴的力矩）
在轮胎发生侧偏时，还会产生图5.3所示作用于轮胎绕z轴的力矩zT。圆周行驶时，zT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aa与车轮平面cc平行，错开Δh，即印迹长轴线aa上各点的横向变形（相对于cc平面）均为Δh，故可以认为地面侧向反作用力沿aa线是均匀分布的（图5.8a）。车轮滚动时，印迹长轴线aa不仅与车轮平面错开一定距离，而且转动了a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Fy的大小与侧向力F有相等，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，Fye就是回正力矩Tz。
在yF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。yF¢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yF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。
4.1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。
4.2  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所示为一辆直线行驶汽车，驾驶员在0=t处突然猛打转向盘，转过某一角度
0swd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0w，但实际上汽车横摆角速度的变化为)(tw。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e=t时，横摆角速度达到最大值1w，1w往往大于0w，01/ww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w在0w值上、下波动。车速一定时，w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0w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w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。
二、车辆车身各部件对车辆操纵稳定性影响
1.  电动助力转向系统对汽车操控稳定性的影响 
在电动助力转向系统中引入横摆角速度反馈传感器 ,建立了包含电动助力转向系统的人 -车系统数学模型 ;经模拟仿真分析 ,表明该模型在 EPS中引入横摆角速度负反馈可以显著改善前轮角阶跃输入下车辆的横摆角速度的瞬态响应 ;并且 EPS助力矩响应曲线上升平稳缓慢 ,有利于汽车在低附着系数路面高速转向行驶时的操纵 ,从而提高汽车的行驶安全性。 
1.1. 横摆角速度反馈 
当汽车的运动进入失稳状态时 ,驾驶员很容易做出过度转向的车辆 ,可在 EPS中引入一个负反馈 ,以降低系统的助力矩 ,削弱驾驶员快速改变前轮转向角的能力。 
1.2. 仿真结果及结论 
对于不引入反馈的系统 ,瞬态响应曲线的振荡幅度很大 ,收敛较慢 ,稳定性较差。引入反馈后 ,系统的超调量显著降低 ,并很快的趋于稳态值 ,但反应时间较前者增长。引入反馈后 (实线表示 )系统在横摆角速度出现剧烈振荡的阶段 ( t < 1 s)提供远小于常规系统 (虚线表示 )的助力矩。这样转向系能提供给驾驶员更多的“路感”,同时也使转向系变得较“迟钝”,削弱了驾驶员快速控制前轮转向的能力 [ 6 ] ,防止因驾驶员 (错误的 )快速转向操纵而导致的系统不稳定。另外 ,带有反馈的系统提供的助力矩曲线很平滑 ,而不带反馈的系统却出现了一定的波动。抑制助力矩的波动不仅有利于保持车辆的稳定性 ,也有利于延长助力电机的寿命。 
因此在 EPS引入横摆角速度反馈可以减少前轮阶跃输入车辆的横摆角速度瞬态响应的时间 ,显著降低超调量 ,可明显改善车辆的行驶稳定性 ,但会增长反应时间。为 EPS引入横摆角速度反馈后 , EPS系统的助力矩上升较慢 ,但增长平稳 ,不出现明显的振荡。这有利于汽车横摆角速度出现剧烈波动的失稳状态下汽车的操纵 ,提高汽车的行驶安全性。 
2. 悬架特性对操纵稳定性的影响 
汽车的不足转向度是汽车操纵稳定性的一个重要评价指标，在汽车概念设计阶段，通过悬架在各种工况下的K&C性能分析，可计算分析整车的基本动力学特性，协助完成目标设定、目标改进和整车操稳性能优化提升等工作。本文最终以奇瑞某车型为例，分析并研究改变悬架的K&C特性（主要改变悬架的侧倾转向和侧向变形转向梯度）对整车不足转向度的影响，并在整车操稳性能的优化改进中进行了验证。 通过改变前悬架的侧倾转向梯度和侧向变形转向梯度，运用MSC ADAMS分析悬架K&C性能的变化对整车操纵稳定性的影响；该方法也可用于悬架其它K&C性能的分析，为汽车悬架的概念设计和样车性能提升提供仿真支持。 
2.1. 基本理论及内容研究 
Kinematics研究悬架和转向系统的几何空间位置运动特性，不考虑质量或力的影响；Compliance是由于力的作用而引起的变形，如弹簧、稳定杆、衬套和部件的受力变形。通过悬架K&C性能的分析改进，可为整车性能的提升提供支持。  以ε代表侧倾转向系数，整车的不足转向度可表示为：

其中：φ――车身侧倾角；        ay――侧向加速度；  
    随着前、后侧倾转向的方向与数值的不同，整车的不足转向度也会随着增加或较小。侧向变形转向  侧向变形转向系数可定义为：

其中：δc――转向角；        Fy――侧向力；  
侧向力等于轴荷乘以侧向加速度，因此前轴转向角可表示为：
由侧向变形转向引起的整车不足转向度可表示为：

2.2. 分析及结果 
改变前悬架的侧倾转向梯度和侧向变形转向梯度，而保持前后悬架和整车的其它参数不变，对整车进行稳态回转仿真分析，计算整车的不足转向度，即KRS和KLFCS，研究悬架的K&C特性变化对整车性能的影响。最终结果显示，随着前悬架侧倾转向梯度εf的增大，整车不足转向度KRS逐渐增大；随着侧向变形转向梯度Af的增大，整车不足转向度KLFCS逐渐增大。在汽车转弯时，前悬架外侧车轮的负前束变化趋势增大时，整车有增加不足转向的趋势 
3. 集成底盘控制对汽车操纵稳定性的影响 
为了应付的稳定性，操纵性能，以及高顺序和复杂的车辆拖车厂的冲突要求，模型跟踪方法。采用这种方法，反馈控制的目的是“脱钩”的车辆和拖车厂，使得每一个跟踪一个明确的二阶独立的参考模型尚未协调发展。前馈控制是为了维护其系统的稳态性能。因此，该方法不仅提高了系统的瞬态响应，而且其稳态性能。这种做法进一步产生了一个简单而分析控制推导，提供更多有识之士来系统动力学研究。 
3.1. 实验模拟及结论 
计算机模拟进行了比较系统的反应模拟阶跃输入。这些配置包括车辆单独与2WS与RWS的开环控制，车辆拖车与模型跟踪控制系统，汽车拖车，并与修正模型分别跟踪控制。模拟转向输入为60度和车辆在时速80公里匀速行驶。为了稳定车辆拖车组合，而在同一时间，以保持其操控性能，模型跟踪控制，提出了基于综合底盘控制，如全轮转向，（AWS）的控制，本文所描述。建议中的管制包括一个反馈控制和前馈控制。而反馈控制，主要是旨在通过“脱钩”的车辆和拖车等，每首曲目一个明确的二阶系统暂态响应的参考模型，前馈控制提高了系统的稳态性能。因此，一个简单而推导公式分析控制，提供更深入地了解其动态。为了应付模型的非线性，改进的模型跟踪双回路反馈控制进一步提出，其性能的改善是通过模拟显示。 
三、车辆整体性能操纵稳定性的研究 
1. 基于ADAMS的汽车操纵稳定性的研究 
应用机械系统分析软件A D A MS ，建立丁整车的多柔体动理学仿真模型。详细考虑了悬架 、轮胎 ．横向稳定杆等部件的操纵稳定性的影响设计了于F环的虚拟试验， 对仿真结果进行了处理并同物理试验结果进行此较．验证了模型的可靠性应用相应的评价方法对车型进行计分评价，分析了影响稳态转向特性的各种因索．结合车辆实际情况提出了相应的改善措施。
1.1. 操纵稳定性的模拟试验的实现及评价 
我国国家标准t S   J G B ／ T 6 3 2 3 - 9 4的规定进行汽车操纵稳定性试验时，进行如下试验：①蛇行试验；②转向瞬态响应试验；③转向回正性 试验；  转向轻便性试验； ⑨稳态回转试验。本次仿真选择稳态回转试验来分析该车的操纵稳定性。 虚拟试验实现的方法是：汽车以最低稳定车速行驶(仿真中以 1 0 k m ／ h为准) 。调整方向盘转角使转弯半径为1 5 m，测量出此时的方向盘转角。仿真时用 S t e p ( ) 函数6 施加驱动力矩 ， 避免仿真开始时的数据突变。然后在仿真开始很短时间内( 如 1  S ) 用 S t e p ( ) 函数阶跃输入该转角，在驱动力矩的作用下车辆连续而均匀地加速( 纵向加速度不能超过 0 ． 2 5 m ／ s   ，通过调整驱动力矩的大小来实现) 。直到汽车的侧向加速度达 到 6 ． 5  m ／ s  ( 或达到汽车所能达到的最大侧向加速度) 为止。根据以下关系式建立 M e a s u r e测量出侧向加速度、转弯半径。a=  X t o   ( 1 )   R= V ／ t o   ( 2 )  式中： a—— 侧向加速度， m ／ s  ；  V ——车辆前进车速， m／ s；  R —— 转弯半径， I n；  t o—— 横摆角速度， r a d ／ s ；仿真开始时，横摆角速度 t o为零，从而 R为无穷 大，导致仿真失败，用 t o+ o ( t o) 代替 t o( o ( t o) 为一微小常数) ，此问题便可解决。 
将试验结果进行处理， 然后按照评价方法进行评价计分， 可得中性转向点侧向加速度、 不足转向度和车厢侧倾度的评价计分值分别为 6 5 ，9 5 ， 6 6 ，综合评价计分值为 7 5 .3 。由以上数据判断，该车的稳态转向特性是合格的。但是，中性转向点侧向加速度、车厢侧倾度的评价计分值偏低，所以该车的操纵稳定性还有很大的改进余地。结合该车的实际情况，综合考虑提高评价指标计 分值，所采取措施易于在设计、生产过程中实现，对汽车其他主要性能影响较小。采取增大横向稳定杆角刚度及改变主销后倾角两项措施对该车操纵稳定性进行改善， 将主销后倾角调整为 3 ．5 。横向稳定杆角刚度由原来的 1 0 0 ． 5 N m ／ ( 。) 增加至 5 0 5 N m ／ ( 。) 进行仿真， 结果表明该车稳态转向特性有显著改善，中性转向点侧向加速度、 不足转向度和车厢侧倾度的评价计分值分别为 7 9 ，1 0 0 ，7 5 ；综合评价计分值为8 4 ．7 ，比原车型提高了 l 2 ．5 ％。 
1.2. 结论 
针对改型商务车的结构特点，建立了包括悬架、 轮胎、横向稳定杆、横拉杆、转向系等部件在内的整车 动理学仿真模型，完成了虚拟试验并将其与物理试验比较 ，结果验证所建立的模型是正确的，在仿真的基础上 对该车型的稳态转向特性进行了改善。研究表明，利用虚拟样机技术可以快速准确地对车辆操纵性 能进行仿真，从而对其性能做出预测和评估 ，为设计和改型提供依据和参考，减少开发费用，缩短设计周 期，提高产品竞争力，具有重要的现实及工程意义。 进一步可建立更为精确的模型，考虑更多的影响因素，进行操纵稳定性的其他各个试验的仿真研究 ，从而更为全面地对车辆操纵稳定性进行预测和评价 
2. 汽车操纵稳定性的主观评价 
2.1. 汽车操纵稳定性的主观评价概念和方法 
汽车操纵稳定性的主观评价是驾驶员根据不同的驾驶任务操纵汽车时， 依据对操纵动作难易程度的感觉来对汽车进行评价， 即驾驶员对汽车的易操纵性所进行 的评价。 由于个体的生理心理存在很大。 
汽车操纵稳定性的主观评价包含不同驾驶任务的多项目评价和总评价。 评价项目可分为： 直线行驶稳定性 ( 包括转向回正能力、侧风敏感性 、路 I 自 i 不 平敏感性等) 、 行 车变道的操纵性、转弯稳定 ( 包括转 向的准确性、 固有转向特性、 转弯制动特性等 ) 以及操纵负荷等。另外还常常进行多弯道路段L汽车总特性的评价。 
参考文献：【1】蔡世芳 (1985). "汽车操纵稳定性评价指标和参数匹配的工程分析方法." 汽车工程 7(3): 21-29.
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【4】宗长富，郭孔辉. 汽车操纵稳定性的主观评价. 汽车工程. 2000(5)
【5】Weiwen Deng and Yong H. Lee，An Integrated Chassis Control for Vehicle-Trailer Stability and Handling Performance，Proceedings of the 2004 SAE Automotive Dynamics, Stability & Controls Conference ，May 4-6, 2004