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
max.book118.com   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。
         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。
max.book118.com  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  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，=0.7～0.8，一般满足式（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，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。
max.book118.com  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
第5章 汽车操纵稳定性.doc