第七章汽車操縱穩定性試驗7.1

汽車操縱穩定性的理論基礎

汽車穩態回轉試驗轉向瞬態響應試驗蛇形試驗7.27.37.4轉向回正試驗

7.5轉向輕便性試驗7.67.1

汽車操縱穩定性的理論基礎一、定義及其發展過程1.定義2.發展過程3.研究內容4.

評價方法5.

評價標準操縱穩定性與轉向特性密切相關，后面的5個試驗都離不開轉向。二、轉向特性1.汽車運動坐標汽車在超低速轉彎時，兩前輪輪胎的轉角接近下圖和下式所示的關系，我們把這種轉向機構稱之為“阿卡曼型”。2.汽車低速行駛時的轉向特性L——汽車的軸距；δ——兩前輪轉角δ0、δi的平均值當汽車以較高的速度行駛時，汽車轉向半徑與前輪轉角（或方向盤轉角）是不一致的。隨著車速的提高，汽車的車輪便產生了側偏角。其中β1、β2為前、后輪側偏角。

3.汽車高速行駛時的轉向特性

4.穩態轉向特性（4）表征參數用K表征

汽車由等速直線行駛過渡到等速圓周行駛就是一種瞬態響應。它與汽車操縱穩定性有密切的關系。并具有時間上的滯后（響應時間）、執行上的誤差（超調量）、橫擺角速度的波動、進入穩態所經歷的時間幾個特點。

5.瞬態響應側偏特性是研究汽車操縱穩定性的基礎，主要指側偏力、回正力矩與側偏角之間的關系。

（1）輪胎的側偏剛度是決定操縱穩定性的重要參數。它與側偏角和側偏力的關系可用表示。（2）側偏角與回正力矩特性輪胎發生側偏時，還會產生作用于oz軸的力矩Mz，稱為回正力矩。它是使轉向車輪恢復到直線行駛位置的主要恢復力矩之一。輪胎的型式及結構參數對回正力矩-側偏角特性有重要影響?；卣仉S垂直載荷的增大而增加。三、影響汽車操縱穩定性的因素1.輪胎側偏特性的影響當汽車沿曲線行駛時，前、后軸左、右兩側車輪的垂直載荷發生變化，車輪常有外傾角，且由于懸架導向桿系的運動及變形，外傾角將隨之發生變化。這些因素改變了車輪的側偏剛度和外傾側向力，從而影響了輪胎彈性側偏角的大小。與此同時位于懸架上的車廂在曲線行駛時將發生側傾，即使方向盤轉角固定不動，由于車廂側傾時前懸架導向桿系和轉向桿系的運動及變形，前車輪輪輞平面也可能發生繞主銷的小角度轉動。車廂側傾時后懸架導向桿系的運動及變形，也會令后輪發生繞垂直于地面軸線的小角度轉動。

2.操縱穩定性與懸架、轉向系的關系

行駛中汽車所受的外力，除了地面的作用力外就是空氣的作用力?？煞譃橛孀枇Α⑸εc側向推力及由這些力形成的縱傾力矩、側傾力矩和橫擺力矩，這些力和力矩通過兩種途徑影響著汽車的操縱穩定性。一種是直接途徑，即空氣的側向推力與空氣的橫擺力矩作用于汽車車身上，使汽車的受力狀態發生變化，而使前后輪的側向力發生變化，或使汽車側向加速度及橫擺角速度發生變化；另一種是間接途徑，即由各種空氣作用力的作用，使各車輪的負荷發生變化，從而改變了輪胎的側偏特性?？諝獾倪@些作用力的大小大致與空氣對汽車的相對速度的平方成正比。

3.空氣力學特性對汽車操縱穩定性的影響7.2汽車穩態回轉試驗一、試驗作用具有過多轉向特性的汽車有失去汽車操縱穩定性的危險，汽車可能發生激轉而側滑或翻車。具有過強的不足轉向特性的汽車，也會使汽車難以控制。一般也不應使汽車具有中性轉向特性，因為在汽車使用條件變化時，中性轉向汽車可能轉變為過多轉向特性。汽車操縱穩定性良好的汽車應具有適當的不足轉向特性。本項試驗是測定汽車的穩態轉向特性及車身側傾特性這種試驗適用于轎車、客車、載貨汽車及越野汽車。1.陀螺儀：用于汽車運動狀態下測動態參數，如汽車行進方位角、汽車橫擺角速度、車身側傾角及縱傾角等；2.光束水準車輪定位儀：測車輪外傾角、主銷內傾角、主銷外傾角、車輪前束、車輪最大轉角及轉角差；3.車輛動態測試儀：測汽車橫擺角速度、車身側傾角及縱傾角、汽車橫向加速度與縱向加速度等運動參數；4.力矩及轉角儀：測轉向盤轉角或力矩；5.五輪儀、磁帶機等。二、試驗儀器（1）

試驗前在平坦堅實的場地上畫出R0＝15m或R0＝20m的圓.（2）試驗時，汽車先以最低穩定車速沿半徑R0的圓周行駛，待速度傳感器在半圈內均能對準地面預設的圓周時，固定轉向盤不動并停車。（3）啟動記錄儀器，記錄各參數零線后汽車起步并緩慢連續加速（縱向加速度不大于0.25m/s2），直至汽車側向加速度達到6.5m/s2或受限于汽車最高車速，或受限于汽車出現不穩定狀態為止。（4）汽車應左右轉向各重復三次。測定車速v、縱向加速度、側向加速度、橫擺角速度、車身側傾角角，以及轉向盤力矩M等參數。三、試驗方法(GB/T6323.6-94)1.定轉向盤轉角連續加速法

在試驗場地上，用明顯顏色畫出半徑為30m的圓弧形試驗路徑，路徑兩側沿圓弧中心線每隔5m放置標樁，兩側標樁至圓弧中心線的距離為1/2車寬加b，b值按下表確定。接通儀器電源，使之預熱到正常工作溫度。試驗汽車軸距/m標樁距離b/cm小于或等于2.530大于2.5，小于或等于4.050大于4.0702.定轉彎半徑法

汽車以最低穩定車速行駛，調整轉向盤轉角，使汽車能沿圓弧行駛。在進入圓弧路徑并達到穩定狀態后，開始記錄并保持油門和轉向盤位置在3s內不動（允許轉向盤轉角在±10°范圍內調整），之后停止記錄。汽車通過試驗路徑時，如撞倒標樁，則試驗無效。增加車速，但側向加速度增量每次不大于0.5m/s2（在所測數據急劇變化的區段，增量可更小一些）。重復上述試驗，直至做到側向加速度達到6.5m/s2或受發動機功率限制，或汽車出現不穩定狀態時的最大側向加速度為止。試驗按向左及向右轉兩個方向進行，可以先左轉（或右轉），從低速至高速，然后再進行另—方向試驗，亦可以在某一車速下向左、向右兩個方向均進行試驗后再增加車速。（1）轉彎半徑比Ri/R0與側向加速度關系曲線根據記錄的橫擺角速度及汽車前進車速，計算各點的轉彎半徑及側向加速度。進而算出各點的轉彎半徑比Ri/R0（R0為初始半徑，m）。在有模數轉換及計算機系統時，可以把v、r輸入計算機，由計算機得出R/R0—ay曲線。

（2）汽車前后軸側偏角差值（α1-α2）與側向加速度關系曲線對于兩軸汽車，根據R/R0—曲線上各點的轉彎半徑Ri求出（α1-α2）—ay曲線。三、試驗數據處理1.定轉向盤轉角連續加速法（3）根據記錄整理出車廂側傾角與側向加速度之間的關系曲線。

（4）根據記錄整理出轉向盤力矩M與側向加速度之間的關系曲線。（5）把每一次試驗側向加速度為4m/s2及6.5m/s2（或試驗所達到最大側向加速度）時的轉彎半徑比，前后軸側偏角差值、車箱側傾角及轉向盤力矩等，填入試驗結果綜合表中。（6）按汽車向左轉及向右轉兩種狀態分別計算三次試驗各參數的平均值，在三次試驗中，當R/R0出現既有大于1，也有小于1；（α1-α2）、φ、M既有大于零時，也有小于零時，則不能取平均值。（1）側向加速度ay的確定。（2）根據記錄的轉向盤轉角θ及側向加速度ay

，求出θ—ay曲線。在數據處理時，為了計算及閱讀方便，各變量不嚴格按坐標系規定，左轉右轉均取為正。最大總質量和輕載兩種狀態可繪于同一圖上。（3）根據記錄的車箱側傾角φ及側向加速度ay求出θ—ay曲線。（4）根據記錄的轉向盤力矩M及側向加速度ay，求出M—ay曲線。（5）根據記錄的汽車重心側偏角β及側向加速度ay作β—ay曲線。2.定轉彎半徑法蛇形試驗是一項包括車輛—駕駛員—環境在內的閉環試驗。這種試驗在—定的程度上表現出汽車轉向運動的綜合性能。這種試驗測定汽車蛇形行駛的能力，用來綜合評價汽車行駛的穩定性和乘坐的舒適性。此種試驗適用于轎車、客車、載貨汽車及越野汽車。7.3蛇形試驗一、試驗作用1.場地布置在試驗場地上布置標樁10根，標樁間距應符合下表的規定。2.試驗基準車速各種類型車輛試驗基準車速按下表的規定進行。3.試驗車速試驗車速為v1、v2、v3、……v10，其中v1近似為基準車速，車速間隔自行規定，試驗最高車速v10以保證試驗安全為原則，自行選定。但試驗最高車速不得超過80km/h。4.接通儀器電源，使之預熱到正常工作溫度。在正式試驗前，按所示路線，練習5個往返。二、試驗方法5.以車速v1、v2、v3、……v10在標樁間蛇行穿行，同時記錄汽車通過有效標樁區的時間、轉向盤轉角、汽車橫擺角速度及車身側傾角。試驗以每一個車速各進行一次，共十次（撞倒標樁的次數不計在內）。1.蛇行車速汽車蛇行通過有效標樁區間直線距離的平均車速，則稱為蛇行車速。2.平均轉向盤轉角3.平均橫擺角速度4.平均車身側傾角5.試驗結果的表達將試驗結果整理成表的形式，并繪出如下關系圖：（1）汽車橫擺角速度與車速的關系圖。（2）轉向盤轉角與車速的關系圖。（3）車身側傾角與車速的關系圖。三、試驗數據的處理轉向盤轉角----------1CH側向加速度----------2CH橫擺角速度----------3CH車身側傾角----------4CH6.軟件的使用汽車轉向瞬態響應試驗的目的是測定車輛的瞬態轉向特性，即用來評價汽車的動態特性。瞬態轉向特性是指汽車在受到外界擾動下，達到穩定狀態前所表現出的特性，通常用時域響應特性和頻域響應特性來描述。汽車轉向瞬態響應試驗有轉向盤角階躍輸入試驗和轉向盤轉角脈沖輸入試驗兩種，其中前者用于測定瞬態響應的時域響應特性，后者用于測定頻域響應特性。7.4轉向瞬態響應試驗一、試驗作用試驗前試驗車以試驗車速行駛l0km，使輪胎升溫。試驗車速以最高車速的70％并四舍五入為10的整數倍確定；試驗時轉向盤轉角的位置按穩態側向加速度lm/s2~3m/s2確定，從側向加速度為lm/s2做起，每隔0.5m/s2進行一次。試驗時，汽車以試驗車速直線行駛，先按角輸入方向輕輕靠緊轉向盤，消除自由間隙，然后以盡快的速度（起躍時間不大于0.2s或加速度不小于100°/s）轉動轉向盤，使其達到預先選好的位置，并固定數秒直至所測變量達到新的穩定狀態，試驗中測量速度v、轉向盤轉角θ、側向加速度ay、橫擺角速度ωr、質心處側偏角β、轉向盤力矩M及車身側傾角Φ。逐次改變轉向盤轉角θ，測定不同側向加速度時的瞬態特性。二、試驗方法1.轉向盤角階躍輸入試驗

本試驗主要測定轉向盤角脈沖輸入時汽車的頻率響應特性。角脈沖輸入是指急速轉動轉向盤一定轉角后，迅速返回原位置的操作過程，它在數學上相當于三角脈沖函數。汽車受此角脈沖輸入產生的瞬態響應，用頻率響應特性表示，頻率響應特性分幅頻特性和相頻特性。幅頻特性是指響應（輸出）的幅值（汽車橫擺角速度）與激勵（輸入）的幅值（轉向盤或前輪轉角）之比隨頻率f變化的函數；相頻特性是輸出與輸入相位差隨頻率f變化的函數。2.轉向盤轉角脈沖輸入試驗

本試驗的準備工作、汽車車速的確定同上一試驗。試驗時汽車以試驗車速直線行駛，然后給轉向盤三角脈沖輸入，試驗時向左（向右）轉動轉向盤，并迅速回到原處（允許及時修正方向）保持不動，直到汽車回到直線行駛位置。轉向盤轉角輸入脈寬0.3s-0.6s，其最大轉角應使本試驗過渡過程中最大側向加速度為4m/s2。試驗中記錄轉向盤轉角θ、橫擺角速度ωr

、側向加速度ay

、車速v。試驗中，節氣門開度不變，至少按向左、向右轉動轉向盤各三次進行試驗。（1）響應時間t：以轉向盤轉角達到終值50％的時刻作為時間坐標的原點，到所測變量過渡到新穩態值90％的時刻為止，這一段時間間隔稱為響應時間，也就是橫擺減速度響應時間或側向加速度響應時間(圖11.13)。（2）峰值響應時間tp：以轉向盤轉角達到終值50％的時刻作為時間坐標的原點，到所測變量響應第一個峰值時止的一段時間間隔稱為峰值響應時間。（3）橫擺角速度超調量σ：橫擺角速度超調量σ可按下式計算：三、試驗數據處理1.轉向盤角階躍輸入試驗式中：rmax為橫擺角速度響應最大值，rad/s；r0為橫擺角速度響應穩態值，rad/s。（4）橫擺角速度總方差Er：橫擺角速度總方差Er可按下式計算：

(11一28)式中：θi為階躍試驗時轉向盤轉角輸入值，(°)；

ri為汽車橫擺角速度響應的瞬時值，rad/s；

θ0為階躍試驗時轉向盤轉輸入的終值，(°)；

r0為汽車橫擺角速度響應的新穩態值，rad/s；

n為采樣點數，取至新穩態值時止；

Δt為采樣時間間隔，s。（5）汽車因素TB：汽車因素TB是汽車橫擺角速度峰值響應時間與汽車質心側偏角的乘積。汽車質心側偏角可由瞬態回轉試驗求得。計算幅頻特性和相頻特性并將數據結果記入數據表中。若無專門處理設備，可在計算機上處理。2.轉向盤轉角脈沖輸入試驗

轉向回正性能試驗是確定汽車轉向回正力的一種試驗。該試驗評價汽車由曲線行駛自行恢復到直線行駛的能力。駕駛員松開轉向盤前，轉向盤力為定值，側向加速度也為定值。駕駛員突然松開轉向盤后，使轉向盤力突然變為零，故實質上它是力階躍輸入反應，它反映了轉向盤力與汽車運動之間的關系。轉向回正性試驗包括低速回正試驗和高速回正試驗。試驗中測量汽車行駛速度、轉向盤轉角、橫擺角速度、側向加速度等。這種試驗適用于轎車、客車、載貨汽車及越野汽車。7.5轉向回正試驗一、試驗作用

在試驗場上用明顯的顏色畫出半徑為15m的圓周。試驗之前，汽車以側向加速度為3m/s2的車速沿半徑為15m的圓周行駛500m，以使輪胎升溫。接通儀器電源，使儀器達到正常工作溫度。二、試驗方法1.試驗前準備汽車沿半徑為15±1m的圓周行駛．調整車速使側向加速度達到4±0.2m/s2之后，穩定住車速并開始記錄，待穩定3s后，駕駛員突然放開轉向盤，至少記錄松手后3s的汽車運動過程。記錄時間內油門位置保持不變。對于側向加速度達不到4±0.2m/s2的汽車，按側向加速度為3±0.2m/s2進行試驗；對于側向加速度為3±0.2m/s2的汽車，可按試驗汽車所能達到的最高側向加速度進行試驗。2.低速回正試驗對于最高車速超過100km/h的汽車，要進行高速回正性試驗。高速回正試驗車速按試驗車的最高車速的70％確定，并圓整到80km/h、100km/h或120km/h的車速進行試驗。試驗時，汽車以上述規定的試驗車速在試驗路段直線行駛，穩定車速，駕駛員轉動轉向盤使側向加速度達到2±0.2m/s2，待穩定3s并開始記錄后．駕駛員突然松開轉向盤，至少記錄松手后4s內汽車的運動過程。記錄時間內油門位置應保持不變。低速、高速回正試驗應向右轉與向左轉各3次。3.高速回正試驗在由試驗得到的轉向盤轉角時間歷程曲線上，以松開轉向盤的時刻定為時間坐標（橫坐標）的原點。可按下述方法確定時間原點：松開轉向盤前，汽車是以某一轉向盤轉角在繞圈行駛，轉向盤轉角時間歷程曲線為一條平行于時間軸的直線。松開轉向盤后，汽車開始回正過程，所記錄曲線的初始一段為一條線性較好的曲線，一般可擬合為一條直線，此擬合直線與松開轉向盤前的記錄直線的延長線相交，其交點做為時間原點。汽車橫擺角速度時間歷程曲線可分兩類：收斂型的與發散型的。對于單調發散的，不進行數據處理。對于振蕩發散的，只計算自然頻率。對于收斂的，計算如下評價指標：三、試驗數據處理1.穩定時間（回正時間）及殘留橫擺角速度從時間坐標原點開始，到汽車橫擺角速度達到某一數值（包括零值）并保持不變止。這一段時間定為穩定時間（回正時間）。到達穩定時刻的橫擺角速度則稱為殘留橫擺角速度。2.橫擺角速度超調量橫擺角速度超調量是橫擺角速度響應第一個峰值超過穩態值的部分與穩態值之比。3.橫擺角速度自然頻率式中：Ai為橫擺角速度過渡曲線的峰值，rad/s；Δti為橫擺角速度過渡曲線峰值間的時間間隔，s。4.相對阻尼系數:可先求得衰減率D′后，再求得相對阻尼系數。求得衰減率D′后，可在圖11.16上查得與其相對應的阻尼系數ζ，或用下式計算：當D′=0時，表明運動不衰減；當D′=l時，表明除了A1≠0外，其他幅值皆為零。5.橫擺角速度響應總方差6.將向左轉及向右轉各三次試驗的橫擺角速度r與時間t的關系繪制成r—t圖形低速回正性能試驗和高速回正性能試驗結果分別