汽车操纵稳定性

汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的性能

汽车操纵稳定性，是指在驾驶员不感觉过分紧张、疲劳的条件下，汽车能按照驾驶员通过转向系及转向车轮给定的方向（直线或转弯）行驶；且当受到外界干扰（路不平、侧风、货物或乘客偏载）时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的性能。

概念简介

汽车的操纵稳定性包含相互联系的两个部分，一是操纵性，另一个是稳定性。操纵性好简言之就是“听话”，汽车能够按照驾驶员的要求运行；稳定性好简言之就是能够抵抗干扰。

评价方法

汽车操纵稳定性涉及的问题较为广泛，它需要采用较多的物理参量从多方面来进行评价。对操纵稳定性有两种评价方法——主观评价和客观评价。

主观评价

主观评价就是感觉评价，其方法是让试验评价人员根据试验时自己的感觉来进行评价。并按规定的项目和评分办法进行评分。

主观评价的优点：

（1）主观评价把人的因素考虑在内，与实际情况更为符合。汽车是由人来驾驶的，因此主观评价法始终是操纵稳定性的最终评价方法；

（2）熟练的试验驾驶员在进行主观评价试验时，还能发现仪器所不能检验出来的现象。

主观评价的缺点：

（1）它受到评价者个人主观因素的影响，不同评价者可能给出差别较大的评价结果；

（2）一般情况下，它不能给出“汽车性能”与“汽车结构”二者之间有何种联系的信息。

（3）在设计阶段必须要生产出样车，这样增加评价成本和设计周期。

客观评价

客观评价法是通过测试仪器测出表征操纵稳定性能的物理量如横摆角速度、侧向加速度、侧倾角及转向力等来评价操纵稳定性的方法。

其优点是：

（1）实验方法和指标计算结果比较明确，没有人为的不确定因素的干扰；

（2）随着虚拟仿真技术的成熟，汽车模型的精确构建，为以计算机仿真分析为手段研究汽车动力学特性及预测动态特性提供极大方便；

（3）如果有一套成熟统一的客观评价体系用于设计阶段，在还没有原型车的情况下或者在对标阶段就可预测汽车操纵稳定性，从而优化设计节约时间节约成本；

（4）可以通过客观评价试验中的评价指标，理论分析确定它们与汽车结构参数的函数关系，因此客观评价试验可以指出改变汽车结构及结构参数以提高性能的具体途径。

其缺点是：

（1）没有充分考虑到人的因素，与汽车的实际使用情况有一定的差别，评价指标难以真正准确反映汽车的操纵稳定性；

（2）还没有成熟统一的客观评价体系，即便是ISO的实验标准也只给出了实验方法和指标计算方法，并没有明确说明各指标如何去反应汽车主观品质特性。

由于主客观评价各有优缺点，所以较为常见的办法是先由人的感觉发现问题，然后用仪器来进行测试。

影响因素

有很多因素影响汽车操纵稳定性，其中主要因素是在行驶系、转向系及传动系等方面。

行驶系

行驶系中影响操纵稳定性的主要因素有：前轮定位参数、后悬架结构参数及横向稳定杆、轮胎、前轴或车架变形、悬架等。

（1）前轮定位参数的影响

前轮定位参数包括：前轮外倾角、主销内倾角、主销后倾角和前轮前束（前束角）。

前轮外倾角，是指通过前轮中心的汽车横向平面与前轮平面的交线线与地面垂直线所成的夹角，前轮外倾角一般在1°左右，如图1所示。它的作用主要是当汽车行驶时，将轮毂压向内轴承，而减轻外端较小的轴承载荷，同时，可以防止因前轴变形和主销孔与主销间隙过大引起前轮内倾，减轻轮胎着地与主销轴线与地面交点间的距离，从而使转向轻便。

主销内倾角，是指主销轴线与地面垂线在汽车横向平面内的夹角，如图2所示。主销内倾角对操纵稳定性的影响，主要也是回正力矩，它是在前轮转动时将车身抬高，由于系统位能的提高而产生的前轮回正矩，它与侧向力无关。因此可以说，主销内倾角主要在低速时起回正作用，“后倾拖距”主要在高速时起回正作用。

主销后倾角，是指主销轴线与地面垂线在汽车纵向平面内的夹角，如图3所示。主销后倾角对汽车操纵稳定性的影响主要通过“后倾拖距”使地面侧向力对轮胎产生一个回正力矩，该力矩产生一个与轮胎侧偏角相似的附加转向角，它与侧向力成正比，使汽车趋于增加不足转向，有利于改善汽车的稳态转向特性。若主销后倾角减小，使得回正力矩变小，当地面对转向轮的干扰力矩大于转向轮的回正力矩时，就会产生摆振。

前轮外倾随负荷的变化而变化。当车辆转向时，在离心力作用下，车身向外倾斜，外轮悬架处于压缩状态，车轮外倾角逐渐减小（向负外倾变化）；内轮悬架处于伸张状态，使得本来对道路向负外倾变化的外倾角减弱。从而提高车轮承受侧向力的能力，使汽车转向时稳定性大为提高。前轮前束（如图4所示）不可过大，若前束过大，会使车轮外倾角、主销后倾角变小，会使前轮出现摆头现象，行驶中有蛇行，转向操作不稳。

前悬架导向机构的几何参数决定前轮定位参数的变化趋势和变化率。在车轮跳动时，外倾角的变化包括由车身侧倾产生的车轮外倾变化和车轮相对车身的跳动而引起的外倾变化两部分。在双横臂独立悬架中，前一种变化使车轮向车身侧倾的方向倾斜，即外倾角增大，结果使轮胎侧偏刚度变小，因而使整车不足转向效果加大；后一种变化取决于悬架上、下臂运动的几何关系，在双横臂结构中，往往是外倾角随弹簧压缩行程的增大而减小，这种变化与车身侧倾引起的外倾角变化相反，会产生过度转向趋势。

（2）后悬架结构参数的影响

后悬架结构参数对汽车操纵稳定性的影响，近似于前悬架的“干涉转向”。它是在汽车转向时，由于车身侧倾导致独立悬架的左右车轮相对车身的距离发生变化，外侧车轮上跳，与车身的距离缩短，内侧车轮下拉，与车身的距离加大。悬架的结构参数不同，车轮上下跳动时，车轮前束角的变化规律也必然会不同。前轮前束指汽车转向的前端向内收使两前轮的前端距离小于后端距离。两车轮前后的距离之差，称为前束值，一般不大于8~12mm。其作用是消除由于前轮外倾使车轮滚动时向外分开，引起车轮滚动时边滚边拖的现象，引导前轮沿直线行驶。

（3）横向稳定杆的影响

横向稳定杆常用来提高悬架的侧倾角刚度，或是调整前、后悬架侧倾角刚度的比值。在汽车转弯时，它可以防止车身产生很大的横向侧倾和横向角振动，以保证汽车具有良好的行驶稳定性。提高横向稳定杆的刚度后，前悬架的侧倾角刚度增加，转向时左右轮荷变化加大，前轴的每个车轮的平均侧偏刚度减小，汽车不足转向量有所增加。前悬架中采用较硬的横向稳定杆有助于提高汽车的不足转向性，并能改善汽车的蛇行行驶性能。

（4）轮胎的影响

轮胎是影响汽车操纵稳定性的一个重要因素，增大轮胎的载荷能力，特别是后轮胎的载荷能力，例如加大轮胎尺寸或提高层级，或者后轮由单胎改为双胎，都会改善汽车的稳态转向特性。改变后轮胎的外倾角，也可以改善汽车的操纵稳定性，这是因为后轮胎的负外倾角可以增加后轮胎的侧偏刚度，从而减小过多转向趋势。

（5）前轴或车架变形的影响

由于车架是汽车的基础，它的变形会直接影响各部件的连接及配合，从而直接影响操纵稳定性。如果汽车前轴变形，就会改变主销孔的轴线位置，使主销内倾角变大，则外倾角变小，反之，内倾角变小，外倾角变大，从而行驶时会产生转向沉重，磨胎和无自动回正的能力。

（6）悬架的影响

当车辆受到侧向作用力时，汽车前、后轴垂直载荷变动量的大小是影响操纵稳定性的主要原因。如果汽车前轴左、右车轮的垂直载荷变动量较大，汽车趋于增加不足转向量；如果后轴的左、右车轮的垂直载荷变动量较大，汽车趋于减少不足转向量。影响汽车前轴和后轴左、右车轮的垂直载荷变动量的主要因素有：前、后悬架的侧偏刚度，悬挂质量，质心位置，前、后悬挂侧倾中心位置等。这些参数也是悬架系统影响操纵稳定性的参数。

转向系的影响

当车厢侧倾时，转向系与转向系运动学关系如果不协调，将会引起转向车轮侧倾，干涉转向。在汽车直线行驶中，当车厢与车桥发生相对运动时，会引起前轮转动而损害汽车的操纵稳定性。汽车的转向系刚度会引起转向车轮的变形转向，转向系刚度低，转向车轮的变形转向角大，从而增加了汽车的不足转向趋势；转向刚度高，转向车轮的变形转向角小，则减小了汽车的不足转向趋势。

传动系的影响

纵向驱动力会增加前驱动汽车的不足转向趋势。当然，用发动机进行制动时，将使汽车有增加过多转向的趋势。所以，大功率的前驱动汽车在加速过程中，若将加速踏板踩到底后突然松开，则汽车的转向特性会发生明显的变化，甚至成为过多转向。因此，汽车会发生出乎意料的突然驶向弯道内侧的“卷入”现象。可以通过采用自动变速器、有限差速作用差速器(LSD)和使驱动轮在制动时能产生不足变形转向的悬架来减少、消除卷入现象。

后轮驱动汽车在进行发动机制动时，由于制动力的作用增大了后轴侧偏角，产生了过多转向的趋势，加上其他因素的综合影响，后驱动汽车也常有“卷入”现象。

道路试验

汽车操纵稳定性试验主要在汽车试验场的专用场地上进行。试验前要注意检查轴荷分配、轮胎充气压力与胎面等是否符合要求。

主要试验仪器

汽车操纵稳定性路上试验所需测定的参数和仪器有：用非接触式车速仪或第五车轮和时间信号发生器测定车速和时间，用测力转向盘测量转向盘作用转矩及转角(一般在测力转向盘上附装多圈电位器来测量转角)，用加速度计测量侧向加速度（或测出汽车横摆角速度，和转弯半径R后，由求得），汽车横摆角速度用二自由度角速度陀螺来测量，汽车的航向角和车厢侧倾角用三自由度的航向陀螺和垂直陀螺来测量。

主要试验项目

主要的试验项目有：低速行驶转向轻便性试验、稳态转向特性试验、瞬态横摆响应试验、汽车回正能力试验、转向盘角脉冲试验、转向盘中间位置操纵稳定性试验等。

瞬态横摆响应试验：目前常用阶跃试验来测定汽车对转向盘转角输入时的瞬态响应。

回正试验是表征和测定汽车自曲线回复到直线行驶的过渡过程，是测定自由操纵力输入的基本性能试验。

转向盘角脉冲试验：通常以汽车横摆角速度频率特性来表征汽车的动态特性。因此，频率特性的测量成为一个重要的试验。这个试验要确定给转向盘正弦角位移输入时，输出(汽车横摆角速度)与输入的振幅比与相位差。通过直接给转向盘正弦角位移输入来测量汽车的频率特性是很困难的，因为一方面准确的正弦输入难以做到，而且要在几个固定车速下给转向盘以不同频率的正弦输入也是很费时间的。所以，经常是用转向盘角位移脉冲试验来确定汽车的频率特性。

提高措施

汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度，而且也是决定高速汽车安全行驶的一个主要性能，所以人们称之为“高速车辆的生命线”。正因为如此，人们不断地寻找方法来改善汽车的操纵稳定性。提高操纵稳定性的常用方法有：防抱死制动系统（ABS）、驱动力控制系统（TCS）、四轮转向系统（4WS）、车辆稳定性控制系统（VSC）等。

带有4WS的在汽车转弯行驶时，后两轮也随着前两轮有相应的转向运动。一般两轮转向汽车（2WS）在中、高速作圆周行驶时，车身后部甩出一点，车身以稍稍横着一点的姿态作曲线运动，增加了驾驶者在判断与操作上的困难。电控4WS汽车的质心侧偏角总接近于零，车厢与行驶轨迹方向一致，汽车自然流畅地作曲线运动，驾驶者能方便地判断与操作，显著地改善了操纵稳定性。

车辆稳定性控制系统是以ABS为基础发展而成的。系统主要在大侧向加速度、大侧偏角的极限工况下工作。它利用左、右两侧制动力之差产生的横摆力偶矩来防止出现难以控制的侧滑现象，如在弯道行驶中因前轴侧滑而失去路径跟踪能力的驶出(Drift Out)现象及后轴侧滑甩尾而失去稳定性的激转(Spin)现象等危险工况。

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