汽車理論汽車的操縱穩定性預備知識

汽車轉向系的功能、組成、構造及工作原理。中心思想

首先介紹操縱穩定性的基本概念（評價指標、輪胎側偏特性），然后分析線性二自由度的汽車模型，最后介紹汽車行駛時的側翻和側滑。汽車理論第一節概述汽車理論

汽車的操縱穩定性是指在駕駛者不感到過分緊張、疲勞的條件下，汽車能遵循駕駛者通過轉向系及轉向車輪給定的方向行駛，且當遭遇外界干擾時，汽車能抵抗干擾而保持穩定行駛的能力。

汽車的操縱穩定性不僅影響到汽車駕駛的操縱方便程度，也是影響汽車安全性的重要因素之一。汽車的操縱穩定性包括兩個相互關聯的部分，即操作性和穩定性。

操縱性是汽車能夠確切地響應駕駛員指令的能力。

穩定性是汽車抵抗改變其行駛方向的各種外界干擾(路面擾動或風擾動)，并保持穩定行駛而不失去控制，甚至翻車或側滑的能力。汽車理論車輛坐標系和汽車主要運動形式汽車理論沿X方向：縱向運動；繞x方向：側傾運動；沿Y方向：側向運動；繞y方向：俯仰運動；沿z方向：上下運動；繞z方向：橫擺運動。汽車操縱穩定性評價方法汽車理論汽車理論人--車閉環系統汽車理論汽車試驗的兩種評價方法客觀評價法客觀評價通過儀器測試能定量評價汽車性能，且能通過分析求出其與汽車結構參數間的關系。主觀評價法主觀評價考慮到了人的感覺，能發現儀器不能測試出的現象，是操縱穩定性的最終評價方法，但很難給出定量評價數據。汽車理論汽車理論第二節輪胎的側偏特性輪胎坐標系汽車理論地面作用在輪胎上的主要力和力矩：沿x方向：地面切向反作用力(縱向力)Fx;沿y方向：地面側向反作用力(側向力)Fy;沿z方向：地面法向反作用力Fz;繞x軸：翻轉力矩Mx；繞y軸：滾動阻力矩My；繞z軸：回正力矩Mz；

汽車在行駛中由于受轉向、路面傾斜、風力等引起的側向力的作用，使輪心速度方向偏離車輪平面的現象。轉向引起的側向力總是指向汽車內側。側偏角總是位于和側偏力指向相反的一側。輪胎的側偏現象汽車理論cFyuccFyucu′△

沒有側向滑移

有側向滑移圖有側向力作用時剛性車輪的滾動u車輪中心沿Y軸方向若作用有側向力Fy，相應地在地面上產生地面側向反作用力FY，FY也稱為側偏力。當有地面側向反作用力時，若車輪是剛性的，則可能發生兩種情況：汽車理論實際上：車輪都不是剛性的，車輪存在側向彈性，因此，即使側向力Fy沒有達到車輪與地面之間的附著極限，車輪的行駛方向也將偏離車輪平面的方向，即發生側偏現象。輪胎的側偏現象汽車理論具有側向彈性的車輪在垂直載荷的作用下，車輪中心受到側向力Fy，地面有相應的側偏力Fy時具有下面的兩種情況：車輪靜止不滾動：輪胎胎面接地印跡的中心線與輪胎平面分開一個距離Δh，且平行。車輪滾動：接地印跡的中心線與輪胎平面錯開，且有一夾角(側偏角)，此時，車輪沿接地印跡的中心線方向滾動。輪胎不對稱受力

產生的回正力矩汽車理論回正力矩——繞OZ軸的力矩

Tz是使轉向車輪回復到直線行駛位置的主要恢復力矩之一，稱為回正力矩。回正力矩是由接地面內分布的微元側向反力產生的。在側偏角<5時，側偏力和側偏角成線性關系。這時，式中，k稱為側偏剛度（N/rad）。為曲線在=0處的斜率。按輪胎坐標系，側偏力和側偏角總是反號，故側偏剛度總是負值。輪胎的側偏特性汽車理論側偏特性主要是闡述側偏力、回正力矩、側偏角之間的關系。側偏力與側偏角的關系汽車理論影響輪胎側偏特性的主要因素汽車理論影響輪胎側偏彈性的主要因素是：輪胎結構參數輪胎的使用參數具體包括側偏角、外傾角、垂直載荷、在接地印跡上的分布、路面附著系數、輪胎的縱向滑移率等垂直載荷增大，k增大；但垂直載荷過大，輪胎與地面接觸區的壓力變得極不均勻，k反而減小。汽車理論輪胎形式和結構參數的影響

a.子午線胎比斜交胎側偏剛度高。

b.扁平率（=輪胎高度H/寬度B）小的輪胎側偏剛度大。汽車理論

c.胎壓大，則側偏剛度大，但胎壓太大側偏剛度基本不變。試驗時，可能通過改變減少胎壓改變穩態試驗結果。汽車理論附著橢圓一定側偏角下，驅動力或制動力增加時，側偏力逐漸有所減小，這是由于輪胎側線彈性有所改變的關系。當縱向力相當大時，側偏力顯著下降，接近附著極限時，切向力已耗去大部分附著力，而側向力能利用的附著力很小。路面對側偏特性的影響路面干濕程度的影響路面越濕，最大側偏力越小。薄水層的影響

路面有薄水層時，輪胎可能會完全失去側偏力，這稱為“滑水”現象。第二節線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應汽車理論汽車模型的簡化*忽略轉向系統的影響，直接以前輪轉角為輸入。*不考慮振動、側傾、俯仰運動，認為汽車只作平行于地面的運動；*不考慮輪胎切向力、外傾角、空氣阻力的影響；*忽略左右輪胎載荷變化引起的側偏特性變化；*忽略輪胎回正力矩；*認為輪胎側偏特性處于線性范圍；*認為汽車沿x軸速度不變。汽車理論2.1二自由度汽車模型汽車理論---前輪轉角(車輪旋轉平面與汽車縱向的夾角)ab---汽車前后軸到質心的水平距

---橫擺角速度

---質心處的側偏角α1α2---分別為汽車前、后車輪上的側偏角(車輪的旋轉平面與車輪行駛速度方向之間的夾角)汽車理論二自由度汽車的運動微分方程：式中：u，v-汽車質心速度在x,y軸上的分量;-前輪轉角；

k1，k2-前、后輪胎側偏剛度；

a，b-汽車前后軸到質心的水平距離

；

-橫擺角速度

-質心處的側偏角汽車理論2.2瞬態響應、穩態響應汽車的時域響應可分為:不隨時間變化的穩態響應和隨時間變化的瞬態響應。汽車等速直線行駛是一種穩態，給汽車以轉向盤角階躍輸入，一般汽車經短暫時間后便進入等速圓周行駛，這也是一種穩態，稱為轉向盤角階躍輸入下進入的穩態響應。在等速直線行駛與等速圓周行駛這兩個穩態運動之間的過渡過程便是一種瞬態，相應的瞬態運動響應稱為轉向盤角階躍輸入下的瞬態響應。汽車理論汽車穩態響應穩態下汽車平面運動方程為消去v后，得：汽車理論

式中：

—穩態橫擺角速度增益，也叫轉向靈敏度；

K—穩定性因數（s2/m2）(K值與汽車的質量、質心位置以及前后車輪的側偏剛度有關，它是汽車本身具有的一個特性)；

—橫擺角速度；

u—車速；δ—前輪轉角；

m—汽車質量；L—軸距；

a，b—汽車質心到前后軸的距離；

k1，k2—前后輪側偏剛度。汽車理論上式表明：汽車轉向半徑與汽車的行駛速度、穩定性因數、汽車轉向輪轉角之間的關系，也說明了轉向半徑隨上述參數變化情況。汽車理論汽車理論汽車穩態響應的類型穩定性因數K是表征汽車穩態響應的一個重要的參數。隨著汽車行駛車速的變化，汽車的穩態響應可以按照穩定性因數K的數值分為：中性轉向不足轉向過度轉向三種穩態響應汽車理論

K=0時，汽車穩態響應為中性轉向。這時，轉向半徑，汽車的轉向半徑與其行駛速度無關，無論行駛速度怎么改變，只要保持前輪的轉向角保持不變，汽車的轉向半徑不變。這是在汽車以極低車速而無側偏時的轉向幾何關系。但實際上汽車在轉向過程中，即使車速低，內外前輪的轉向角并不相等，且不等于。外側的比稍小，內側的比稍大。汽車中性轉向（NeutralSteer,NS）汽車理論汽車理論汽車穩態橫擺角速度增益曲線汽車理論在不同的車速下汽車的穩態橫擺增益曲線，給出了在穩定性因數分別為0、大于0、小于0三種狀態下對應的汽車的三種轉向特性。

K>0稱為不足轉向。不足轉向汽車加速時，和中性轉向時比，根據穩態橫擺角速度增益比中性轉向時較小。在中性轉向的汽車穩態增益曲線下方，且隨著汽車行駛速度的增加，曲線呈現向下的趨勢。隨著穩定性因數的增大，橫擺角速度增益曲線越低，不足轉向量越大。汽車不足轉向UnderSteerUS汽車理論特征車速汽車理論特征車速是表征不足轉向的一個參數。隨著K值的增大，特征車速減小。汽車理論以一定的前輪轉角和一定的行駛速度作圓周運動，若速度增加，汽車將從原來的回轉圓駛出而形成一個比原來半徑更大的回轉圓。若保持前輪的轉角不變，隨著汽車的行駛速度的增大，而仍要保持原來的半徑作圓周運動時就顯得前輪轉角不足，呈現不足轉向的特性。汽車理論中性轉向下：P136頁圖汽車理論

K<0稱為過多轉向。過多轉向汽車加速時，和中性轉向相比，穩態橫擺角速度增益較大，但R=，故轉向半徑隨車速增大而減小。顯然，當時，=

。這時較小的前輪轉角都會導致激轉而翻車。為了保持良好的操縱穩定性，汽車都應當具有適度的不足轉向。汽車過多轉向OverSteerOS

汽車理論汽車理論臨界車速汽車理論過多轉向的汽車當行駛速度達到臨界車速時將失去穩定性(因為在臨界車速附近時，橫擺角速度增益趨于無窮大，只要極其微小的前輪轉角便會產生極大的橫擺角速度)。由于過多轉向的汽車易失去穩定性，故汽車都應具有適度的不足轉向特性。汽車理論例P1596-8汽車理論

式中：

—穩態橫擺角速度增益，也叫轉向靈敏度；

K—穩定性因數（s2/m2）；

—橫擺角速度；

u—車速；δ—前輪轉角；

m—汽車質量；L—軸距；

a，b—汽車質心到前后軸的距離；

k1，k2—前后輪側偏剛度。知識點回顧：三種穩態響應汽車穩態橫擺角速度增益曲線表征穩態響應的參數1、前、后輪側偏角絕對值之差如果不知道輪胎側偏剛度和汽車其他參數，只能通過實驗判斷汽車穩態特性。測出前、后輪側偏角絕對值之差，即可求出穩定性因數K來。并注意到因ay為正時，Fy1，Fy2為正，1，2為負。ay為負時，Fy1，Fy2為負，1，2為正。故故>0時，K>0不足轉向<0時，K<0過多轉向=0時，K=0中性轉向當側向加速度大于0.3-0.4g后，前后側偏角之差和側向加速度一般進入非線性區域。在大側向加速度下，許多汽車穩態特性發生顯著變化。前后側偏角之差與轉向半徑的關系注意到有代入，有得到前后側偏角絕對值之差與轉向半徑的關系2、轉向半徑比此即車速為u時的轉向半徑R與初始半徑（車速極低時的轉向半徑）R0之比。根據前式有顯然有：若R>R0

時，K>0不足轉向若R=R0

時，K=0中性轉向若R<R0

時，K<0過多轉向3、靜態儲備系數

1）中性轉向點及其位置的確定

從前式可知，如前后輪側偏角相等，則K=0。

設想汽車質心逐漸移動，轉向時前后輪產生的側向力分配將逐漸變化，側偏角也相應變化。如果前后輪產生同一側偏角，則其對應側向力的合力作用點稱為中性轉向點。圖中c點是質心位置，cn是中性轉向點。汽車向右轉向。

中性轉向點到前輪中心的距離為：當輪胎和軸距一定時，中性轉向點到前輪中心的距離便確定。注意到汽車作穩態圓周運動時，橫擺角加速度為0，前后輪實際側偏力合力作用點即在質心位置。如質心在Cn前，前輪側偏力增大，側偏角增大；后輪側偏力減少，側偏角減少，即。如質心在Cn后，。定義靜態貯備系數SM為：當a’=a時，汽車質心和cn重合，SM=0,,K=0當a’>a時，汽車質心在cn前，SM>0,,K>0當a<a’時，汽車質心在cn后，SM<0,,K<0第四節汽車行駛時的側翻和側滑汽車側翻汽車側滑提高汽車操作穩定性的控制系統動態穩定控制系統（DSC）電子穩定程序控制系統（ESP）一、汽車側翻汽車側翻是指汽車在行駛過程中繞其縱軸線轉動90°或更大的角度，以至車身與地面相接觸的一種危險的側向運動。汽車側翻大體上可分為兩類，一類是曲線運動引起的側翻(ManeuverInducedRollover)，汽車在道路(包括側向坡道)上行駛時，由于汽車的側向加速度超過一定限值，使得汽車內側車輪的垂直反力為零而引起的側翻；另一類是絆倒側翻(TripedRollover)汽車行駛時產生側向滑移，與路面上的障礙物側向撞擊而將其“絆倒”。1.剛性汽車的準靜態側翻

剛性汽車指忽略汽車懸架以及輪胎的彈性變形而將汽車簡化為一個剛體。準靜態指汽車作穩態的轉向運動。汽車的質量汽車作穩態轉向運動時的側向加速度道路的側向坡道角作用在汽車內外側車輪上的法向反作用力作用在汽車內外側車輪上的側向力輪距如汽車在水平路面上直線行駛時，則。內、外側車輪上的垂直反力為。當汽車作曲線行駛時，。若仍要保持汽車內外側車輪上的垂直反力不變，則根據上式，道路的側向坡道角應滿足

。一般高速公路在拐彎處的坡道角就是根據此原理設計的，內側低，外側高，從而提高汽車的穩定性和行駛速度。隨著側向加速度的增大，內側車輪的垂直反力減小，發生內、外側車輪上的轉移現象。但內側車輪的垂直反力減小到0時，即在作曲線行駛時，汽車的內外側車輪上的載荷轉移達到了100%。汽車在側傾平面內不再能保持平衡，開始側翻。汽車開始側翻時所受到的側向加速度成為側向閾值。可由下式給出（考慮）道路的坡道角很小當汽車在水平路面上作穩態圓周運動時，則不發生側翻的條件可寫為2、帶懸架汽車的準靜態側翻與剛性汽車的側翻模型不同，帶懸架汽車的模型將汽車的質量分解為懸掛質量和非懸掛質量兩部分。車廂用懸掛質量表示。在曲線行駛時，車廂的側傾引起汽車質心位置的偏移，從而改變了汽車自重的抗側翻能力，使得側翻閾值減小。帶懸架汽車的準靜態側翻的側翻閾值可表示為3.汽車的瞬態側翻準靜態汽車的側翻只是實際汽車作曲線運動的簡化，即假設了汽車的側向加速度的變化較慢。汽車瞬態側翻閾值比準靜態小。一般在階躍輸入時，汽車的瞬態側翻閾值比準靜態時低30-50%。4.汽車防側翻的控制利用汽車內外側車輪上的載荷轉移系數作為控制的門檻值。一般情況下LTR的極限值取0.9.二、汽車的側滑汽車的側滑是指汽車在作高速曲線運動或制動過程中，由于側向附著力達到了附著極限狀態，引起的汽車劇烈的回轉運動。側滑是汽車交通事故最常見的原因之一。汽車作圓周運動時，不發生側滑的條件可寫為三、提高汽車操作穩定性的控制系統汽車加速、制動或轉向時，如果駕駛員對路面情況改變的反應和操作不及時或不準確（駕駛員一般只能在汽車側偏角2～4°內對汽車側滑進行有效糾正）而側滑，將造成汽車失控導致交通事故。美國一項統計顯示，車速在80～100km/h時，40%的車禍與汽車側滑失控有關；車速超過160km/h時，幾乎100%的車禍與側滑失控有關。隨著高速公路的發展，車速的提高，汽車側滑造成事故的可能性也不斷提高。為了確保車輛高速行駛的安全性，在車上裝置汽車穩定性控制系統十分必要，而現代電子技術的發展也為其研制成功奠定了基礎。三、提高汽車操作穩定性的控制系統汽車穩定性控制系統的功能是控制車輛的橫擺力矩，把車輪側偏角限制在一定范圍內，其目的包括：保證汽車在制動和加速時的方向穩定性和可控性；保證轉向時不出現過量的不足轉向（Understeer）和過度轉向（Oversteer）；增強汽車的轉向反應和軌跡跟蹤性能；縮短制動距離，改善牽引性能。汽車動力學穩定性控制系統（DSC）是汽車主動安全電控系統的重要研究前沿，是繼ABS之后需要進行重點突破的汽車主動安全控制系統。動態穩定控制系統（DSC）電子穩定程序控制系統（ESP）DSC動態穩定控制系統-簡介

DSC：Dynamicstabilitycontrol動態穩定控制系統它對車身姿態的修正方式：當車輛在高速入彎瞬間，在特定的條件下，有可能發生轉向不足的情況。DSC系統會根據當時的車速，側向加速度，車身的轉角速率及方向盤轉向角度等信息。針對轉向內側的后輪單獨實施制動，并調整發動機的扭矩輸出，讓車身姿態維持在理想的過轉彎軌跡上，將轉向不足情況修正到最低。DSC動態穩定控制系統-簡介

一汽馬自達6轎車在國內中高檔轎車中以配備技術水平較高見長。排量2.3L的馬自達6轎車配備了動態穩定控制系統（DSC），使得馬自達6轎車在車輛的通過平順性和操控的準確和穩定性方面達到了較高的水平。尤其是在連續轉彎的道路上行駛時對車輛實施的精確控制方面，提高了車輛的主動安全性能。

DSC動態穩定控制系統動態穩定控制系統（DSC）是一種新型主動安全系統，它整合了較多的控制系統，包括防抱制動系統（ABS）、電子制動力分配系統（EBD）、電控輔助制動系統（EBA）、牽引力控制系統（TCS）。DSC系統是在包含以上系統基礎上，增加了車輛轉向行駛時橫擺率傳感器，側加速傳感器和轉向盤轉角傳感器，通過這些傳感器發出的信號監測車輛的狀態和駕駛員的需求。當路面狀況改變使車輛行駛偏離駕駛員的預定方向或制動車輪打滑時，電控單元（ECU）發出控制前后、左右車輪驅動力和制動力的指令，以實時修正過度轉向、不足轉向或車輪打滑等不利于安全的傾向。

DSC動態穩定控制系統DSC系統具有如下優點：控制所有關鍵的側向動力學運動狀態獲得最大安全性能；在駕駛員因為驚恐造成急轉時，主動控制轉向程度提高汽車的穩定性；提高汽車在各種工況下的穩定性和驅動性能；通過在物理參數限制范圍之內提高操縱穩定性使得駕駛員能集中精力于交通狀況：同ABS、EBD、EBA和TCS相比提高了轉向能力和穩定性。DSC動態穩定控制系統DSC技術主要由馬自達公司和寶馬公司采用相類似的技術有保時捷公司的保時捷穩定管理系統PSM（PorscheStabilityManagement）、奔馳公司和奧迪公司的電子穩定程序系統ESP（ElectronicStabilizationProgram）和沃爾沃公司的動態穩定牽引控制系統DSTC（DynamicStabilityTractionControl）等。名稱雖不相同，但在設計目標、控制策略、追求的性能上大體是相同的。電子穩定程序系統(ElectricStabilityProgram)簡稱ESP。沃爾沃稱其為DSTC，寶馬稱其為DSC，凌志稱其為VSC。汽車緊急避障或轉彎制動時，該系統通過改變車輪切向力，使車輛克服偏離正常路徑的傾向。

1、四通道系統，自動向4個車輪獨立施加制動力。

2、二通道系統，自動向2個前輪施加制動力。

3、三通道系統，向2個前輪施加獨立制動力，向2后輪施加非獨立制動力。ESP系統

ESP的傳感器轉向傳感器輪速傳感器偏轉率傳感器側向加速度傳感器

工作原理根據各傳感器信號，發現汽車出現甩尾或前輪失去轉向能力時，當汽車處于驅動方式時，程序控制ASR（驅動防滑系統，又稱牽引力控制系統）改變在各輪上的驅動力；當汽車處于制動方式時，控制ABS（防抱死系統）改變在各輪上的制動力，使汽車產生額外的力矩，迫使汽車回到正確的路線上來。ESP系統工作原理ESP的三大特點

1.實時監控：ESP能夠實時監控駕駛者的操控動作、路面反應、汽車運動狀態，并不斷向發動機和制動系統發出指令。

2.主動干預：ABS等安全技術主要是對駕駛者的動作起干預作用，但不能調控發動機。ESP則可以通過主動調控發動機的轉速，并調整每個輪子的驅動力和制動力，來修正汽車的過度轉向和轉向不足。

3.事先提醒：當駕駛者操作不當或路面異常時，ESP會用警告燈警示駕駛者。

ESP是如何工作的?

ABS/TCS系統就是要防止在車輛加速或制動時出現我們所不期望的縱向滑移。而ElectronicDynamicControl/ESP就是要控制橫向滑移。他是各種工況下的一個主動安全系統，處理各種異常情況，減輕駕駛員的精神緊張及身體疲勞。

只要ESP識別出駕駛員的輸入與車輛的實際運動不一致，它就馬上通過有選擇的制動/發動機干預來穩定車輛。

如果單獨制動某個車輪不足以穩定車輛，ESP將通過降低發動機扭矩輸出的方式或制動其它車輪來滿足需求。

DSTCDSTCDynamicStabilityTracingControl(動態穩定牽引控制)為了使行駛更加穩定，全新XC60上的DSTC（動態穩定與牽引力控制）系統實現了進一步的完善。DSTC可以計算司機預計的行駛方向與汽車實際行駛方向之間的偏差。同時，進一步完善的DSTC還能夠計算車輛的側傾率，監測逐漸累積的打滑情況。如果司機在轉向時突然松開加速踏板，比如在駛離公路稍稍有些過晚時，就可能發生這種情況。通過測量側傾率，DSTC能夠提前以更高的