行駛穩定性

第5章汽車的操縱穩定性

學習目標

通過本章的學習，應掌握汽車行駛的縱向和橫向穩定性條件；掌握車輛坐標系的有關術語，

了解影響側偏特性的因素，掌握輪胎回正力矩與側偏特性的關系；熟練掌握汽車的穩態轉向

特性及其影響因素；了解汽車轉向輪的振動和操縱穩定性的道路試驗內容。

汽車在其行駛過程中，會碰到各種復雜的情況，有時沿直線行駛，有時沿曲線行駛。在出現

意外情況時，駕駛員還要作出緊急的轉向操作，以求避免事故。此外，汽車還要經受來自地

面不平、坡道、大風等各種外部因素的干擾。一輛操縱性能良好的汽車必須具備以下的能力：

（1）根據道路、地形和交通情況的限制，汽車能夠正確地遵循駕駛員通過操縱機構所給

定的方向行駛的能力——汽車的操縱性。

（2）汽車在行駛過程中具有抵抗力圖改變其行駛方向的各種干擾，并保持穩定行駛的能

力——汽車的穩定性。

操縱性和穩定性有緊密的關系：操縱性差，導致汽車側滑、傾覆，汽車的穩定性就破壞

了。如穩定性差，則會失去操縱性，因此，通常將兩者統稱為汽車的操縱穩定性。

汽車的操縱穩定性，是汽車的主要使用性能之一，隨著汽車平均速度的提高，操縱穩定性顯

得越來越重要。它不僅影響著汽車的行駛安全，而且與運輸生產率與駕駛員的疲勞強度有關。

5.1節汽車行駛的縱向和橫向穩定性

5.1.1汽車行駛的縱向穩定性

汽車在縱向坡道上行駛，例如等速上坡，隨著道路坡度增大，前輪的地面法向反作用力不斷

減小。當道路坡度大到一定程度時，前輪的地面法向反作用力為零。在這樣的坡度下，汽車

將失去操縱性，并可能產生縱向翻倒。汽車上坡時，坡度阻力隨坡度的增大而增加，在坡度

大到一定程度時，為克服坡度阻力所需的驅動力超過附著力時，驅動輪將滑轉。這兩種情況

均使汽車的行駛穩定性遭到破壞。

圖5.1汽車上坡時的受力圖

圖5.1為汽車上坡時的受力圖，如汽車在硬路面上以較低的速度上坡，空氣阻力可以忽

略不計，由于剩余驅動力用于等速爬坡，即汽車的加速阻力，加速阻力矩，而車輪的滾動

阻力矩的數值相對來說比較小，可不計入。

分別對前輪著地點及后輪著地點取力矩，經整理后可得

（5.1）

當前輪的徑向反作用力時，即汽車上陡坡時發生繞后軸翻車的情況，由式(5.1)可得

將上式整理，可得不發生翻車的最大坡度角由下式確定：

（5.2）

當道路的坡度角時，汽車即失去操縱并可能后軸翻倒。汽車重心至后軸的距離越大，重心

高度越小，則汽車越不容易發生繞后軸翻倒，汽車的縱向穩定性越好。在正常裝載情況下，

式（5.2）是能夠滿足的。

在上述穩定分析中，尚未考慮驅動輪滑轉的可能性。后輪驅動的汽車，以較低速度等速上坡

時，驅動輪不發生滑轉的臨界狀態為

（5.3）

式中：——汽車后輪不發生滑轉所能克服的最大道路坡度角。

驅動輪滑轉與附著系數，汽車重心的位置及汽車的驅動型式有關。

將式(5.2)代入式(5.3)中，整理得

（5.4）

顯然，如果＜

即＜

則當汽車遇有坡度角為的坡道時，驅動輪因受附著條件的限制而滑轉，地面不能提供足夠的

驅動力以克服坡度阻力，因而無法上坡，也就避免了汽車的縱向翻倒。所以，汽車滑轉先于

翻倒的條件是

＜

將上式整理得＞（5.5）

上式即為后輪驅動型汽車的縱向穩定性條件。

對于前輪驅動型汽車，其縱向穩定性條件為

＞

對于全輪驅動型汽車，其縱向穩定性條件為

＞

由于現代汽車的重心位置較低，因此上述條件均能滿足而有余。但是對于越野汽車，其軸距較

小，重心較高(較大)，輪胎又具有縱向防滑花紋因而附著系數較大，故其喪失縱向穩定性的

危險增加。因此，對于經常行駛于坎坷不平路面的越野汽車，應盡可能降低其重心位置，而

前輪驅動型汽車的縱向穩定性最好。

5.1.2汽車橫向穩定性

汽車橫向穩定性的喪失，表現為汽車的側翻或橫向滑移。由于側向力作用而發生的橫向穩定

性破壞的可能性較多，也較危險。

圖5.2汽車在橫向坡道上轉向時的受力圖

圖5.2所示汽車在橫向坡路上作等速彎道行駛時的受力圖。隨著行駛車速的提高，在離

心力作用下，汽車可能以左側車輪為支點向外側翻。當右側車輪法向反力時，開始側翻。

因此，汽車繞左側車輪側翻的條件為

（5.6）

如汽車轉彎半徑為R，行駛速度為u，則

將代入式（5.6），可求出在橫向坡道上不發生向外側翻的極限車速為

（5.7）

由式（5.7）可見，當橫向坡度值時，式中分母為零，，說明汽車在此坡度彎道行駛時，

任意速度也不會使汽車繞外側車輪側翻。因此在公路建設上常將彎道外筑有一定的坡度，以

提高汽車的橫向穩定性。

若在水平路面上（），汽車轉彎行駛不發生側翻的極限車速為

（5.8）

比較式（5.7）和式（5.8），式（5.7）的顯然比式（5.8）大。

汽車在橫向坡道上行駛發生側滑的臨界條件為

式中——附著系數。

整理后，得汽車在側滑前允許的最大速度為

當時，，則以任何車速行駛也不發生側滑。在的水平道路上，汽車側滑前所允許最大

速度為

（5.9）

為了行駛安全，應使側滑發生在側翻之前，即

整理后得（5.10）

比值稱為側向穩定性系數，側翻只能在附著系數大于側向穩定性系數的道路上才能發

生。在干燥瀝青路面上，=0.7～0.8，一般滿足式（5.10）的條件。只有當汽車重心提高后，

減小了橫向穩定性系數，才增加了翻車的危險。

5.2節輪胎的側偏特性

輪胎的側偏特性是研究汽車操縱穩定性理論的出發點。

5.2.1輪胎的坐標系與術語

圖5.3車輪坐標系

圖5.3示出車輪的坐標系，其中車輪前進方向為軸的正方向，向下為軸的正方向，在軸

的正方向的右側為軸的正方向。

（1）車輪平面垂直于車輪旋轉軸線的輪胎中分平面。

（2）車輪中心車輪旋轉軸線與車輪平面的交點。

（3）輪胎接地中心車輪旋轉軸線在地平面（平面）上的投影（軸），與車輪平面的

交點，也就是坐標原點。

（4）翻轉力矩地面作用于輪胎上的力，繞軸的力矩。圖示方向為正。

（5）滾動阻力矩地面作用于輪胎上的力，繞軸的力矩。圖示方向為正。

（6）回正力矩地面作用于輪胎上的力，繞軸的力矩。圖示方向為正。

（7）側偏角輪胎接地中心位移方向（車輪行駛方向）與軸的夾角。圖示方向為正。

（8）外傾角平面與車輪平面的夾角。圖示方向為正。

5.2.2輪胎的側偏現象

如果車輪是剛性的，在車輪中心垂直于車輪平面的方向上作用有側向力。當側向力不超過

車輪與地面的附著極限時，車輪與地面沒有滑動，車輪仍沿著其本身行駛的方向行駛；當側

向力達到車輪與地面間附著極限時，車輪與地面產生橫向滑動，若滑動速度為Δu，車輪便

沿某一合成速度u′方向行駛，偏離了原行駛方向，如圖5.4所示。

圖5.4有側向力作用時剛性車輪的滾動

當車輪有側向彈性時，即使沒有達到附著極限，車輪行駛方向也將偏離車輪平面的方向，

這就是輪胎的側偏現象。下面討論具有側向彈性車輪，在垂直載荷為的條件下，受到側向力

作用后的兩種情況：

（1）車輪靜止不動時由于車輪有側向彈性，輪胎發生側向變形，輪胎與地面接觸印跡

長軸線與車輪平面不重合，錯開Δh，但仍平行于，如圖5.5a所示。

（2）車輪滾動時接觸印跡的長軸線，不只是和車輪平面錯開一定距離，而且不再與車輪

平面平行。圖5.5b示出車輪的滾動過程中，車輪平面上點Al、A2、A3、?依次落在地面上，

形成點、、?，點、、的連線與的夾角，即為側偏角。車輪就是沿著方向滾動的。

顯然，側偏角的數值是與側向力有關的。

圖5.5輪胎的側偏現象

a)靜止b)滾動

5.2.3輪胎的側偏特性

圖5.6輪胎的側偏特性

圖5.6所示為一輪胎的側偏力～側偏角關系曲線。曲線表明，側偏角不超過3°～4°時，

可認為與成線性關系。隨著的增大，增大較快，輪胎產生滑移。汽車正常行駛時，側向

加速度一般不超過（0.3～0.4）g，側偏角不超過4°～5°，故可認為側偏力與側偏角成線

性關系，可用下式表示：

（5.11）

式中k——側偏剛度[N/（°）]，其值應為負值，汽車用低壓輪胎k值在300～1000N/(°）。

試驗表明，潮濕地面上最大側偏力減小，但直線段的側偏剛度無多大變化。

垂直載荷對側偏特性有很大影響。圖5.7表明，垂直載荷增大后，最大側偏力增加。側偏剛

度隨垂直載荷的增加而加大。這是因為，輪胎的垂直載荷越大，附著力就越大，輪胎側滑的

傾向就越小，最大側偏力增大。但垂直載荷過大時，輪胎產生劇烈的徑向變形，側偏剛度反

而有所下降。

圖5.7垂直載荷對側偏特性的影響

a)圖b)圖

輪胎的型式和結構參數對輪胎側偏特性有顯著影響。尺寸較大的輪胎，側偏剛度一般較

大。尺寸相同的子午線輪胎和斜交輪胎相比，子午線輪胎具有較大的側偏剛度。同一型號、

同一尺寸的輪胎，簾布層越多、簾線與車輪平面的夾角越小、氣壓越高、側偏剛度越大。另

外，輪輞的型式對側偏剛度亦有影響。裝有寬輪輞的輪胎，側偏剛度較大。

5.2.4回正力矩（繞軸的力矩）

圖5.8回正力矩的產生

在輪胎發生側偏時，還會產生圖5.3所示作用于輪胎繞軸的力矩。圓周行駛時，是使

轉向車輪恢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。由圖5.5可知，車輪在靜止時受到

側向力后，印跡長軸線與車輪平面平行，錯開Δh，即印跡長軸線上各點的橫向變形（相

對于平面）均為Δh，故可以認為地面側向反作用力沿線是均勻分布的（圖5.8a）。車輪滾

動時，印跡長軸線不僅與車輪平面錯開一定距離，而且轉動了角，因而印跡前端離車輪平

面近，側向變形小；印跡后端離車輪平面遠，側向變形大。可以認為，地面微元側向反作用

力的分布與變形成正比，故地面微元側向反作用力的分布情況如圖5.8b所示，其合力的大

小與側向力相等，但其作用點必然在接地印跡幾何中心的后方，偏移某一距離e，e稱為輪

胎拖距，就是回正力矩。

在增加時，接地印跡內地面微元側向反作用力的分布情況如圖5.8c所示。增大至一定

程度時，接地印跡后部的某些部分便達到附著極限，反作用力將沿345線分布（圖5.8d）。

隨著的進一步加大，將有更多部分達到附著極限，直到整個接地印跡發生側滑，因而輪胎拖

距會隨著側向力的增加而逐漸變小。

5.3節汽車的轉向特性

駕駛員操縱轉向盤使汽車轉向時，要通過眼睛、手和身體等感知汽車的轉向效果，并經

過頭腦比較和判斷，修正轉向盤的操縱，這是通過駕駛員把系統的輸出，反饋到輸入而構成

一個人工閉路系統。如不計入駕駛員的反饋作用，便稱為開路系統，它的特點是系統的輸出

參數對輸入控制沒有影響。由于駕駛員的反饋作用十分復雜，作為閉路系統研究仍很不成熟，

這里只把汽車作為一個開路系統，研究轉向盤輸入時汽車的運動

把汽車作為開路系統進行分析時見圖5.9改變汽車運動狀態的輸入量（或稱“干擾”），主要

來自三個方面：

圖5.9作為開路系統的汽車簡圖

（1）駕駛員通過力（力矩）操縱或位置（轉角）操縱轉向盤，使前輪轉向；

（2）空氣動力作用（如橫向風）；

（3）路面不平等對汽車的作用。

汽車大多數行駛狀況下，其側向加速度不超過0.3～0.4g，可以把它看作一個線性動力

學系統來分析。線性系統一個重要標志是可以運用疊加原理，可以把一個復雜的輸出量，分

解為簡單的輸入量，或者有多個輸入量時，可按單個輸入量求解，然后加以疊加。

由輸入引起的汽車運動狀況，可分為不隨時間而變化的穩態與隨時間變化的瞬態兩種。

相應的車輛響應稱為穩態響應與瞬態響應。例如給等速直線行駛的汽車以前輪角階躍輸入，

即急速轉動前輪，然后維持前輪轉角不變，一般汽車經過短暫時間后，將進入等速圓周行駛。

一定車輪轉角下的等速圓周行駛狀態便是一種穩態。而等速直線行駛與等速圓周行駛間的過

渡過程便是瞬態。

汽車的“等速圓周行駛”穩態響應，是評價汽車操縱穩定性的重要特性之一，稱為汽車

的“穩態轉向特性”。汽車的穩態轉向特性分成三種類型：不足轉向、中性轉向和過多轉向。

在圓周行駛時，駕駛員使轉向盤保持一個固定的轉角，令汽車以不同固定車速行駛，若行駛

車速高時，汽車的轉向半徑R增大，這種汽車具有不足轉向的特性。若汽車的轉向半徑R不

變，這種汽車具有中性轉向的特性。若轉向半徑愈來愈小，則具有過多轉向的特性。只有具

有適度不足轉向的汽車，才有良好的操縱穩定性。汽車不能具有過多轉向特性。具有中性轉

向特性的汽車也不好，因為汽車本身或外界使用條件的某些變化，中性轉向特性的汽車通常

會轉變為過多轉向特性而失去穩定。人們已經習慣于駕駛具有不足轉向特性的汽車，知道如

何通過轉向機構使汽車遵循期望的路徑行駛。

5.3.1汽車的穩態轉向特性

對汽車曲線運動進行初步分析時，把汽車看作平行于路面的平面運動。即汽車沒有垂直運動，

沿z軸的位移為零，繞y軸的俯仰角、繞x軸的側傾角均為零。另外假設汽車前進速度不變，

即沿x軸的汽車（絕對）速度u不變。因此汽車只有沿y軸的側向運動與繞z軸的橫擺運動

這樣兩個自由度。

圖5.10二自由度汽車模型

圖5.10是一個由前后兩個具有側向彈性的彈簧（輪胎）支承于地面、具有側向及橫擺的

二自由度汽車模型。下面分析中令固結于汽車上的動坐標系原點與汽車重心重合。

從運動關系可以求得：

則（5.12）

汽車高速行駛時，轉向角δ一般不大，側偏角一般不超過6°～8°，故可以認為

或

令穩態時單位前輪轉角所引起的橫擺角速度為“穩態橫擺角速度增益”，用表示。

則

（5.13）

假定汽車在水平道路上作等速圓周運動，則作用在汽車上的側向力，僅為離心力之側向

分力，其值為

當轉角不大時，前輪側偏力Fy1沿y軸的分力，故前后輪的側偏力Fy1、Fy2可用下式

計算：

（5.14）

由側偏特性=ka知，，，連同式（5.14）代入式（5.13），得

（5.15）

（5.16）

式中G1，G2——前后軸的垂直載荷；

K——穩定性因數。

從式（5.16）看出，不同的汽車重心位置和不同前后輪側偏剛度匹配時，穩定性因數可以等

于零、大于零或小于零。

圖5.11汽車的穩態橫擺增益曲線

當K=0時，。即穩態橫擺角速度增益與車速u成線性關系如圖5.11所示。具有這種特

性的汽車，稱為中性轉向汽車。這個關系就是汽車輪胎無側偏角時的轉向關系。

當K＞0時，式（5.15）中分母大于1，橫擺角速度增益比中性轉向時小，即前輪轉過相

同的角度，汽車橫擺角速度ω要小些，是一條低于中性轉向汽車穩態響應線，后來又向下彎

曲的曲線。具有這樣特性的汽車，稱為不足轉向汽車。K值越大，不足轉向量越大。

當K＜0時，式（5.15）分母小于1，橫擺角速度增益比中性轉向時大，即前輪轉過相同

的角度，汽車橫擺角速度要大。具有這樣特性的汽車，稱為過多轉向汽車。隨車速增加，曲

線向上彎曲。K值越小，過多轉向量越大。

除了穩定性因數K外，為了試驗分析計算的方便，常引用別的參數來表征汽車的穩態轉向特

性。

（1）用前后軸側偏角差來表征汽車穩態轉向特性

令為側向加速度系數，表征側向加速度有零點幾個g。則

所以

即當K=0時，汽車為中性轉向，

K＞0時，汽車為不足轉向，＞0

K＜0時，汽車為過多轉向，＜0

（2）用轉向半徑比值表征汽車穩態轉向特性

當前輪轉角一定的條件下，側向加速度為零時，車輪無側偏角，汽車轉向半徑假定為，有

一定側向加速度時的轉向半徑為，則可用來表征汽車的穩態轉向特性。

如圖5.10所示，當和都為零時，所得汽車轉向半徑為

由式（5.15）可得

（5.17）

當K=0時，=1，汽車為中性轉向。轉向半徑不隨車速變化，始終等于。

K＞0時，＞1，汽車為不足轉向。轉向半徑總大于，且隨車速的增加而加大。

K＜0時，＜1，汽車為過多轉向。轉向半徑總小于，且隨車速的增加而減小。

總之，汽車穩態轉向特性，取決于穩定性系數K的數值。把汽車簡化為二個自由度模

型進行分析時，K值取決于重心位置、軸距及前后輪側偏剛度的匹配。當重心向前移動或

減小前后軸輪胎側偏剛度比時，會增加汽車的不足轉向量。

5.3.2汽車的瞬態響應

給等速直線行駛的汽車以前輪角階躍輸入，經過短暫時間后，將進入等速圓周行駛。等速直

線行駛與等速圓周行駛的過渡過程便是瞬態，相應的響應稱為前輪角階躍輸入引起的汽車瞬

態響應。在一般汽車行駛時，實際上駕駛員不斷接觸到的是汽車的瞬態響應。

圖5.12轉向盤階躍輸入時的汽車瞬態響應

圖5.12所示為一輛直線行駛汽車，駕駛員在處突然猛打轉向盤，轉過某一角度后，

保持轉向盤不動，即給汽車一個轉向盤角階躍輸入后的瞬態響應曲線。當車速不變時，汽車

橫擺角速度本應立即達到相應的，但實際上汽車橫擺角速度的變化為。作為這一過程的評

價指標如下：

（1）響應時間以轉向盤轉角達到終值的50%的時刻，作為時間坐標原點，到所測橫擺

角速度第一次過渡到新穩態值的50%所用的時間，稱為響應時間。這段時間應盡量短些，響

應時間太長，駕駛員將感到汽車轉向反應遲鈍。

（2）峰值響應時間從時間坐標原點開始，到所測橫擺角速度響應達到第一個峰值止，這

段時間稱為峰值響應時間。由于打轉向盤的起始時間難以準確確定，而且開始轉動及停止轉

動轉向盤前，轉向盤轉角變化速率較大，所以響應時間與峰值響應時間只是一個相互比較的

參考性數據。

（3）橫擺角速度超調量在時，橫擺角速度達到最大值，往往大于，的百分數稱為

超調量。超調量表明瞬態響應中執行指令誤差的大小。超凋量越小越好。減小超調量可使橫

擺角速度波動較快衰減。

（4）橫擺角速度的波動量在瞬態響應中，橫擺角速度值在值上、下波動。車速一定

時，值的波動表現在轉向半徑R的時大時小，這就增加了駕駛的困難。汽車橫擺角速度的波

動周期T或頻率，也是評價瞬態響應的重要參數。

（5）穩定時間橫擺角速度達到穩定值的95%～105%之間的時間，稱為穩定時間。這

段時間應盡量短些，凡是能使橫擺角速度加快衰減的因素，也是使穩定時間縮短的因素。

少數汽車可能出現橫擺角速度不收斂情況，即越來越大，若車速不變即轉向半徑R越來越小，

就會急劇增加離心力，汽車將發生側滑或側翻等危險情況。

5.4節汽車轉向輪的振動

汽車在行駛過程中，有時出現轉向輪的左右擺動和上下跳動。轉向輪的振動使輪胎磨損

急劇增加，并增加了轉向機構的動載荷，降低零件使用壽命，同時也嚴重影響行駛安全。

汽車的轉向輪通過懸架及轉向機構與車架相連，這些互相聯系的機件，組成了彈性振動系統。

一是前軸繞縱軸的角振動，另一是前輪繞主銷的角振動。直線行駛的汽車，當車輪越過單個

凸起或凹坑時，前輪產生繞汽車縱軸的角振動。前輪將繞主銷偏轉，如果左輪升高，車輪將

向右偏轉；如果左輪下降，車輪將向左偏轉，即激發了前輪繞主銷的角振動，同時，由于陀

螺效應，車輪繞主銷的角振動，會反過來加劇前軸繞汽車縱軸的角振動。嚴重地破壞了汽車

直線行駛的穩定性。為了避免這種現象，要求減小懸架下前軸系統的轉動慣量，提高角振動

的固有頻率；改善公路狀況，提高路面平整度；適當降低輪胎氣壓，增加輪胎吸振能力。

圖5.13車輪不平衡對轉向輪振動的影響

車輪的不平衡可以引起周期性的激勵，造成轉向輪的振動。如圖5.13所示。車輪轉動時，

其不平衡質量所引起的離心力的水平分力，與力臂形成力矩。此力矩直接使車輪偏轉，其

數值按正弦關系作周期性變化，變化的頻率決定于汽車的行駛速度。此外，離心力的垂直分

力，則引起車輪的上下跳動，其特性與上述相同。

當左右車輪都不平衡，且不平衡質量處于對稱位置時，則振動更為嚴重。為了避免因車

輪不平衡引起的振動，要求無論是新輪胎或經翻修過的輪胎，在裝用之前，都要進行動平衡

試驗，并消除不平衡因素。對于高速行駛的車，對車輪的不平衡度要求也高。

5.5節汽車操縱穩定性的道路試驗

5.5.1試驗條件

5.5.1.1試驗應在平坦、干燥、清潔的水泥或瀝青路面的場地上進行，場地在任意方向的坡

度不大于0.1%。

5.5.1.2試驗風速不大于5m/s，大氣溫度一般在5～32℃之間。

5.5.1.3所有對試驗結果有影響的零部件均應經過檢查、緊固和調整，特別是轉向系和懸架

機構的各零部件。

5.5.1.4所有輪胎和輪輞型式及大小必須滿足有關要求。使用新輪胎需有200km的正常行駛

磨合；若使用舊輪胎，則在試驗終了，從花紋溝底測量殘留花紋的高度不小于0.15cm。輪胎

氣壓按有關規定，氣壓小于250kPa時，允許的偏差為±5kPa，若氣壓大于250kPa，則允許

的偏差為±2kPa。

5.5.1.5試驗應在汽車輕載及額定滿載兩種狀態下進行。

5.5.2試驗項目和試驗方法

5.5.2.1低速行駛轉向輕便性試驗

該試驗用于測定汽車在低速大轉彎時的轉向輕便性。

圖5.14測定轉向輕便性的雙紐線

試驗時汽車按照畫在場地上的雙紐線（圖5.14），以10km/h的車速行駛。雙紐線軌跡的極坐

標方程為

在=0時，雙紐線頂點處的曲率半徑最小，其數值為。雙紐線的最小曲率半徑應按試驗汽車

的最小轉彎半徑乘以1.05倍，并圓整到比此乘積大的一個整數來確定。

圖5.15方向盤轉矩——方向盤轉角曲線

試驗中記錄方向盤轉角及方向盤轉矩，并按雙紐線路徑每一周整理出如圖5.15所示的方向盤

最大轉矩、方向盤最大作用力及方向盤作用功來評價轉向輕便性。

5.5.2.2汽車穩態回轉試驗——定方向盤轉角、連續加速法

試驗中，將方向盤轉過某一角度后，固定不變，汽車連續加速至達到所需的側向加速度，用

于測定汽車車速及橫擺角速度等參量，求出轉彎半徑隨側向加速度變化的特性。

試驗前，在試驗場地上畫出半徑為15m的圓周作為試驗起始圓周（起始轉向半徑=15m）。

該試驗的試驗方法是先使輪胎升溫，而后汽車以最低穩定速度沿所畫圓周行駛，待拖掛于汽

車后部中點的第五車輪在半圈內都能對準地面上所畫的圓周時，固定方向盤不動，汽車停車，

啟動記錄儀器，記錄下各變量的零線。汽車起步，緩慢連續加速，但縱向加速度不能超過

0.25m/s2，直至汽車重心的側向加速度達到6.5m/s2，或受到發動機功率限制而達到的最高

車速，或汽車出現不穩定狀態為止。

汽車先向左轉，后向右轉，每個方向重復試驗三次。

根據試驗記錄，作出汽車轉彎半徑（為轉彎半徑）與側向加速度的關系曲線、汽車前、后

輪側偏角差值與側向加速度的關系曲線以及方向盤力矩與側向加速度的關系曲線等。

5.5.2.3汽車穩態回轉試驗——定轉彎半徑法

試驗中，以若干個固定車速，通過某一確定半徑的圓弧，測量在不同測向加速度下方向盤轉

角的大小。

試驗前，在試驗場地上用明顯顏色畫出中心線為30m的圓弧形試驗路徑，如圖5.16所示。

圖5.16圓弧形試驗路徑

試驗方法是按汽車處于輕載及額定滿載兩種狀態下進行，且輪胎應有一定的溫升。汽車以最

低穩定車速行駛，適當調整方向盤轉角，以使汽車能按圓弧軌跡行駛。進入彎道后，保持節

氣門和方向盤位置在3s內不變，記錄各變量。增加車速，但速度增加量每次不得大于0.5m/s，

重復上述試驗，直至側向加速度達到6.5m/s2為止。

試驗應按向左轉及向右轉兩個方向進行。可以先進行向左轉或向右轉的試驗，從低速直至高

速，然后反向試驗；也可以在某一車速下向左、右兩個方向進行后再增加車速。

根據記錄的方向盤轉角，前進車速及橫擺角速度，求出側向加速度，然后作出曲線。并

根據記錄的方向盤力矩，作出曲線。

5.5.2.4汽車回正能力試驗

回正試驗是表征和測定汽車從曲線行駛自行回復到直線行駛的過渡過程，是測定自由操縱力

輸入的基本性能試驗。

汽車回正能力試驗在平坦場地上進行，汽車以某一車速（一般車輛僅做中速回正試驗；最高

車速超過100km/h的車輛加做80km/h的高速回正試驗）等速圓周（中速回正試驗，圓周半徑

為15±1m）行駛，當側向加速度達到（4±0.2）m/s2時，穩定3s，然后突然松開方向盤，

在回正力矩作用下，前輪將要回復到直線行駛，記錄這個過程的時間、車速、方向盤轉角和

橫擺角速度、整理出曲線。

5.5.2.5汽車蛇行試驗

在汽車以某一車速穿越若干直線布置的極樁時，測定汽車的橫擺角速度、方向盤轉角等變量。

這些變量對汽車的方向穩定性、駕駛操作方便性、乘坐舒適性均有影響，這是一個包含駕駛

員在內的閉環試驗。

試驗時，按規定的車速和路線，以不撞倒標樁為前提，由三位駕駛員每人往返穿行三次。記

錄方向盤轉角、橫擺角速度、方向盤力矩等變量及通過有效標樁區的時間，最后求出各

變量的平均值。試驗路線如圖5.17所示。標樁間距及車速見表5.1，場地長度不小于1000m，

寬度不小于5倍車寬。

圖5.17蛇行路線

表5.1標樁間距及車速

車型極樁間距離L/m規定蛇行車速/km.h-1

轎車3060

小型越野汽車和客車，輕型載貨汽車2040

中、大型載貨汽車和客車，越野汽車3040

小結

1.汽車行駛的縱向穩定性條件：

后輪驅動型汽車的縱向穩定性條件：＞

前輪驅動型汽車，其縱向穩定性條件為：＞

全輪驅動型汽車，其縱向穩定性條件為：＞

2.汽車行駛的橫向穩定性條件：

汽車在橫向坡道上不發生向外側翻的極限車速

汽車在側滑前允許的最大速度

為了行駛安全，應使側滑發生在側翻之前，即

3.車輪的坐標系：車輪前進方向為軸的正方向，向下為軸的正方向，在軸的正方向的右

側為軸的正方向。

4.輪胎的側偏特性：側偏力與側偏角成線性關系，即，其中k——側偏剛度[N/（°）]，

其值應為負值。

5.輪胎的側偏特性的影響因素：側偏剛度隨垂直載荷的增加而加大；尺寸較大的輪胎，側

偏剛度一般較大；尺寸相同的子午線輪胎和斜交輪胎相比，子午線輪胎具有較大的側偏剛度。

6.輪胎回正力矩：是使轉向車輪恢復到直線行駛位置的主要恢復力矩之一，它是由接地面

內分布的微元側向反力產生的。

7.汽車的穩態轉向特性:分成三種類型_——不足轉向、中性轉向和過多轉向。只有具有適

度不足轉向的汽車，才有良好的操縱穩定性。

8.汽車的穩態轉向特性分析：，式中G1，G2——前后軸的垂直載荷；K——穩定性因數。

當K=0時，。即穩態橫擺角速度增益與車速u成線性關系。具有這種特性的汽車，稱為

中性轉向汽車。這個關系就是汽車輪胎無側偏角時的轉向關系。

當K＞0時，橫擺角速度增益比中性轉向時小，即前輪轉過相同的角度，汽車橫擺角速度

ω要小些。具有這樣特性的汽車，稱為不足轉向汽車。K值越大，不足轉向量越大。

當K＜0時，橫擺角速度增益比中性轉向時大，即前輪轉過相同的角度，汽車橫擺角速度

要大。具有這樣特性的汽車，稱為過多轉向汽車。K值越小，過多轉向量越大。

9.用前后軸側偏角差來表征汽車穩態轉向特性：

即當K=0時，汽車為中性轉向，

K＞0時，汽車為不足轉向，＞0

K＜0時，汽車為過多轉向，＜0

10.用轉向半徑比值表征汽車穩態轉向特性：

當K=0時，=1，汽車為中性轉向。轉向半徑不隨車速變化，始終等于。

K＞0時，＞1，汽車為不足轉向。轉向半徑總大于，且隨車速的增加而加大。

K＜0時，＜1，汽車為過多轉向。轉向半徑總小于，且隨車速的增加而減小。

11.汽車瞬態響應：給等速直線行駛的汽車以前輪角階躍輸入，經過短暫時間后，將進入等

速圓周行駛。等速直線行駛與等速圓周行駛的過渡過程便是瞬態，相應的響應稱為前輪角階

躍輸入引起的汽車瞬態響應。

12.汽車瞬態響應過程的評價指標有：響應時間、峰值響應時間、橫擺角速度超調量、橫擺

角速度的波動量、穩定時間。

13.汽車轉向輪的振動：汽車在行駛過程中，有時出現轉向輪的左右擺動和上下跳動的現象。

轉向輪的振動使輪胎磨損急劇增加，并增加了轉向機構的動載荷，降低零件使用壽命，同時

也嚴重影響行駛安全。當左右車輪都不平衡，且不平衡質量處于對稱位置時，則振動更為嚴

重。為了避免因車輪不平衡引起的振動，要求輪胎在裝用之前，都要進行動平衡試驗，并消

除不平衡因素。對于高速行駛的車，對車輪的不平衡度要求也高。

14.汽車操縱穩定性的道路試驗：轉向輕便性試驗，汽車穩態回轉試驗——定方向盤轉角、

連續加速法，汽車穩態回轉試驗——定轉彎半徑法，汽車回正能力試驗，汽車蛇行試驗。

復習思考題

1、什么是汽車的操縱性和穩定性？何謂汽車的穩態和瞬態響應？

2、什么是彈性輪胎的側偏特性？側偏剛度的物理意義是什么？

3、汽車的穩態轉向特性有幾種？一般汽車應具有哪些性質的轉向特性？為什么？

4、什么是汽車的穩定性系數K？有幾種方式可以判定或表征汽車的穩態轉向特性？

5、汽車轉向時瞬態響應好壞評價指標是什么？

6、汽車左、右輪垂直載荷重新分配，對汽車轉向特性有什么影響？為什么？

7、某汽車輪距，質心高度，地面附著系數。當汽車沿曲線半徑為40m無傾斜的道路及有

10°側傾角的道路上行駛時，求：

（1）側翻在側滑之前還是在側滑之后？

（2）不發生側滑的臨介車速。

8、某一小客車總質量為2010kg，軸距為3.2m，其軸荷分配在靜止水平情況下，前軸為53.5%，

后軸為46.5%。

（1）已知每個前輪側偏剛度為678.9N/（°），后輪側偏剛度為667.2N/（°），試確定該車

的穩態轉向特性。

（2）若后輪保持不變，前輪換成子午線輪胎，每個子午線輪胎的側偏剛度為834.2N（°），

試求這時的汽車穩態轉向特性。