汽车操纵稳定性简介

    汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵守驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。

    汽车的操纵稳定性是汽车的一个重要性能，它影响到高速汽车的安全性，被人们称为“汽车的生命线”。随着道路的改善，特别是高速公路的发展，汽车以100km/h或更高的车速行驶的情况是常见的。现代轿车设计的最高车速一般常超过200km/h，有的运动型轿车甚至超过300km/h。因此，汽车的操作稳定性日益受到重视，称为现代汽车的重要使用性能之一。

    1.汽车操纵稳定性包含的内容

    汽车操纵稳定性设计的问题较为广泛。在汽车操纵稳定性的研究中，常把汽车作为一个控制系统，求出汽车曲线行驶时的时域响应，并以它们来表征汽车的操纵稳定性能。

    汽车曲线行驶时的时域响应是指汽车在转向盘输入或外界侧向干扰输入下的侧向运动响应。转向盘输入有两种形式：给转向盘作用一个角位移，称为角位移输入，简称角输入；给转向盘作用一个力矩，称为力矩输入，简称力输入。驾驶员在实际驾驶车辆时，对转向盘的这两种输入是同事加入的。

    转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应，就是表征汽车操作稳定性的转向盘角位移输入下的时域响应。

    横摆角速度频率响应特性是转向盘转角正弦输入下，频率由零到无限大时，汽车横摆角速度与转向盘转角的振幅比及相位差的变化图形。它是另一个重要的表征汽车操纵稳定性的基础特性。

    转向盘中间位置操纵稳定性是转向盘小转角、低频正弦输入下汽车高速行驶时的操纵稳定性。

    转向半径是评价汽车机动灵活性的物理参量。

    转向轻便性是评价转动转向盘轻便程度的特性。

    汽车的直线行驶性能是评价汽车操纵稳定性的另一个重要方面。其中，侧向风稳定性与路面不平度稳定性是汽车直线行驶时在外界侧向干扰输入下的时域响应。

    典型行驶工况性能是指汽车通过某种模拟典型驾驶操作的通道的性能。它们能更如实的反映汽车地操纵稳定性。

    极限驾驶性能是指汽车在处于正常行驶与异常危险之间的运动状态下的特性。它表明了汽车安全行驶的极限性能。

    本文只讨论上述内容的最基本的部分：转向盘角阶跃输入下的稳态响应、瞬态响应。

    2.转向盘角阶跃输入下的时域响应

    汽车的时域响应可分为不随时间变化的稳态响应和随时间变化的瞬态响应。例如，汽车等速直线行驶是一种稳态；若在汽车等速直线行驶时，急速转动转向盘至某一转角时，停止转动转向盘并维持此角不变，即给汽车以转向盘角阶跃输入，一般汽车经短暂时间后便进入等速圆周行驶，这也是一种稳态，称为转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应。

    在等速直线行驶与等速圆周行驶这两个稳态运动之间的过渡过程便是一种瞬态，响应的瞬态运动响应称为转向盘角阶跃输入下的瞬态响应。

    汽车的等速圆周行驶，即汽车转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应，虽然在实际行驶中不常出现，却是表征汽车操纵稳定性的一个重要的时域响应，一般也称它为汽车的稳态转向特性。汽车的稳态转向特性分为三种类型：不足转向、中性转向额和过多转向。

    这三种不同转向特性的汽车具有如下行驶特点：在转向盘保持一固定转向角下，缓慢加速或以不同车速等速行驶时，随着车速的增加，不足转向的汽车的转向半径R增大；中性转向汽车的转向半径维持不变；而过多转向汽车的转向半径则越来越小。操纵稳定性良好的汽车应具有适度的不足转向特性。一般汽车具有过多转向特性，也不应具有中性转向特性，因为中性转向汽车在使用条件变动时，有可能转变为过多转向特性。

    汽车的操纵稳定性同汽车行驶时的瞬态响应有密切关系。常用转向盘角阶跃输入喜爱的瞬态响应来表征汽车的操纵稳定性。

    汽车的等速行驶，即汽车转向盘角阶跃输入下的稳态响应，虽然在实际行驶中补偿出现，却是表征汽车操纵稳定性的一个重要的时域响应，一般也称它为汽车的稳态装箱特性。汽车的稳态转向特性分为三种类型：不足转向、中性转向和过多转向。这三种不同转向特性的汽车具有如下行驶特点：在转向盘保持一固定转角下，缓慢加速或以不同车速等速行驶时，随着车速的增加，不足转向的汽车的转向半径R增大；中性转向汽车的转向半径维持不变；而过多转向汽车的转向半径则越来越小。操纵稳定性良好的汽车应具有适度的不足转向特性。一般汽车不应具有中性转向特性，因为转向中性的汽车在汽车使用条件变动时，有可能转变为过多转向特性。

    汽车的操纵稳定性同汽车行驶的瞬态响应有密切的关系。常用转向盘角阶跃输入下的瞬态响应来表征汽车的操纵稳定性。

    本文将主要对汽车的稳态响应特性进行分析，了解汽车的各种因素对汽车操纵稳定性的影响。此外，还会对汽车的瞬态响应特性进行一些简要的分析。

    3.汽车操纵稳定性研究的历史与现状

    对汽车操纵性稳定性的系统研究。早在20世纪30年代就已经开始。而利用二自由度汽车模型（横摆和侧向）对操纵稳定性的研究是从20世纪50年代开始的。此后，运动方程式通过各种修正得越来越精密，其他很多影响（如轮胎得动特性、转向特性、悬架特性、影响非线性的加速度等）因素常常通过等效侧偏刚度简化为二自由度系统进行分析处理。为更详细分析汽车的各种性能，人们也提出自由度越来越多的动力学模型。利用计算机仿真技术，汽车的运动性能在设计初九可以详细的预知，同时提出各种评价指标来评价汽车的操纵稳定性。

    目前，汽车操纵稳定性的计算机仿真研究，主要是建立精确的多自由度数学模型，通过计算机模拟计算，研究各设计参数对操纵稳定性的影响，经过学者们的不断努力，力学模型逐渐由线性模型到非线性复合参数模型。近20年发展起来的多体系统动力学理论为建立多自由度汽车动力学模型提供了一个有力的工具。

    汽车操纵稳定性评价的研究过程：20世纪60年代以前基本上都是用开环评价方法；70年代初期，人们用系统工程学方法探索操纵稳定性的评价方法；70年代中期以后，利用驾驶员对汽车直线行驶性能、转弯驾驶性能和转向轻便性的特性的感觉，进行主观评价；80年代初，从理论和试验两个方面着手，重新开始深入地研究驾驶员-车辆-道路闭环系统；90年代以来，郭孔恢教授提出了各个单项总方差评价指标及闭环系统主动安全性地综合评价与优化设计方法。

    4.汽车操纵稳定性研究和评价方法

    开环研究是把汽车作为一个开环控制系统，不包括驾驶员特性，求出汽车曲线行驶的时域响应和频率响应，对系统进行稳态和瞬态分析。把汽车作为驾驶员-汽车闭环系统的被控制环节，根据整个系统特性的分析和综合，对汽车的操纵稳定性进行研究和评价，被称为闭环方法。该方法更能全面彻底的研究和评价汽车的操纵稳定性。

    汽车操纵稳定性的另一类方法是客观、主观评价。客观评价是通过实车试验测试一些与操纵稳定性有关的汽车运动量，然后与相应的标准进行比较评价；主观评价是驾驶员根据任务要求操纵汽车时，依据对操纵动作难易程度来评价汽车操纵稳定性。

    操纵稳定性研究和评价还有其他一些分类方法：按操纵稳定性定义可分为指令反应和扰动反应；按汽车个部分力学特性是否在线性范围内分为线性区和非线性区；按驾驶员操纵输入可分为力输入反应和角输入反应；按汽车各部分是否达到平衡状态可分为稳态和动态。

    5.人-车闭环系统的研究和评价

    自上20世纪50年代以来，人们一直试图在开环内解决汽车操纵稳定性的评价和研究问题。大量的研究表明，客观评价指标是在开环条件下提出的。而主观评价是驾驶员按照一定的跟随要求操纵汽车时对汽车操纵动作难易程度的感觉，这种感觉不仅取决于汽车本身的特性，还取决于人的行为特性、对道路跟踪的要求。因此，汽车操纵稳定性的研究和评价必须是包括驾驶员在内的人-车-路闭环系统操纵稳定性的研究和评价。

    20世纪80年代以来，研究者们重新开始了驾驶员行为特性的研究，并提出了各种驾驶员方向控制模型。其中较具有代表性的是MacAdam的最优预瞄控制模型和郭孔辉教授提出的最优预瞄加速度模型。驾驶员模型的提出使人们能在理论上对汽车的操纵稳定性进行闭环预测和客观评价，并且解决了主观评价和客观评价不一致的矛盾。

    郭孔辉教授在驾驶员模型、人-车闭环模型特性及人-车闭环系统的定量评价方面做了大量的研究工作，提出了物理概念清晰、适用于汽车非线性、考虑多方面因素的驾驶员模型和定量评价人-车系统的综合评价指标。

    6.汽车操纵稳定性研究存在的问题及发展趋势

    汽车操纵稳定性很多研究还处于探索和完善阶段。由于操纵稳定性受研究目的、认为感觉及环境条件等多种因素的影响，迄今为止还没有找出公认的评价操纵稳定性的基准；闭环系统中在考虑驾驶员负担时，精神负担模型化的问题还没有解决；再加临界状态操纵稳定性和驾驶员特性的研究等；空气动力特性和各种阵风、整车参数和部件（特别是轮胎、悬架、转向系等）特性的选择对操纵稳定性的影响等，也还有不还有不少没有被认识的领域；汽车在接近侧滑状态下的运动特性与汽车的安全事故之间的关系，这也是近年来着重研究的方向之一。如果以上问题得以解决，相信汽车技术的发展将会更上一层楼。

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