不同参数下的汽车操纵稳定性分析

编辑：何子严　时间：11.11.30　来源：本站原创　标签：轮胎特性操纵稳定性　

1.轮胎特性

轮胎的影响对汽车的操纵稳定性至关重要，因为前后轮胎的侧偏刚度是影响汽车操纵稳定性的重要因素，前后轮的侧偏刚度匹配，直接决定稳定性因数的大小，即决定汽车是否具有中性转向、不足转向、过多转向。因此，在对汽车的操纵稳定性分析之前有必要对汽车的轮胎进行简单的分析。

汽车在行驶过程中，由于路面的侧向倾斜、侧向风或曲线行驶时的离心力等的作用，车轮中性Y轴方向将作用有侧向里FY，相应的地面上产生地面侧向反作用力FY，FY也称为侧偏力。当车轮有侧向弹性时，即使YF没有达到附着极限，车轮行驶方向亦将偏离车轮平面的方向，这就是轮胎的侧偏现象。当车轮滚动时，轮胎的接触印迹的中性线与车轮平面之间存在一个夹角α，这个角称为轮胎的侧偏角。侧偏角α的数值是与侧向力FY的大小有关的；换言之，侧偏角图α的数值与侧偏力FY的大小有关。图4-1给出了一条由试验测出的侧偏力-侧偏角曲线。曲线表明，侧偏角不超过5°时，FY与α成线性关系。汽车正常行驶时，侧向加速度不超过4°~5°，可认为侧偏角与侧偏力成线性关系。FY-α曲线在α=0°处的斜率称为侧偏刚度k，单位N/rad或N/（°）。由轮胎坐标系有关符号规定可知，负的侧向里产生正德侧偏角，因此侧偏刚度为负值。FY与α的关系式可写作

FY=kα 4-1

在较大的侧偏力时，侧偏角以较大的速率增长，即FY-α曲线的斜率逐渐减小，这时轮胎在接地面处已发生部分侧滑。最后，侧偏力达到附着极限时，整个轮胎侧滑。显然，轮胎的最大侧偏力决定于附着条件，即垂直载荷，轮胎花纹、材料、结构、充气压力，路面的材料、结构、潮湿程度及车轮的外倾角等。一般而言，最大侧偏力越大，汽车的极限性能越好，譬如按圆周运动的极限侧向加速度就越高。

如前所指，侧偏特性主要是指侧偏力、回正力矩与侧偏角间的关系。影响侧偏特性的主要因素有轮胎结构、工作条件和路面状况等，现分析如下。

（1）轮胎的结构形式对侧偏刚度有显著影响，如图4-2所示。子午线轮胎按地面宽，一般侧偏刚度高。钢丝子午线轮胎比尼龙子午线轮胎的侧偏刚度还要高些。轮胎的结构形式对回正力矩-侧偏角特性也有影响。在同样侧偏角下，尺寸大的轮胎一般回正力矩较大。子午线轮胎的回正力矩比斜交轮胎大。

（2）扁平率对轮胎侧偏刚度影响很大。因为扁平率小，接地面积变宽，侧偏刚度成反比例提高。故采用扁平率小的宽轮胎是提高侧偏刚度的主要措施。

（3）垂直载荷的变化对轮胎侧偏特性有显著影响。侧偏力随垂直载荷的增加而变大。但垂直载荷过大是，轮胎产生很大的径向变形，侧偏力反而有减小。另外，试验表明：回正力矩随垂直载荷的增加而增大。

（4）轮胎的充气压力对侧偏力影响也较明显。由图4-3可知，随着气压的增加，侧偏力增大。但气压过高后，侧偏力不再变化。与此相反，轮胎的气压低，接地印迹长，轮胎拖距大，回正力矩也就大。

（5）路面种类及干湿状况对侧偏特性，尤其是最大侧偏力有很大影响。

（6）行驶速度对侧偏力的影响很小，但随着速度增大，侧偏力的最大值降低，这主要是由于速度增高时，侧偏力的最大值降低，这主要是由于速度增高时，滑动摩擦系数降低的缘故。

（7）侧偏力还受外侧倾向力的影响。外侧倾向力是轮胎有外倾角，并在无侧偏角的情况下滚动时所产生的侧向反作用力。由外倾角所引起的外倾向力与侧偏角产生的侧向里相比相对较小，大概1°的侧偏角相当于斜交轮胎外倾4°~6°，子午线轮胎对外倾角更不如斜交轮胎敏感。

2.不同胎压下的转向响应特性

2.1不同胎压下的侧偏刚度的确定

由图4-3可知胎压不同对汽车轮胎的侧偏刚度影响较大。

（1）P=200KPa时，由式4-1 FY=kα 得，

k4误差较大舍去，选用k1，k2，k3的值，得k=(k1+k2+k3)/3=-366.4N/(°)，转化成弧度值为，k=-21004N/rad。

（2）P=250KPa时，

k4误差较大舍去，选用k1,k2,k3的值，得k=（k1+k2+k3）/3=-425.1N(°)，转化成弧度值为，k=-24367N/rad。

（3）P=300KPa时，

k4误差较大舍去，选用k1，k2，k3的值，得k=(k1+k2+k3)/3=-425.5N(°)，转化成弧度值为，k=-25939N/rad。

基于以上对汽车前、后轮胎压对汽车操纵稳定性的分析，可知为了使车具有较好的操纵稳定性应使前轮的胎压略小于后轮的胎压，从而使汽车具有不足转向的特性。

3.不同前后轮匹配条件下的转向响应特性

3.1不同规格轮胎的侧偏刚度的确定

分别将该车的前后斜交轮胎（6.40-13，胎压为250KPa）换装为子午线轮胎（6.4R13，胎压为250KPa）。由图4-2可知相同条件下子午线轮胎可以承受的侧偏力较斜交轮胎大20%左右（此处只要求对不同的轮胎进行定性的分析，可以不必要求数值的绝对精确），因此相同条件下子午线轮胎的偏转刚度较斜交胎大20%左右，则此时的子午线轮胎的总侧偏刚度为k=-48734×120%=-58480.模型的其他参数与表1的相同。

3.2不同轮胎匹配的转向特性仿真分析

为了研究不同的轮胎对汽车操纵稳定性的影响，对以下几种情况做比较分析：a）前轮为斜交胎，后轮为子午线胎；b）前轮和后轮均为斜交胎；c）前轮和后轮均为子午线胎；d）前轮为子午线胎，后轮为斜交胎。

1）稳态响应

a）情况时，K=0.0001036，汽车具有不足转向特性，汽车运行轨迹见图4-10a。

b）情况时，K=0，汽车中性转向，汽车运行轨迹见图4-10b。

c）情况时，K=0，汽车中性转向，汽车运行轨迹见图4-10c。

d）情况时，K=-0.0001036，汽车具有过大转向特性，汽车运行轨迹见图4-10d。

由图4-10可知轮胎的匹配形式不同对稳态响应的影响很大，特别是当前后轮的轮胎形式不同的时候。当前轮为斜交胎，后轮为子午线胎时，汽车不足转向有利于汽车的稳态操纵稳定性；当前轮为子午线轮胎，后轮为斜交胎时，汽车出现的是过多转向此时对汽车的稳态操纵不利。

汽车的稳态横摆加速度增益曲线如图4-11所示。

不足转向时的特征车速Uch为，

过多转向时的临界车速Ucr为，

2）瞬态响应（u=10Km/h）

由图4-12可以看出前后轮安装不同的轮胎对汽车的操纵稳定性影响很大。当前轮为斜交胎、后轮为子午线胎时（曲线a），汽车的横摆角速度的稳态值最小，即，最稳定；当前轮后轮均为斜交胎时（曲线b），操纵稳定性次之；当前轮后轮均为子午线胎（曲线c），操纵稳定性再次之；当前轮为子午线胎、后轮为斜交胎（曲线d），操纵稳定性最差。

4.不同重心位置转向响应特性

当汽车在使用时由于装载货物的多少或装载位置的不同，会引起汽车重心位置的变化。为了能更好地分析重心位置的变化对汽车操纵稳定性的影响，分析时忽略轮胎载荷的变化对汽车的操纵稳定的影响，即重心的变化不引起轮胎侧偏刚度的变化。分三种情况进行比较：a）a=1.4，b=1.6；b）a=1.5，b=1.5；c）a=1.6，b=1.4.模型的其他参数与表1的参数相同。

稳态响应：

1）a＞b时，K=0.0008219，汽车具有不足转向特性，汽车运行轨迹见图4-13a。

2）a=b时，K=0，汽车中性转向，汽车运行轨迹见图4-13b。

3）a＜b时，K=-0.0008219，汽车有过多转向特性，汽车运行轨迹见图4-13c。