汽車操縱穩定性

汽車操縱穩定性，是指在駕駛員不感覺過分緊張、疲勞的條件下，汽車能按照駕駛員通過轉向系及轉向車輪給定的方向（直線或轉彎）行駛；且當受到外界干擾（路不平、側風、貨物或乘客偏載）時，汽車能抵抗干擾而保持穩定行駛的性能。

汽車的操縱穩定性包含相互聯繫的兩個部分，一是操縱性，另一個是穩定性。操縱性好簡言之就是“聽話”，汽車能夠按照駕駛員的要求運行；穩定性好簡言之就是能夠抵抗干擾。 ^[1] 

汽車操縱穩定性涉及的問題較為廣泛，它需要採用較多的物理參量從多方面來進行評價。對操縱穩定性有兩種評價方法——主觀評價和客觀評價。

主觀評價就是感覺評價，其方法是讓試驗評價人員根據試驗時自己的感覺來進行評價。並按規定的項目和評分辦法進行評分。

主觀評價的優點：

（1）主觀評價把人的因素考慮在內，與實際情況更為符合。汽車是由人來駕駛的，因此主觀評價法始終是操縱穩定性的最終評價方法；

（2）熟練的試驗駕駛員在進行主觀評價試驗時，還能發現儀器所不能檢驗出來的現象。

主觀評價的缺點：

（1）它受到評價者個人主觀因素的影響，不同評價者可能給出差別較大的評價結果；

（2）一般情況下，它不能給出“汽車性能”與“汽車結構”二者之間有何種聯繫的信息。

（3）在設計階段必須要生產出樣車，這樣增加評價成本和設計週期。

客觀評價法是通過測試儀器測出表徵操縱穩定性能的物理量如橫擺角速度、側向加速度、側傾角及轉向力等來評價操縱穩定性的方法。

其優點是：

（1）實驗方法和指標計算結果比較明確，沒有人為的不確定因素的干擾；

（2）隨着虛擬仿真技術的成熟，汽車模型的精確構建，為以計算機仿真分析為手段研究汽車動力學特性及預測動態特性提供極大方便；

（3）如果有一套成熟統一的客觀評價體系用於設計階段，在還沒有原型車的情況下或者在對標階段就可預測汽車操縱穩定性，從而優化設計節約時間節約成本；

（4）可以通過客觀評價試驗中的評價指標，理論分析確定它們與汽車結構參數的函數關係，因此客觀評價試驗可以指出改變汽車結構及結構參數以提高性能的具體途徑。

其缺點是：

（1）沒有充分考慮到人的因素，與汽車的實際使用情況有一定的差別，評價指標難以真正準確反映汽車的操縱穩定性；

（2）還沒有成熟統一的客觀評價體系，即便是ISO的實驗標準也只給出了實驗方法和指標計算方法，並沒有明確説明各指標如何去反應汽車主觀品質特性。

由於主客觀評價各有優缺點，所以較為常見的辦法是先由人的感覺發現問題，然後用儀器來進行測試。

有很多因素影響汽車操縱穩定性，其中主要因素是在行駛系、轉向系及傳動系等方面。

行駛系中影響操縱穩定性的主要因素有：前輪定位參數、後懸架結構參數及橫向穩定杆、輪胎、前軸或車架變形、懸架等。

（1）前輪定位參數的影響

前輪定位參數包括：前輪外傾角、主銷內傾角、主銷後傾角和前輪前束（前束角）。

前輪外傾角，是指通過前輪中心的汽車橫向平面與前輪平面的交線線與地面垂直線所成的夾角，前輪外傾角一般在1°左右，如圖1所示。它的作用主要是當汽車行駛時，將輪轂壓向內軸承，而減輕外端較小的軸承載荷，同時，可以防止因前軸變形和主銷孔與主銷間隙過大引起前輪內傾，減輕輪胎着地與主銷軸線與地面交點間的距離，從而使轉向輕便。

主銷內傾角，是指主銷軸線與地面垂線在汽車橫向平面內的夾角，如圖2所示。主銷內傾角對操縱穩定性的影響，主要也是回正力矩，它是在前輪轉動時將車身抬高，由於系統位能的提高而產生的前輪迴正矩，它與側向力無關。因此可以説，主銷內傾角主要在低速時起回正作用，“後傾拖距”主要在高速時起回正作用。

主銷後傾角，是指主銷軸線與地面垂線在汽車縱向平面內的夾角，如圖3所示。主銷後傾角對汽車操縱穩定性的影響主要通過“後傾拖距”使地面側向力對輪胎產生一個回正力矩，該力矩產生一個與輪胎側偏角相似的附加轉向角，它與側向力成正比，使汽車趨於增加不足轉向，有利於改善汽車的穩態轉向特性。若主銷後傾角減小，使得回正力矩變小，當地面對轉向輪的干擾力矩大於轉向輪的回正力矩時，就會產生擺振。

前輪外傾隨負荷的變化而變化。當車輛轉向時，在離心力作用下，車身向外傾斜，外輪懸架處於壓縮狀態，車輪外傾角逐漸減小（向負外傾變化）；內輪懸架處於伸張狀態，使得本來對道路向負外傾變化的外傾角減弱。從而提高車輪承受側向力的能力，使汽車轉向時穩定性大為提高。前輪前束（如圖4所示）不可過大，若前束過大，會使車輪外傾角、主銷後傾角變小，會使前輪出現擺頭現象，行駛中有蛇行，轉向操作不穩。

前懸架導向機構的幾何參數決定前輪定位參數的變化趨勢和變化率。在車輪跳動時，外傾角的變化包括由車身側傾產生的車輪外傾變化和車輪相對車身的跳動而引起的外傾變化兩部分。在雙橫臂獨立懸架中，前一種變化使車輪向車身側傾的方向傾斜，即外傾角增大，結果使輪胎側偏剛度變小，因而使整車不足轉向效果加大；後一種變化取決於懸架上、下臂運動的幾何關係，在雙橫臂結構中，往往是外傾角隨彈簧壓縮行程的增大而減小，這種變化與車身側傾引起的外傾角變化相反，會產生過度轉向趨勢。

（2）後懸架結構參數的影響

後懸架結構參數對汽車操縱穩定性的影響，近似於前懸架的“干涉轉向”。它是在汽車轉向時，由於車身側傾導致獨立懸架的左右車輪相對車身的距離發生變化，外側車輪上跳，與車身的距離縮短，內側車輪下拉，與車身的距離加大。懸架的結構參數不同，車輪上下跳動時，車輪前束角的變化規律也必然會不同。前輪前束指汽車轉向的前端向內收使兩前輪的前端距離小於後端距離。兩車輪前後的距離之差，稱為前束值，一般不大於8~12mm。其作用是消除由於前輪外傾使車輪滾動時向外分開，引起車輪滾動時邊滾邊拖的現象，引導前輪沿直線行駛。

（3）橫向穩定杆的影響

橫向穩定杆常用來提高懸架的側傾角剛度，或是調整前、後懸架側傾角剛度的比值。在汽車轉彎時，它可以防止車身產生很大的橫向側傾和橫向角振動，以保證汽車具有良好的行駛穩定性。提高橫向穩定杆的剛度後，前懸架的側傾角剛度增加，轉向時左右輪荷變化加大，前軸的每個車輪的平均側偏剛度減小，汽車不足轉向量有所增加。前懸架中採用較硬的橫向穩定杆有助於提高汽車的不足轉向性，並能改善汽車的蛇行行駛性能。

（4）輪胎的影響

輪胎是影響汽車操縱穩定性的一個重要因素，增大輪胎的載荷能力，特別是後輪胎的載荷能力，例如加大輪胎尺寸或提高層級，或者後輪由單胎改為雙胎，都會改善汽車的穩態轉向特性。改變後輪胎的外傾角，也可以改善汽車的操縱穩定性，這是因為後輪胎的負外傾角可以增加後輪胎的側偏剛度，從而減小過多轉向趨勢。

（5）前軸或車架變形的影響

由於車架是汽車的基礎，它的變形會直接影響各部件的連接及配合，從而直接影響操縱穩定性。如果汽車前軸變形，就會改變主銷孔的軸線位置，使主銷內傾角變大，則外傾角變小，反之，內傾角變小，外傾角變大，從而行駛時會產生轉向沉重，磨胎和無自動回正的能力。

（6）懸架的影響

當車輛受到側向作用力時，汽車前、後軸垂直載荷變動量的大小是影響操縱穩定性的主要原因。如果汽車前軸左、右車輪的垂直載荷變動量較大，汽車趨於增加不足轉向量；如果後軸的左、右車輪的垂直載荷變動量較大，汽車趨於減少不足轉向量。影響汽車前軸和後軸左、右車輪的垂直載荷變動量的主要因素有：前、後懸架的側偏剛度，懸掛質量，質心位置，前、後懸掛側傾中心位置等。這些參數也是懸架系統影響操縱穩定性的參數。

當車廂側傾時，轉向系與轉向系運動學關係如果不協調，將會引起轉向車輪側傾，干涉轉向。在汽車直線行駛中，當車廂與車橋發生相對運動時，會引起前輪轉動而損害汽車的操縱穩定性。汽車的轉向系剛度會引起轉向車輪的變形轉向，轉向系剛度低，轉向車輪的變形轉向角大，從而增加了汽車的不足轉向趨勢；轉向剛度高，轉向車輪的變形轉向角小，則減小了汽車的不足轉向趨勢。

縱向驅動力會增加前驅動汽車的不足轉向趨勢。當然，用發動機進行制動時，將使汽車有增加過多轉向的趨勢。所以，大功率的前驅動汽車在加速過程中，若將加速踏板踩到底後突然鬆開，則汽車的轉向特性會發生明顯的變化，甚至成為過多轉向。因此，汽車會發生出乎意料的突然駛向彎道內側的“捲入”現象。可以通過採用自動變速器、有限差速作用差速器(LSD)和使驅動輪在制動時能產生不足變形轉向的懸架來減少、消除捲入現象。

後輪驅動汽車在進行發動機制動時，由於制動力的作用增大了後軸側偏角，產生了過多轉向的趨勢，加上其他因素的綜合影響，後驅動汽車也常有“捲入”現象。

汽車操縱穩定性試驗主要在汽車試驗場的專用場地上進行。試驗前要注意檢查軸荷分配、輪胎充氣壓力與胎面等是否符合要求。

汽車操縱穩定性路上試驗所需測定的參數和儀器有：用非接觸式車速儀或第五車輪和時間信號發生器測定車速和時間，用測力轉向盤測量轉向盤作用轉矩及轉角(一般在測力轉向盤上附裝多圈電位器來測量轉角)，用加速度計測量側向加速度（或測出汽車橫擺角速度，和轉彎半徑R後，由求得），汽車橫擺角速度用二自由度角速度陀螺來測量，汽車的航向角和車廂側傾角用三自由度的航向陀螺和垂直陀螺來測量。

主要的試驗項目有：低速行駛轉向輕便性試驗、穩態轉向特性試驗、瞬態橫擺響應試驗、汽車回正能力試驗、轉向盤角脈衝試驗、轉向盤中間位置操縱穩定性試驗等。

瞬態橫擺響應試驗：目前常用階躍試驗來測定汽車對轉向盤轉角輸入時的瞬態響應。

回正試驗是表徵和測定汽車自曲線回覆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。

轉向盤角脈衝試驗：通常以汽車橫擺角速度頻率特性來表徵汽車的動態特性。因此，頻率特性的測量成為一個重要的試驗。這個試驗要確定給轉向盤正弦角位移輸入時，輸出(汽車橫擺角速度)與輸入的振幅比與相位差。通過直接給轉向盤正弦角位移輸入來測量汽車的頻率特性是很困難的，因為一方面準確的正弦輸入難以做到，而且要在幾個固定車速下給轉向盤以不同頻率的正弦輸入也是很費時間的。所以，經常是用轉向盤角位移脈衝試驗來確定汽車的頻率特性。

汽車的操縱穩定性不僅影響到汽車駕駛的操縱方便程度，而且也是決定高速汽車安全行駛的一個主要性能，所以人們稱之為“高速車輛的生命線”。正因為如此，人們不斷地尋找方法來改善汽車的操縱穩定性。提高操縱穩定性的常用方法有：防抱死制動系統（ABS）、驅動力控制系統（TCS）、四輪轉向系統（4WS）、車輛穩定性控制系統（VSC）等。

帶有4WS的在汽車轉彎行駛時，後兩輪也隨着前兩輪有相應的轉向運動。一般兩輪轉向汽車（2WS）在中、高速作圓周行駛時，車身後部甩出一點，車身以稍稍橫着一點的姿態作曲線運動，增加了駕駛者在判斷與操作上的困難。電控4WS汽車的質心側偏角總接近於零，車廂與行駛軌跡方向一致，汽車自然流暢地作曲線運動，駕駛者能方便地判斷與操作，顯著地改善了操縱穩定性。

車輛穩定性控制系統是以ABS為基礎發展而成的。系統主要在大側向加速度、大側偏角的極限工況下工作。它利用左、右兩側制動力之差產生的橫擺力偶矩來防止出現難以控制的側滑現象，如在彎道行駛中因前軸側滑而失去路徑跟蹤能力的駛出(Drift Out)現象及後軸側滑甩尾而失去穩定性的激轉(Spin)現象等危險工況。 ^[2]