汽车操纵稳定性与转向系的关系在线视频

同学们大家好

下面进行第五章

汽车的操纵稳定性第19知识点

汽车操纵稳定性

与转向系的关系的讲解

在汽车底盘当中

实际上转向系统

是和操纵稳定性

关系最为紧密的系统之一

因为在前面的两自由度模型里边

我们为了突出质心位置和轮胎特性

对稳态转向特性的影响

实际上都被忽略掉了

但实质上它是和操纵稳定性

关系非常紧密的

当然在本节的介绍当中

除了讨论不足和过多转向

与转向系的关系以外

还从更全面的角度

对转向系和操纵稳定性的关系

做了比较全面的说明

并且要介绍一下

方向盘的力特性

以及方向盘中间位置的

操纵稳定性的实验等等

这方面的内容

主要要点如下

第一个介绍转向系的功能

和方向盘的力特性

第二个方面介绍

在不同行驶工况的情况下

对操纵稳定性的要求

第三个介绍方向盘的

中间位置操纵稳定性实验

第四个方面介绍

转向系和汽车横摆响应的关系

首先介绍一下转向系的功能

转向系的功能大体上

可分为两个部分

第一个就是驾驶员要通过

方向盘的控制

来控制前轮的转角

同时给汽车方向的指引

通过这样来操控汽车运动的方向

当然驾驶员在操纵方向盘的时候

对方向盘一般的输入有两种

一个就是角位移的输入

还有一种是力的输入

在实际当中

一般的角位移的输入

和力的输入两个都是

伴随着存在的

你不用力这当然不会有角位移

一般来讲你有角位移伴随着力

但是在某些工况下

可能是以角位移输入为主

比如在采用动力转向的汽车

以非常低的车速行驶的时候

实际上地面反力不起什么作用

这个时候方向盘有时候很轻

但是可能位移很大

实际上主要达到的目的

是要达到某一个大的转角

比如我们在移库的时候

就是让汽车以这个方向来行驶

这时候速度它实际上是很低的

在这种情况下

汽车的运动基本上是由前轮转角

以及轴距的几何关系来决定的

基本上就是一个角输入

而在高速公路上

高速行驶的时候

很可能出现方向盘很小 转角

说实在的高速公路上转角很大的

汽车响应是非常大的

给一点很小的输入

实际上汽车的横摆响应等等

实际上就已经很灵敏的

在这种情况下

所以在这种情况下

基本上就是力输入 转角很小

我想往哪方面转的时候

这方面稍稍带一点力

马上它就过去了

基本上可以把它理解成为

基本上是力输入

但实际上这个力输入的时候

也要有比较小的角度的输入

转向系的第二个功能

就是凭借着方向盘的反作用力

来体会路感

也就是说通过方向盘的反作用力

这时候要感觉到

汽车的运动状态

以及轮胎的这种状态

把受力的情况反馈给驾驶者

使他对这汽车的运动状态

有一个了解

这个有时候也把它叫做路感

人在驾驶的时候

只有及时方便准确的

掌握汽车的行驶状态

这时候人的心里才踏实

开起来才比较有信心

实际上良好的路感

是操纵稳定性当中

不可缺少的这个条件

也是主观评价的时候

非常重要的一个因素之一

方向盘的力特性

方向盘的力特性实际上就是指

驾驶者输入方向盘

操纵汽车的力

方向盘反作用力

是方向盘输入给人手的力

实际上是两个大小相等方向相反的力

所以在我们后边的讨论当中

我们基本上就不大区分的

把它称之为方向盘力

因为我给它多大的作用力

说实在的就受到了多大的反作用力

体会了多大的路感的时候

说实在为了维持汽车行驶

也只能给它作用力

维持它方向不动等等

所以这个力我们今后

就把它叫做方向盘力

就不再区分是作用力还是反作用力

从转向系的功能可以看出

方向盘的力在操纵汽车的时候

起了非常重要的作用

方向盘的力它随着汽车运动

它实际上是变化的

它的变化规律

有时候我们把它称之为

方向盘的力特性

除了有力

还有一个力的特性

这个力的特性

实际上就是它的变化规律

汽车转向系应该具有良好的

方向盘的力特性

这样才能起到很好地控制汽车

并且反馈信息的作用

在日本的有一本杂志

叫Motor Fan

它采用五种曲线图

来反映汽车的操纵稳定性

一个当然就是我们前面

已经介绍过的稳定性因数

它的曲线随着侧向加速度

它变化的这么一个曲线

第二种叫做频率特性

我们在前面

我们也已经介绍过了

下面的三个基本上都是和

方向盘的力特性有关的

一个就是大侧向加速度下的

方向盘的力的曲线

侧向加速度很大的时候

这上作用的力应该是什么样子

第二个

当然就是方向盘的中间位置

小转角下的方向盘的力的曲线

就是所谓的中间位置

一般来讲就是汽车在高速公路上

高速行驶的时候

一般方向盘转角非常小

基本上就是在中间的位置上

所以由于转角很小

一般加速度也不大

在这种情况下它的力的曲线

最后一个

当然就是固定方向盘的条件下

也就是说我们在做稳态

回转运动的情况下

就不同侧向加速度的时候

那么我这上面力的这种情况

我们的力的这种情况

下面这个图实际上也就是

丰田的皇冠一款叫做

尊严4000的轿车

它的方向盘的力的特性曲线

左上这个图

它实际上就是说

在大的侧向加速度的情况下

以车速一百公里

速度行驶的时候

它输入的正弦频率是0.33Hz

也就是三秒钟一个周期

这里边它给出了一条

也就是皇冠尊严轿车的曲线

这是一条线

这个阴影部分

就是过去四年间25辆汽车的平均值

相对来讲随着侧向加速度的变化

然后方向盘的力特性的变化

我们可以看出随着侧向加速度增加

力相对来讲有点增加

整个变化范围差不多

就是从20N到40N

大体上方向盘的直径

差不多0.3米的样子

把它折算一下

大体上我们可以得到

比如乘上0.3以后

等于5个牛米左右的力的特性

当然我们上边的

右边图它实际上就是说

在比较小的侧向加速度的情况下

随着车速改变的时候

那么它的力的特性曲线

上面这条线当然是

皇冠那辆车子的

它当然就是说

在0.1g的情况下

侧向加速度

下边黑的实线是在0.05g的

侧向加速度

这个阴影部分是统计的结果

25辆汽车

在过去四年间

统计的范围

下边这个图

就是随着侧向加速度的变化

在等圆周行驶的时候

在等速圆周行驶的时候

那么它的方向盘力

和侧向加速度变化的情况

当然这个曲线

是皇冠轿车的情况

这个点点的条线

实际上是等速圆周行驶

这一条线

上面还有一条没有点的线

它实际上是加速回转行驶的情况下

当然阴影部分

也是27辆汽车在过去四年间

它的平均值的情况

影响方向盘力特性的因素

是非常多的

我们基本上可以列举出来

比如像转向器的这个速比

效率 比如像动力转向器的

这种助力特性

还有转向杆系的

这样一些速比效率

这也会影响到这个

力的这些特性

同时还有一些悬架

这些导向杆系

以及轮胎上的载荷气压等等

实际上这些都会影响到

方向盘的这样一些力的特性

同时前轮定位角

实际上也是可以影响到

方向盘的力的特性的

并且它对方向盘的

这种回正性能

直线行驶性能都有显著的影响

当然下边这个图

实际上也就给出了

这样主要的几个

这个前轮定位角

其中包括什么主销的内倾角

车轮外倾角

主销后倾角以及前束等等

主要是这样一些参量

下面介绍一下

不同行驶工况下

对操纵稳定性都有什么要求

一般来讲

随着工况的不同

对操纵稳定性的要求侧重面

实际上也是不一样的

比如在低车速

低侧向加速度的工况下

汽车应该具有舒适的

这样一种方向盘的力特性

与方向盘的总的回转角

它这个时候应该有适度的

就是汽车应该具有

这个适度的力的特性

和方向盘的总的回转角

因为这个时候经常伴随着大转角

都是大的转角

力也要有一点

一点力没有也不行

但是这个时候力大了

人们一般也是不太喜欢

尤其是我在停车场里面找车位

里面很狭窄

这个时候我经常得正着走

然后倒着走

方向盘老得来回搬

在这种情况下不希望力很大

同时还应该有比较好的回正性能

因为我低速行驶的时候

哪怕我在找车位

假如没有回正性能

实际上就不知道

方向盘的中立位置在哪里

不知道它的位置在哪里

因为我随时知道

我中立位置在哪里

我在往哪转的时候我才有自信

我不知道中立位置在哪

那这个时候经常会使得

得汽车走起来以后

我才知道它的方向

因为我总不能从车上下来

看车轱辘吧

所以的话

这个时候要适度的

回正性能也要非常的好

高速行驶的时候汽车

应该具有很大的这种转向灵敏度

转向灵敏度

这时候方向盘的传动比

速比 就转向系统的速比

不应该太大

转向器的速比不应该太大

这样子的话

我操纵起来相对来讲才方便

因为我高速行驶

我要稍稍地有滞后

经常会错过了这样转向的时机

经常会错过了转向时机

当然在总的传动比不大的情况下

你想灵敏实际上速比就不能大

因此会带来低速行驶时候

方向盘的力的沉重的问题

一般来讲还是通过

助力转向来实现

在高车速方向盘小转角

低侧向加速度范围里边

也就是说这个时候车速非常高

但是由于方向盘转角很小

侧向加速度也不大

在这样一个范围里边汽车应该具有

非常好的横摆角速度频率特性

也就是说频响特性要很好

所谓的这种频响特性很好

常常我们是要求它的频率

也就是它的共振频率要比较高

因此在这样的范围里边

我才是线性的

基本上这是一个线性的范围

直线行驶的能力

和回正的性能都要求比较高

都要求比较高

同时汽车还应该具有

非常好的方向盘的力特性

方向盘的力的大小

主要是要适度

特别是随着车速的提高

方向盘力需要保持一定的数值

给驾驶者以良好的路感

并且方向盘的转矩梯度要适当

所谓的转矩梯度

就在这种情况下我变化的时候

要有一定的梯度

但是你这个梯度也不要大

你没有梯度那我转了好像

我在加速或者干什么的

这样子的话

好像它没有感觉也不行

但是要有一定的梯度

但是梯度还不能太大

并且在驾驶当中

要能非常方便清晰的

感觉到方向盘的中间位置

感觉到中间位置

因为我要感觉不到中间位置

那这时候驾驶员也是很慌张的

并且转向系统还应该有效地阻断

路面来的刺激

我既要很灵敏

同时还不希望外边的刺激

能够很好

然后反映到方向盘来

比如车轮子被石头硌一下

马上这方向盘梆的一下

就把驾驶员的手打一下

那人家肯定感觉到不舒服

也就是这种高频的

这种阶跃的这种刺激

最好能把它过滤掉

但是这种相对来讲

道路状况的这种感觉

还要反映到驾驶员的手上来

当然这个图

主要就是助力转向的力的特性

在这个图的横坐标

当然就是方向盘

向右向左转动的坐标

纵坐标

当然就是液压泵的输出的压力

实际上也就是

助力的大小

当然了一般良好的

方向盘助力特性

它应该跟车速有关

在低车速的时候

一般来讲助力相对来讲要大

在高车速的时候

相对来讲助力相对来讲要小

当汽车以中高的侧向加速度

做曲线行驶的时候

汽车的侧向加速度

轮胎地面侧向反作用力

以及轮胎的附着情况等等

主要都是通过方向盘的力的

这样的特性来传递的

所以方向盘的力

最好和侧向加速度

有一个线性的关系

就像下边这个图的a曲线这样

这里面的图曲线a

基本上就是随着

侧向加速度的增加

然后方向盘的力基本上

也是线性增加的

这个曲线

基本上来讲称之为理想的

这样的一个曲线

但是实际上很多车子

在高侧向加速度的区域当中

方向盘的力增长

它相对来讲有时候会过快

主要原因

你的助力特性没有把握好

这个特性就像这里边的曲线b这样

假如像曲线b这样的特性

我们在驾驶的时候

有的时候就会感觉到

相对来讲有点沉重

方向盘就稍稍沉了一点

总是这样驾驶

驾驶员容易感觉到疲劳

当然这里边还有一个曲线c

曲线c的话

常常就是助力的情况下

就是助力的特性曲线

因为到了一定情况下

它基本上助力特性

就使得方向盘的力

基本上是走平了

方向盘的力基本上是走平了

也就是说这时候的反力

基本上都被助力机构

把它承担了

最后当然有一种

不好的曲线

也就是这里边的曲线d 曲线d

它在当你的侧向加速度

达到一定值以后

比如在图里边

差不多是在0.5左右

超过了0.5以后

这侧向加速度

侧向加速度继续增加

它 方向盘的力不但不增加

反而还减小

这个就有一种叫做失去的

这种力消失的感觉

实际上的话

有的俗语的话

有时候就把它称之为发飘

下面再介绍一下转向系统

与汽车横摆角速度稳态响应

有哪些关系

实际上这部分内容

在前面侧倾转向的时候

也稍稍有点涉及

但是在那里头没有强调转向系

主要强调的是侧倾

强调的是侧倾

这边再从转向系的角度来讲

谈一谈这些关系

也就是说汽车前轴的侧偏角

它不仅仅和悬架有关

同时也受转向系的这种影响

下面主要介绍

转向系的侧倾转向

和变形转向

首先介绍一下侧倾的时候

转向系统与悬架的

运动干涉

当车厢在侧倾的时候

对于非独立悬架汽车的转向系

与悬架在运动学上关系不协调

这样就会引起转向车轮的

这种干涉转向

这种干涉转向

在汽车直线行驶当中

车厢与车桥会发生相对的运动

这时候就会影响

汽车的操纵稳定性

因此一般我们把这种干涉转向

应该设计得相对小一点

不要有这种相对来讲过大的

这种干涉转向

下面这个图实际上

显示的是一种就是非独立悬架

就是所谓的纵置半椭圆

这种板簧的悬架

与转向系的这种布置结构

就像这个图所显示的这样

图上所显示的

当然它的板簧

这样的固定端或者叫做卷耳端

它是在前边

吊耳端是在后边

对于长头的载重车来讲

一般来讲

这时候转向机的它是在

前轮的后边的

这个转向机它通过一个垂臂

然后通过一个转向拉杆

在与你的转向节臂相连

它的相连接点是c点 是c点

对于车子

当那个车身上下跳动的时候

或者说你在侧倾的时候

比如我的车身是向下压的

在向下压缩的情况下

那么我的这c点应该怎样运动

这个时候假如按照悬架的导向杆系

这个时候它显然是在

绕着O2点在做这样的转动

它会划出一个bd弧线

这个弧线

但是这个c点

同时它也受到转向拉杆的约束

由于这个转向摇臂的端点O1

假如不动的话

那么它实际上这个点也要

绕O1来转动

绕出aa弧线

实际上bb和aa这两个弧线

它是不能够重合的

因此在这个车轮上下跳动的时候

就发生了运动干涉

它具体的运动应该怎么运动

首先它随着悬架

从这个b往上运动

运动到了b点

这时候它还要符合

拉杆的运动方向

这时候它就得再从b移动到a

实际上也就相当于

车轮子向左转了一个角度

也就相当于

转向运动式的拉杆在这

往里边又运动了

实际上也就是干涉的转向

所以当悬架往

所以在这种情况下

当车轮往上跳动的时候

实际上就伴随着向左的

这么一个转向

当然对于这样的汽车

比如我们的稳态响应

稳态这个横摆角速度

稳态响应它是怎样的呢

它在什么情况下

相当于车轮是向上跳动的

比如这个车是向右转的

轮子是外侧车轮

实际上是相当于车架往下压

车架往下压

往下一压的话

那就相当于车轮向上跳

在这种情况下

车轮伴随着向左转

这个时候实际上是一种

向不足转向的干涉

因为原来车轮是向右转的

这时候产生向左的转角

就相当于侧偏角

相当于向稳态不足的侧偏角

当然目前货车

多数都是平头的货车

在这种情况下

实际上转向机已经移到了

前轮的前方

这样子的话实际上就相当于

刚才的O2点和O1点

在一个方向

这时候干涉量就会减小很多

所以就现在的货车

基本上用平头车

取代了这样的长头的车

主要原因也是由于

它的侧倾干涉

和转向系统的干涉

这种长头车干涉量过大

平头车干涉量就会小很多

下面谈一谈转向系统的刚度

与转向车轮的变形转向关系

当然方向盘到转向车轮之间

也就一般来讲包括转向机

转向系统的拉杆

以及转向机这种安装等等

这些在内的这些刚度

我们一般把它通称为

转向系的刚度

当然地面作用于转向车轮的

回正力矩

一般来讲它都有回正力矩

这样就会使得转向系统

发生弹性变形

发生这种弹性变形

这样使得转向轮有了变形转向角

实际上变形转向角等于回正力矩

除以转向系的刚度

因此在一定方向盘转角的情况下

转向系统的刚度低

那么实际上前转向轮的

变形转向角它就大

因为它这种变形转向

都是增加不足转向趋势的

当然了刚度大

这种不足转向趋势也下降一点

但是一般来讲

我们对转向系的要求来讲

还是刚度大一些

因为这样频响特性会好一点

我们并不是非要靠这个

来增加你的不足转向

有关这一节的知识介绍

就到这里