《汽车理论与性能评价》课件 项目4汽车操纵稳定性评价-任务1试验及评价汽车稳态稳定性

任务4.1试验及评价汽车稳态稳定性《汽车理论与性能评价》一、学习目标知识目标1.能够说出汽车操纵稳定性主观评价指标

;2.能够描述转向的各主观性评价指标的试验方法；3.能够描述稳态性能的各主观评价指标的试验方法；4.能够理解汽车操纵稳定性主观评价依据

;5.能够阅读T/CSAE163.1-2023，T/CSAE163.2-2023汽车工程学会团体性标准。能力目标1.能够主观评价转向性能各评价指标

;2.能够主观评价稳态性能各评价指标

;3.能够撰写汽车操纵稳定性主观评价报告。素质目标1.通过全面而细致的主观评价能够综合考量并准确反映驾乘人员的主观感受，培养出在

复杂情境下提炼关键信息、做出科学评价的高级认知素养和细致入微的洞察力

;2.在操纵稳定性主观评价报告的撰写过程中，培养学生的耐心与细心品质。

试验及评价汽车稳态稳定性

《汽车理论与性能评价》二、任务描述某公司乘用车需要对其开发的样车进行操纵系统稳态稳定性检测及评价，作为

汽车性能检测评价人员，请查找相关标准，

明确稳态稳定性评价指标及评价方法。试验及评价汽车稳态稳定性《汽车理论与性能评价》试验及评价汽车稳态稳定性三、查阅标准，明确稳态稳定性检测项目稳态回转试验标准稳态回转试验结果表达参考资料4-1-1参考资料4-1-2《汽车理论与性能评价》三、查阅标准，明确稳态稳定性检测项目1.车辆坐标系汽车的运动是借固结于运动着的汽车上的动坐标系--车辆坐标系来描述的。图4-1-1所

示固结于汽车上的oxyz直角坐标系就是车辆坐标系。xoz处于汽车左右对称的平面内。当车

辆在水平面上处于静止状态下，

x轴平行于地面指向前方，

z轴通过质心指向上方，y轴指向

驾驶员的左侧，坐标系的原点o常可令其与质心重合。与操纵稳定性有关的主要运动参量为：车厢角速度在z轴上的分量--横摆角速度r

汽车质心速度在y轴上的分量--侧向速度v汽车质心加速度在y轴上的分量--侧向加速度ay(参看图4-1-1)。试验及评价汽车稳态稳定性《汽车理论与性能评价》三、查阅标准，明确稳态稳定性检测项目图4-1-1

车辆坐标系

试验及评价汽车稳态稳定性《汽车理论与性能评价》三、查阅标准，明确稳态稳定性检测项目2.转向盘角阶跃输入下的稳态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转角不变，即给汽车以转向盘角阶跃输入，

一般汽车经短暂时间后便

进去等速圆周形式，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。试验及评价汽车稳态稳定性《汽车理论与性能评价》三、查阅标准，明确稳态稳定性检测项目2.转向盘角阶跃输入下的稳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(图4-1-2):在转向盘保持一固定转角sw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。试验及评价汽车稳态稳定性《汽车理论与性能评价》试验及评价汽车稳态稳定性三、查阅标准，明确稳态稳定性检测项目《汽车理论与性能评价》汽车三种稳态转向特性图4-1-2三、查阅标准，明确稳态稳定性检测项目3.轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性是轮胎力学特性的一个重要部分。所谓侧偏特性主要是指侧偏力、回正

力矩与侧偏角间的关系，它是研究汽车操纵稳定性的基础。试验及评价汽车稳态稳定性《汽车理论与性能评价》试验及评价汽车稳态稳定性三、查阅标准，明确稳态稳定性检测项目《汽车理论与性能评价》讨论坐标系图4-1-3三、查阅标准，明确稳态稳定性检测项目（1）轮胎坐标系为了讨论轮胎的力学特性，需要建立一个坐标系，

参看图4-1-3。车轮平面--垂直于车轮旋转轴线的轮胎中分平面。原点O--车轮平面和地平面的交线与车轮旋转轴线在地平面上投影线的交点。

X轴--车轮平面与地平面的交线，规定向前为正。Z轴--过原点与地平面垂直的轴线，规定指向上方为正。Y轴--在地平面上，规定面向车轮前进方向时指向左方为正。试验及评价汽车稳态稳定性《汽车理论与性能评价》三、查阅标准，明确稳态稳定性检测项目（1）轮胎坐标系FX--地面切向反作用力

;FY--地面侧向反作用力

;FZ--地面法向反作用力

;TX--地面反作用力绕X轴的力矩，即翻转力矩

;TY--地面反作用力绕Y轴的力矩，即滚动阻力矩;TZ-地面反作用力绕Z轴的力矩，即回正力矩

;侧偏角a--轮胎接地印迹中心(即坐标系原点)位移方向与x轴的夹角，图示方向为正；

外倾角y--垂直平面(XOZ平面)与车轮平面的夹角，图示方向为正。试验及评价汽车稳态稳定性《汽车理论与性能评价》三、查阅标准，明确稳态稳定性检测项目（2）轮胎的侧偏现象与侧偏力汽车在行驶过程中，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

轮中心沿Y轴方向将作用有侧向力Fy，相应地在地面上产生地面侧向反作用力FY，FY也称为

侧偏力。当有地面侧向反作用力时，

若车轮是刚性的，则可以发生两种情况

:1)当地面侧向反作用力FY未超过车轮与地面间的附着极限时，车轮与地面间没有滑动，

车轮仍在其自身平面cc内运动(图4-1-4)2)当地面侧向反作用力FY达到车轮与地面间的附着极限时，

车轮发生侧向滑动，

若滑

动速度为Δu，车轮便沿合成速度的方向行驶，

偏离了cc平面。试验及评价汽车稳态稳定性《汽车理论与性能评价》三、查阅标准，明确稳态稳定性检测项目（2）轮胎的侧偏现象与侧偏力图4-1-4

有侧向力作用时刚性车轮的滚动

试验及评价汽车稳态稳定性《汽车理论与性能评价》三、查阅标准，明确稳态稳定性检测项目（3）轮胎侧滑当车轮有侧向弹性时，即使还没有达到附着极限，

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。下面讨论具有侧向弹性车轮，

在垂直载荷为的条件下，受到侧

向力矩作用后的两种情况

:1)车轮静止不动时由于车轮有侧向弹性，轮胎发生侧向变形，轮胎与地面接触印迹长轴

线aa与车轮平面cc不重合，错开Δh，但aa仍平行于cc，如图4-1-5a所示。2)车轮滚动时接触印迹的长轴线aa，不只是和车轮平面错开一定距离，而且不再与车轮

平面cc平行。图4-1-5b所示车轮的滚动过程中，车轮平面上点A1、A2、A3、

….落在地面上，

依次形成点A'1、A'2、A'3、点A'1、A'2、A'3的连线aa与车轮平面cc的夹角a即为侧偏

角。车轮就是沿着aa方向滚动的。显然，侧偏角a的数值是与侧向力FY有关的。试验及评价汽车稳态稳定性《汽车理论与性能评价》三、查阅标准，明确稳态稳定性检测项目（3）轮胎侧滑试验及评价汽车稳态稳定性《汽车理论与性能评价》a)静止b)滚动轮胎的侧滑现象图4-1-5三、查阅标准，明确稳态稳定性检测项目（3）轮胎侧滑图4-1-6给出了一条由试验测出的侧偏力一侧偏角曲线。曲线表明，侧偏角不超过5

°时，

F与α成线性关系。汽车正常行驶时，侧向加速度不超过0.4g，侧偏角不超过4

°~5

°

,可

以认为侧偏角与侧偏力成线性关系。

F-

α

曲线在=0

°处的斜率称为侧偏刚度k，单位为N/rad或N/(

°)。由轮胎坐标系有关符号规定可知，负的侧偏力产生正的侧偏角，

因此侧偏

刚度为负值。小型轿车轮胎的k值约在-28000～-80000N/rad范围内。侧偏刚度是决定操纵稳定性的

重要轮胎参数。轮胎应有高的侧偏刚度(指绝对值)，以保证汽车良好的操纵稳定性。试验及评价汽车稳态稳定性《汽车理论与性能评价》试验及评价汽车稳态稳定性三、查阅标准，明确稳态稳定性检测项目图4-1-6

轮胎的侧偏特性《汽车理论与性能评价》（3）轮胎侧滑三、查阅标准，明确稳态稳定性检测项目4.车厢侧倾角定义车厢在侧向力作用下绕侧倾轴线的转角为车厢侧倾角。车厢侧倾角是和汽车操纵稳定性及平顺性有关的一个重要参数。侧倾角的数值影响到汽

车的横摆角速度稳态响应和横摆角速度瞬态响应。侧倾角本身也是评定汽车操纵稳定性的

一个重要指标。过大的侧倾角使驾驶员感到不稳定、不安全。对平顺性而言，

侧倾过大的

汽车，乘客感到不舒适。侧倾角过小，悬架的侧倾角刚度大，汽车一侧车轮遇到凸起或凹

坑时，车厢内会感受到冲击，平顺性较差。试验及评价汽车稳态稳定性《汽车理论与性能评价》三、查阅标准，明确稳态稳定性检测项目5.车厢侧倾角的计算方法汽车作稳态圆周行驶时，车厢侧倾角决定于侧倾力矩Mφr与悬架总的角刚度kφr，即：

4-1-1其中侧倾力矩Mφr主要由悬挂质量离心力引起的侧倾力矩、侧倾后悬挂质量重力引起的

侧倾力矩以及独立悬架中非悬挂质量离心力引起的侧倾力矩三部分组成。而悬架总的侧倾

角刚度kφr等于前、后悬架及横向稳定杆的侧倾角刚度之和。已知Mφr及kφr

，即可求得车厢侧倾角。轿车车厢倾角与侧向加速度成正比例关系。根据大量试验数据，

日本汽车研究所给出

1987年轿车的平均侧倾角增益为7.46(

°)/g，1996年的平均值为7.00(

°)/g。试验及评价汽车稳态稳定性《汽车理论与性能评价》四、搭建稳态稳定性能试验场景1.试验准备参考资料4-1-3

汽车稳态稳定性能试验条件试验及评价汽车稳态稳定性《汽车理论与性能评价》四、搭建稳态稳定性能试验场景2.试验设备汽车操纵稳定性测试系统常用的试验设备有GPS车速仪、转向盘测力仪、数据采集系

统、陀螺仪等(如图4-1-7所示）。图4-1-7

整车操纵稳定性测试系统

试验及评价汽车稳态稳定性《汽车理论与性能评价》四、搭建稳态稳定性能试验场景（1）汽车车速仪非接触式车速仪或GPS车速仪（内容详细见项目4.1.3）。（2）转向盘力矩、转向盘转角测量仪测量转向盘的力矩、转角和力。转向盘参数测试仪通常称为测力方向盘，测试时套装

在汽车的转向盘上，不影响对原车辆转向盘的操作。试验及评价汽车稳态稳定性《汽车理论与性能评价》a)转向盘参数测试仪（型号1）

b)转向盘参数测试仪（型号2）

c)转向盘参数测试仪固定方式

d)转向盘参数测试仪应用场景图4-1-8

转向盘参数测试仪试验及评价汽车稳态稳定性四、搭建稳态稳定性能试验场景《汽车理论与性能评价》四、搭建稳态稳定性能试验场景（3）汽车操纵稳定性测试仪操纵稳定性测试仪测量车身的侧向加速度、横摆加速度、侧倾角。主要由垂直陀螺仪、

带水准仪传感器、显控器、电源电缆、连接电缆和遮光罩等组成。带水准仪传感器内有

全浮速率陀螺仪、加速度计、电源变换器、解调放大器以及反馈放大器等。试验及评价汽车稳态稳定性《汽车理论与性能评价》四、搭建稳态稳定性能试验场景（3）汽车操纵稳定性测试仪陀螺仪，又叫角速度传感器，是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置，

同时，利用其他原理制成的角运动检测装置

起同样功能的装置也称陀螺仪。陀螺仪侦测的是角速度。其工作原理基于科里奥利力的原理:当一个物体在坐标系中

直线移动时，假设坐标系做一个旋转，那么在旋转的过程中，物体会感受到一个垂直的

力和垂直方向的加速度。在汽车操纵稳定性试验中，

一般选用三自由度陀螺仪测量横摆、俯仰、侧倾的角度。陀螺仪常见的类型是电子式和光纤式，它们可以测量的参数的范围更广，部分产品可试验及评价汽车稳态稳定性以测量三个方向的角度、角速度和加速度等。《汽车理论与性能评价》四、搭建稳态稳定性能试验场景图4-1-9

某型号电子陀螺仪

试验及评价汽车稳态稳定性《汽车理论与性能评价》四、搭建稳态稳定性能试验场景（4）多通道数据采集系统多通道数据采集系统组成、试验软件展示、系统试验场景等信息如图4-1-10所示。具

体调试操作步骤如图4-1-11所示。有些软件可以对数据进行一些简单的预处理和计算，例如:Dewesoft、VBOXTools。试验及评价汽车稳态稳定性《汽车理论与性能评价》试验及评价汽车稳态稳定性四、搭建稳态稳定性能试验场景《汽车理论与性能评价》a)多通道数据采集系统典型组成多通道数据采集系统图4-1-10e)转向轻便性试验数据采集处理软件

f)转向回正试验数据采集处理软件

g)转向盘中心区试验数据采集处理软件图4-1-10

多通道数据采集系统

试验及评价汽