重型商用车辆和客车的动力学——操纵性

19.4 操纵性

货车良好的操纵性由主动安全需求驱动。操纵性和稳定性是主动安全最重要的特性，运输效率是操纵性和稳定性的另一个重要驱动力。车辆组合进行配置以优化有效载荷的重量或体积，在不损害稳定性的情况下这样做是至关重要的。较高的速度也增加了对重型货车的操纵性和稳定性的要求，最后驾驶乐趣也是一个重要因素。

操纵性可分为三个方面:对于车辆或车辆组合，一个方面是由于转向输人或路面输入引起的方向响应;第二个重要方面是由于转向输人或路面输入引起的侧倾响应;第三个感兴趣的方面是驾驶员和车辆之间的界面，即驾驶员的车辆感觉及其控制。前两个方面处理客观性能，最后一个方面处理主观性能。

19.4.1 方向响应

货车的稳态特性以圆形试验程序确定，其中转向半径和纵向速度不变[43]转向盘转角与侧向加速度是最基本的关系，转向盘转角的导数与转向比的比值除以侧向加速度给出不足转向梯度，其是一个重要的特征值。不足转向梯度应当为正，负的不足转向梯度在某个临界速度下趋于不稳定。转向角和侧向加速度之间的关系最好是线性的，但是如果不是线性的，不足转向梯度应当随着侧向加速度的增加而增加。对于超过两轴的重型车辆，转向角和侧向加速度间的关系依赖于速度，这不同于两轴车辆的简单情况。通过使用等效轴距!的概念，多轴车辆可以处理为简单车辆[20]。图19.18给出了图19.19所示的三轴刚性货车在常速下的操纵图[21]，左右转向响应不同是由转向系统刚度不对称引起的。

仍然存在一个重要的非线性，即转向刚度与轮胎垂向力间的关系，图19.22给出了前述同一轮胎的这种关系。

由于左右车轮载荷的转移，这种非线性导致总的轴转向刚度降低。当载荷转移大时，这种降低更为明显，即对应于大加速度。

利用转向柔度替代转向刚度是有利的。转向柔度是转向系数的倒数，其为转向刚度对垂向力归一化所得。前后转向柔度之间的差异决定了不足转向/过多转向行为。因此，前后轮胎的正确匹配非常重要。不足转向梯度可随侧向加速度变

轮胎特性通过测量获取，不仅取决于磨损状态，也取决于测量时的温度和测量设备。因此，必须小心对比测量结果。货车轮胎的转向能力、寿命和滚动阻力等大多数特性有着巨大发展。主要步骤之一是从斜交轮胎转换为子午线轮胎。对于乘用车，研发低轮轮胎以减小转向柔度。对于货车，低轮廓轮胎主要用于减小轮胎外径以提高承载能力。乘用车轮胎和货车轮胎的另一个区别是，胎压降低时转向刚度的变化。乘用车轮胎转向刚度通常是减少的，而货车轮胎转向刚度则是增加的，这一增长显然是有极限的。如果轮胎发生爆炸且轮胎完全放气，则转向刚度将接近于零。这明显改变了车辆的特性，可能导致不稳定性。如果后轴的双胎被单轮替代，必须采取特殊的预防措施以防止不稳定性的风险。然而，前轴轮胎发生爆炸也可能导致事故。在这种情况下，适度的侧拉使货车易于转向和制动，但是如果驾驶员由于某些原因没有充分集中注意力，导致其反应过慢，可能会发生事故。因此，货车上需要一个低压安全轮胎，在胎压突然损失时可以保持其主要性能。

19.4.1.2 悬架作用悬架引起的转向影响，如侧倾转向和柔性转向，就转向角/加速度而言产生悬架的转向柔度。这增加了轮胎的转向柔度，有助于各轴总的转向柔度。因此不足转向/过多转向行为和瞬态响应都会受到影响。让后轴引起转向的优点是诱导出不足转向，这意味着后轴的转向柔度会降低，这与增加后轮胎转向刚度的效果类似。柔性转向效果优于侧倾转向效果，因为其相位与侧向力是同步的，而侧倾转向效果是延迟的。前轴诱导的不足转向也增加了不足转向梯度，这不如在后轴上有利，因为其不会有效改善瞬态特性。当车轮在车轴共振时跳动，阻尼差的悬架可能导致抓地性损失。由于松弛效应，这将引起轮胎侧向力能力的降低。后轴抓地性损失会引起不稳定性，前轴抓地性损失会引起车辆失去转向。

行进梁式的转向架易于降低抓地性，特别是空载和部分装载时，因为其有附加的、非常小阻尼形式的转向架俯仰，如图19.25所示。在不平路面上，这可能会引起转向架跳动，造成重叠。因此，转向架必须配置黏性减振器。

19.4.1.3 转向系统

很多原因导致转向系统对于操纵性十分重要。转向盘与车轮间的柔性增加前轴的总转向柔度，并增加了车辆的不足转向。没有这一柔性，许多货车实际会过多转向。由于成本效益考虑，重型货车的前悬架常使用钢板弹簧作为弹性

件。只要采用刚性轴，就可能保持这种方式，这使得转向几何设计更加困难。为了控制转向误差，必须足够了解钢板弹簧的运动学特性。例如，侧倾中心的位置和侧倾轴线的倾斜。有时会有意保留转向误差以产生侧倾转向，增加不足转向。但是不推荐这样做，因为转向误差可能也会产生不期望的制动转向和颠簸转向。为了最小化转向误差，在所有方面达到良好的转向特性，不仅要考虑转向运动学，还要考虑所有柔性。

另一种现象是转向抖动，其特征是转向装置中较大的瞬态力传递到转向盘上。这可能发生在坑洼和坏的路面上，由转向误差和前悬架不利的运动学引起。在这种情况下，无论如何都很容易得到结论，因为转向抖动发生在轴共振时。大幅度增加轴阻尼将缓解这个问题，但是可能会导致大的平顺性问题。另一个不是聪明的减少转向抖动的方法，是增加转向齿轮中的助力，其缺点是损失转向感觉。

转向系统中的摩擦是不可避免的，其是一把双刃剑。优点是因为在转向系统中阻尼是必需的以避免摆振和摆动，足够量的摩擦可以在系统中避免使用黏性减振器。缺点是因为其恶化了转向感觉。因此，需要好的折中。然而，转向盘和转向装置之间的摩擦应最小化。

19.4.1.4 转向后轴

为了改善低速机动能力，避免车轮滑擦，重型货车越来越多地频繁使用转向后轴，这会影响方向反应。有两种类型的后轮转向。最简单的一种是自转向，这意味着几乎不产生轮胎侧向力。除非转向系统中摩擦较大，否则自转向会导致摆振。发生这种情况是由于轮胎松弛轮胎侧向力滞后于转向角。因此，自转向轴需要减振器以避免摆振。另一种是强迫或主动转向，这意味着后轮转向角与前轮转向角成正比。在这种情况下，产生轮胎侧向力，但是比刚性轴的情况低。在这两种情况下，导致增加后转向柔度，减少不足转向和减慢瞬态响应[24]。由于这会损害操纵性，转向轴应当在一定相当低速时锁定。对于自转向，情况必须始终如此，这也同样适用于拖车的应用。强迫转向以这种方式使后轮有明显的转向潜力，如果后轮采用线控转向，常速下货车的响应变得更快。这可以简单地通过与前轮成比例反向转向后轮或主动转向实现，通过控制横摆速度或其他状态变量实现[25]

19.4.2稳定性

单体货车很少发生横摆不稳定性的情况，其需要一辆过多转向的车辆超过临界速度或特殊操作下才会发生，更可能发生在低摩擦而不是高摩擦的路面上。特殊的环境，例如一辆空的牵引车在转向时制动，可能会导致非周期的横摆不稳定性。另一方面，侧倾不稳定性经常发生。当超过侧倾值时，其容易发生在稳态或准稳态的情况下，稳态侧倾阈值与实际交通中侧倾的风险之间有很强的相关性[26]。侧倾极限主要由轮距和重心高度决定，但是也受其他因素，如各种柔度和冲击的影响。悬架的柔性和冲击非常重要，但是轴间侧倾刚度的分配也是重要的。车架的扭转柔度有重要影响，如图19.26所示。将装载的车辆调转180°变成头对头，使重量转移更加靠近车轴，可降低车架的挠度，增加侧翻值单体车辆通常作为建筑用车和配送用车。在长途运输中，这种车型很少，原因当然是运输效率。在给定约束条件下，涉及尽可能多地运输货物。

由于组合车辆比单体车辆更加复杂，如果组合车辆各方面的动力学不明确可能会遇到问题。通常，组合车辆的具体行为是，对转向输入的响应或多或少关有阻尼的振荡运动。最坏情况下，这些振荡会导致实际的不稳定性，其中阻尼是负的，振荡成为自激运动。在其他情况下，它们可能会导致第一个车辆单元的运动放大，从牵引车到组合车辆中最后的挂车。后方侧向加速度的放大，可能会与致最后的挂车侧翻;后方横摆速度的放大，可能导致最后的挂车滑出道路或撞上其他车辆。常用的动态稳定性的特征值是后方的放大和阳尼。图19.27给出了个由货车/中心轴挂车组合的乘用车运输车，这种特殊组合的阻尼较小且非常敏感，振荡非常容易由转向输入、道路车辙和阵风激起。

每种类型的组合车辆都要单独研究，但是有一些指导原则适用于最大动态稳定性:铰接接头数量尽可能少，对耦合点悬臂尽量减小，挂车轴距要长，挂车轮胎转向刚度要高，并且所有车辆单元的重心高度应尽可能低[27-29]

高货柜货物是一种趋势，这导致了低底盘，因为这是可以增加载货量的唯方式。这样不可避免地会使得轮胎直径变小和悬架行程减小，这对振动环境和动态稳定性是不利的。因为小轮胎通常转向能力较弱，导致稳定性问题。模块化的

当侧向加速度接近静态侧翻阈值时，侧翻控制介人，通过切断发动机力矩和车轮制动降低速度，如图19.29所示。如果车轮产生离地现象，则使用全制动功率。

或间距控制。在长时间驾驶情况下，驾驶员应感觉舒适和放松。重要的是要理解驾驶员和车辆构成了一个系统。驾驶员充当一个控制器，从大量资源获得反馈发出指令对车辆进行控制。因此，了解驾驶员对什么刺激会做出反应是重要的为了将驾驶员的数学模型包含到车辆模型中，也必须了解驾驶员如何反应。有很多感知的渠道[33]，最重要的一个是视觉。如果驾驶员不能看到道路，例如由于雾，其无法驾驶。另一个渠道是车辆的运动:平动和旋转，其可以通过内耳或身体分布得到。触觉输入最终来自于控制、转向盘和踏板，最重要的触觉渠道可能是转向盘的力和位移。重要的是了解驾驶员对车辆行为的感知和各种车辆动力学特性之间的相关性，具有大的运动平台的驾驶模拟器是调查这些关系的优秀工具[34]。图19.31展示出瑞典国家公路和运输研究所VTI的高性能驾驶模拟器。

客观特性值由方向响应研究获取，其很好地与车道变换和避障操纵主观的感受相关，它们也是中心区操纵性感知相关参数的一部分。不足转向梯度和横摆速度相对于转向盘转角的增益都有最佳值，响应时间应尽可能短。对于中心区操纵性感知，触觉感官渠道非常重要。其中更重要的关系是转向盘力矩和侧向加速度之间的关系。梯度和滞后都与主观感受密切相关。不受控制的货车运动，主要是侧倾，对中心区操纵性感知是不利的。

当前，线控转向用于转向后轴。未来，也可以看到前轮的线控转向。这给调节转向特性和优化触觉界面提供了扩展的可能性，也提供了适应驾驶员个人喜好转向的可能性。重要的是了解驾驶员如何对各种刺激进行反应，拥有主动控制系统和各种驾驶员辅助系统的知识，驾驶员行为如何受这些系统的影响也是至关重要的。

驾驶员对非线性动力学非常适应，即其为非常稳定的控制器。例如一个驾驶员，至少有一些驾驶员可以在超过临界速度时，处理过多转向特性的车辆行驶尽管它是不稳定的。另一个例子是前轮爆胎的情况，当一个前轮胎几乎失去所有的转向刚度时，虽然这辆货车动力学变化很大，但是驾驶员适应这种新的特性毫无困难，并且通过各种操作跟随预设的路线行驶，不进行制动或进行制动。色而，如果驾驶员没有集中注意力驾驶，在其采取行动时仍然有长的反应时间，驾驶模拟器的测试证实了这点。结果表明，只有爆胎第一次发生时，反应时间才长。如果在同一测试中再次发生，驾驶员已经做好准备，并且相应进行操作[35]

本文摘编自《车辆系统动力学手册 第2卷，整车动力学》 ，机械工业出版社出版，经出版方授权发布。

本丛书对车辆系统动力学建模、分析与优化，车辆概念和空气动力学，充气轮胎和车轮-道路/越野，车辆子系统建模，车辆动力学和主动安全，人机相互作用，智能车辆系统，以及车辆事故重建被动安全进行了全面描述。

本丛书由来自23所大学与9家知名企业的50余位专家共同编写，以科学界与工业界的视角对知识结构进行了平衡，代表了目前车辆系统动力学技术发展的水平，适合汽车工程师与汽车专业师生阅读使用。