汽車行駛性能的主觀評價(9)-轉向特性

轉向特性是指車輛在行駛和停車過程中，通過施加轉向輸入，車輛所表現(xiàn)出的動態(tài)響應以及包括轉向感覺、轉向反饋和轉向做功在內(nèi)的車輛轉向特性。

單項標準的評價包括下列最重要的幾個方面：

■ 直線行駛時的轉向特性（圖 9.1）

■ 轉向力特性（圖 9.2）

■ 轉向振動（圖 9.3）

■ 彎道行駛時的轉向特性（圖 9.4）

圖 9.1?直道行駛的轉向特性

圖 9.2 轉向力特性

圖 9.3 轉向振動

圖 9.4 彎道行駛的轉向特性

9.1 轉向特性

響應時間、車輛運動的建立、側向運動和橫擺運動的振蕩超調(diào)及殘留振動等指標可以用來評價車輛的轉向特性。當車輛行駛方向改變時（駛入彎道、變道等）車輛對于轉向操作的響應可以分成若干不同階段進行評價。在駕駛員給出轉向操作后的第一階段中，主要關注行進軌跡的改變、車輛的橫擺和側傾運動的形成過程及車輛如何過度至準穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。

路面狀況：干燥及濕滑的平直路面

行駛工況：在直線行駛過程中，使車輛迅速轉向。根據(jù)不同車速，改變轉向角度和轉向速度，以保證轉向過程介于正常行駛狀態(tài)和極限行駛狀態(tài)之間。轉向后迅速回打方向盤。

研發(fā)目標：車輛應該自發(fā)且線性的對轉向輸入做出響應。時間和相位延遲或車輛的過度響應都應避免。

圖 9.5 轉向傳動比

影響因素：靜態(tài)和動態(tài)轉向傳動比

伺服轉向的轉向特性曲線

側傾支承（彈簧、穩(wěn)定桿、阻尼）

前、后橋的側傾運動學

前、后橋的彈性運動學（尤其是在有側向力的情況下）

軸荷分布

車輛的轉動慣量

空氣動力學參數(shù)（前、后軸的升力/壓力系數(shù)）

輪胎特性（車輪和輪胎尺寸、特征參數(shù)，如輪胎側偏剛度等）

9.2 響應特性（圖 9.1）

車輛在直線行駛狀態(tài)下，施加很輕微的轉向輸入，考察車輛從多大的轉向角度和轉向力矩開始車輛發(fā)生側向運動。與評價轉向特性（9.1節(jié)） 時采用的轉向行駛工況相比，下面將采用的行駛工況不是為了改變行駛方向，而是為了保持當前的行駛軌跡，如抵制側風干擾或者抑制路面誤差（縱向溝槽、道路線形影響等）。

路面狀況：干燥及濕滑的平直路面、有縱向溝槽和不同線形的路面。

行駛工況：車輛在穩(wěn)定直線行駛狀態(tài)下，施加正弦或者無規(guī)則轉向輸入。轉角幅度從很小開始逐漸增大，直到車身產(chǎn)生明顯側向運動。改變車速后重復該工況。

研發(fā)目標：車輛在很小的轉角激勵下應該產(chǎn)生響應。轉角大小和轉向力矩應該成比例增加。不允許間隙、滯后、摩擦、彈性或慣性等因素對轉向特性產(chǎn)生影響。為了保證直線行駛的穩(wěn)定性，應使轉向角度隨同車速提高而穩(wěn)步增大。

影響因素：轉向系統(tǒng)的彈性

前、后橋運動學和彈性運動學（尤其在微小的側向力作用下）

伺服轉向的轉向特性曲線

轉向系統(tǒng)的摩擦

軸幾何尺寸的設置

輪胎特性（車輪和輪胎尺寸、特征參數(shù)，如輪胎側偏剛度等）

9.3 溝渠效應（只適用于伺服轉向車輛）

溝渠效應描述了駕駛員的感受——在平直路面上直線行駛的車輛仿佛開在溝渠地里。此時將評價以下兩點：此時方向盤中間位置的感覺有多好，以及將車輛駛出“溝渠”的話需要何種的轉向感覺。

路面狀況：雙車道平直路面。

行駛工況：中、高車速（80km/h 到最高車速）下保持穩(wěn)定行駛。首先直線行駛，隨后適度轉向，比如迅速超車動作。

研發(fā)目標：正確的轉向特性應該保證明顯的、可感知的自回正性能。直線行駛過渡到轉向行駛的過程應該平順（圖 9.6）。轉向盤力矩在較高車速下應足夠大，以獲得較高的抗干擾能力，如類似于側向風引起的外部干擾。

圖9.6伺服轉向的轉向特性曲線

影響因素：轉向特性曲線

伺服閥的結構（扭轉剛度、控制回路、控制角度）

轉向回正的運動學設計（主銷后傾、主銷內(nèi)傾）

輪胎特性（車輪和輪胎尺寸，特征參數(shù)，如輪胎側偏剛度等）

9.4 轉向中位感覺

轉向中位感覺描述了車輛在較高車速范圍內(nèi)的直線行駛穩(wěn)定性和自回正特性。為評價這一特性，可以觀察微小轉向輸入下的轉向盤轉角、轉向盤力矩和橫擺響應等指標。在轉向并松開方向盤后，考察方向盤能否完全回正到直線行駛狀態(tài)，同時車輛是否需要轉向校正來保證在原車道上行駛。

路面狀況：均質(zhì)表面的平直路面

行駛工況：車輛在不同車速下（從 120km/h 到最高車速）保持直線行駛狀態(tài)，使車輛輕微轉向，以獲得最小的行駛路線改變（根據(jù)車速的不同，方向盤轉角介于 3-10 度之間）。方向盤在轉動后首先會回正。在其它行駛工況中也將撒手松開方向盤。

研發(fā)目標：車輛在轉向時應該有無間隙、無滯后的橫擺響應?；卣卦谌魏诬囁賲^(qū)間內(nèi)都應該足夠大，以克服車輪懸架和轉向系的滯后響應，并保證車輛準確的自回正特性。

影響因素：轉向回正的運動學設計（主銷后傾、主銷內(nèi)傾）

轉向系統(tǒng)和前懸架的彈性、阻尼和摩擦

前后橋（特別是后橋）的側向彈性

輪胎特性（車輪和輪胎尺寸、特征參數(shù)，如輪胎側偏剛度等）

9.5 轉向力水平（圖 9.2）

轉向性能（轉向特性、轉向做功、轉向感覺等）一般可以通過由多個變量組成的特性場來描述。但是有關轉向的主觀評價就相對復雜，費用也更高。通常情況下，只有通過分析和結合不同的行駛工況（車速、側向加速度、發(fā)動機轉速、轉向盤轉角、工作溫度、軸荷、輪胎寬度/溝槽深度等）才能對其進行評價。根據(jù)不同的車速、彎道半徑和側向加速度，可以評價車輛在中間位置、線性區(qū)域和原地轉向情況下的轉向力水平。

9.5.1 中間位置的轉向力水平（圖 9.2）

在小側向加速度情況下（依賴于車速），評價轉向盤力矩和轉向保持力矩。

路面狀況：水平、干燥、的直線雙車道路面，不同的路面情況（干燥、濕滑）

行駛工況：車輛在中、高車速下（60km/h 到最高車速）直線行駛，然后以很小的側向加速度平滑地變道。

研發(fā)目標：轉向盤力矩和轉向保持力矩應該隨著車速的增加而增加，以獲得所有車速范圍內(nèi)足夠的自回正性能。轉向系統(tǒng)對外界的干擾應有足夠高的魯棒性，同時轉向系統(tǒng)可以在保證轉向舒適性的前提下，把車速信息反饋給駕駛員。

圖9.7 不同類型的車輛在不同行駛工況下側向加速度和轉向盤轉矩間的關系

圖 9.8?受車速影響的伺服轉向轉向特性曲線

影響因素：靜態(tài)和動態(tài)轉向傳動比

伺服轉向的轉向特性曲線軸幾何尺寸的設計

輪胎特性（車輪和輪胎尺寸，尤其是輪胎寬度、特征參數(shù)，如輪胎側偏剛度、輪胎磨損等）

軸載分布

9.5.2 線性區(qū)域下轉向力水平

線性區(qū)域下轉向力水平描述了車輛在彎道中以中、高側向加速度行駛時的轉向感覺、轉向做功和轉向順暢程度，主要評價不同車速和側向加速度下的轉向盤轉角、轉向盤轉力矩和轉向保持力矩。

路面狀況：水平、干燥、由不同曲率半徑組成的路面。如操縱性能測試路段，不同路面條件（干燥、濕滑）

行駛工況：車輛以不同的速度在路面上行駛，直到車速達到路面附著極限。

研發(fā)目標：轉向盤力矩和轉向保持力矩應該基本相同（僅有細微的遲滯），并隨著車速和側向加速度的增加成比例增加。通過觀察轉向盤力矩—側向加速度曲線梯度的下降，可以辨識出是否達到路面附著極限（圖 9.7）。當最大值出現(xiàn)時，轉向舒適性和操縱性應該不受影響?？偟牧靥匦詰搶⑺_到的側向加速度和車輛的側向引導后備能力回饋給駕駛員。

影響因素：靜態(tài)和動態(tài)轉向傳動比

伺服轉向的轉向特性曲線軸幾何尺寸的設計

前、后橋運動學和彈性運動學

輪胎特性（車輪和輪胎尺寸、特征參數(shù)，如回正力矩等）

軸荷分布

縱向動態(tài)載荷分布

9.5.3 原地轉向力水平

在不同的駐車工況下，評價轉向盤力矩和轉向盤轉角。路面狀況：水平、干燥、附著能力強的路面

行駛工況：車輛在原地緩慢轉動過程中，向左、向右分別打足方向盤。使用不同寬度輪胎和接近磨損極限的輪胎進行評價。

研發(fā)目標：轉向盤力矩和方向盤轉角應該盡可能小。使用接近磨損極限的輪胎時，作用在方向盤上的力不允許超過 200N。轉向盤力矩在觸碰擋塊后，不可以反向變化（輪胎自動轉向）。

影響因素：靜態(tài)轉向傳動比

伺服轉向的轉向特性曲線 軸幾何尺寸的設計

轉向幾何尺寸（阿克曼近似、阿克曼轉向輪偏轉角，圖 9.9）

輪胎特性（車輪和輪胎尺寸、特征參數(shù)，如回正力矩等）

前軸載荷

圖 7.26 穩(wěn)態(tài)轉向運動學（阿克曼轉向角）

9.6 緊急轉向 （僅用于伺服轉向）

緊急轉向指在車輛突然轉向時轉向助力的不穩(wěn)定性。一名熟練的駕駛員可以在此情況下將方向盤轉動速度提高到 800—1000 度/秒。該行駛工況模擬了躲避突發(fā)、危險情況時的階躍式轉向動作，并評價該工況起始階段時，轉向盤力矩隨轉向盤轉角和轉向速度的變化情況。

路面狀況：均質(zhì)表面的平直路面或者有障礙物的路面

行駛工況：車輛首先保持直線行駛狀態(tài)，然后以可能的最高速度轉動方向盤，單次或多次重復變道。改變轉向速度、轉向盤轉角、車速和發(fā)動機轉速。

研發(fā)目標：轉向盤轉角和轉向盤力矩應成比例增加。駕駛員不應該感覺到轉向助力的衰減或者中斷。

影響因素：轉向助力的設計/動態(tài)特性/后備的轉向助力（流量、管路截面，管路彈性， 伺服轉向特性場）

9.7 轉向回正的超調(diào)

車輛從彎道行駛進入直線行駛的過程中，通過轉向盤轉角的振幅和阻尼評價轉向回正特性。

路面狀況：從不同曲率半徑的彎道過度到直道并具有不同附著特性的路面（比如：右轉進入直道）

行駛工況：車輛從彎道行駛轉入直線行駛的過程中，駕駛員根據(jù)車輛狀態(tài)放開轉向盤， 任其自由回正?？梢酝耆畏较虮P自由回正也可以讓駕駛員用手扶著方向盤回正。在該工況中車速和車輛加速度可變。（比如：模擬轉彎或者斜穿行駛工況）

研發(fā)目標：超調(diào)的幅度應該盡可能小，并快速衰減。車輛在趨于穩(wěn)定的行駛過程中，應該能夠很好的保持原先給定的車道寬度。方向盤轉動幅度在任何情況都不允許變大。

影響因素：轉向系統(tǒng)的彈性、轉動慣量和阻尼

轉向回正設計（主銷后傾角，主銷內(nèi)傾角）

抗側傾設計（彈簧、穩(wěn)定桿、阻尼）

輪胎特性（車輪和輪胎尺寸、特征參數(shù)，如回正力矩等）

9.8 直線行駛時變向引起的來回擺動

車輛在直線行駛過程中，突然轉向（類似于避讓突然出現(xiàn)的障礙物工況），評價車輛的橫擺特性和其回復穩(wěn)定位置的擺動歷程。

路面狀況：均質(zhì)表面的平直路面

行駛工況：車輛以不同的車速（從 80km/h 到最高車速）保持直線行駛，然后施加劇烈的、懸架側傾固有頻率范圍內(nèi)的正弦激勵，隨后繼續(xù)保持直線行駛。整個過程中駕駛員不可以松開轉向盤。

研發(fā)目標：車輛的橫擺運動應該盡快衰減。

影響因素：前、后橋的側向彈性。

前、后橋運動學和彈性運動學。

抗側傾設計（彈簧、穩(wěn)定桿、阻尼）

輪胎特性（車輪和輪胎尺寸、特征參數(shù)，如側偏剛度等）

9.9 彎道行駛后的殘留轉向效應

車輛進入彎道行駛后，評價車輛回復到穩(wěn)態(tài)直線行駛狀態(tài)的響應。特別值得關注的是前、后橋的殘留轉向效應以及轉向力矩的波動。

路面狀況：均質(zhì)表面的平直路面，從彎道過度到直道

行駛工況：車輛從彎道（圓周行駛或變道行駛）進入直道行駛。車速（80—140km/h）、側向加速度和轉向速度可變。

研發(fā)目標：車橋的殘留轉向效應不應該被感覺到。轉向行駛工況后，前、后橋上側向力引起的轉向角和側向彈性應該同時、無相位滯后的消除。不希望產(chǎn)生轉向盤力矩的波動和擾動。

影響因素：彈性運動學（尤其在受側向力的作用下）

前、后橋的側傾運動學

前、后橋（尤其是后橋）的側向彈性

輪胎特性（車輪和輪胎尺寸，特征參數(shù)，如側偏剛度等）

9.10 目標精確度

目標精確度描述了快速轉向時的行駛路線誤差和必要的轉向修正做功。最值得關注的是，行駛軌跡是圓滑流暢，還是由于許多微小的轉向修正造成棱角。

路面狀況：由不同曲率半徑的彎道組成的、表面平整或者粗糙的跑道，有長距離彎道的高速公路

行駛工況：車輛以不同的車速（100km/h 到最高車速）在跑道上行駛

研發(fā)目標：車輛應該無擾動地跟蹤行駛軌跡，對轉向修正的要求要盡可能低。如果車輛擁有好的目標精確度，那么其行駛軌跡應該圓滑和流暢。由天氣原因引起的干擾，如側向風，應該很容易被消除。

影響因素：轉向系統(tǒng)的彈性

靜態(tài)和動態(tài)轉向傳動比

伺服轉向的轉向特性曲線前、后橋的側向彈性

前、后橋運動學和彈性運動學。

空氣動力學特性

轉向回正的運動學設計（主銷后傾角，主銷內(nèi)傾角）

車軸幾何尺寸的調(diào)整

抗側傾設計（彈簧、穩(wěn)定桿、阻尼）

輪胎特性（車輪和輪胎尺寸、特征參數(shù)，如側偏剛度等）

9.11 路感

評價的是車輛反饋給駕駛員的行駛狀態(tài)和路面信息，尤其是由車速、側向加速度和轉向角要求、轉向力矩和力矩波動間的相互關系。

路面狀況：由不同表面粗糙度、不同表面特性（干燥、濕滑）、直道和不同彎道組成的路面

行駛工況：車輛以不同的速度在道路上行駛，彎道處的側向加速度位于附著極限范圍之內(nèi)

研發(fā)目標：駕駛員應該能通過觀測到的量獲得關于道路表面、摩擦特性、附著性能、當前側向加速度和附著極限儲備等足夠多的信息。反饋的程度不能降低駕駛舒適性。

前、后橋運動學和彈性運動學

底盤懸架的彈性、摩擦和阻尼

懸架彈簧、穩(wěn)定桿和阻尼的校準

輪胎特性（車輪和輪胎尺寸、特征參數(shù)，如側偏剛度等）

驅(qū)動方式

9.12 操控性

操控性描述了車輛在垂向、縱向和側向力的作用下，車輛的零部件協(xié)調(diào)工作的程度，如車輛的轉向特性，橫擺、側傾和振動特性以及轉向做功的消耗。操控性也受驅(qū)動特性和制動性能的影響。

路面狀況：平整的均質(zhì)表面，由直道和各種彎道組成的路面

行駛工況：車輛以不同的車速和不同的側向加速度在跑道上行駛。

研發(fā)目標：無論車身尺寸和重量，車輛應給人留下輕便的印象。車輛轉向所需耗費的功應該盡可能的少并且給予駕駛員反饋。緩慢、滯后或者過度響應的轉向和懸架特性都應該避免。在保證懸架舒適性的前提下，應該使車身側傾角和俯仰角盡可能小。

影響因素：懸架彈簧、穩(wěn)定桿和阻尼的校準轉向特性（轉向力矩和傳動比） 前、后橋運動學和彈性運動學

軸荷分布

車輛轉動慣量（尤其是繞 z 軸的轉動慣量）

主動懸架系統(tǒng)的設計

輪胎特性（車輪和輪胎尺寸、特征參數(shù)，如側偏剛度等）

9.13 轉向回正

轉向回正從停車到最高車速的所有車速范圍內(nèi)，根據(jù)轉向盤力矩隨轉向盤轉角、車速和側向加速度的變化過程，評價車輛的回正性能。

路面狀況：不同曲率半徑的彎道組成的平整路面

行駛工況：車輛以低、中、高車速和側向加速度在彎道內(nèi)行駛；在停車工況時，保持極低的速度并同時轉動方向盤直至鎖死。

研發(fā)目標：在任何行駛工況下，都應該有正的回正力矩。不希望出現(xiàn)負的轉向盤力矩。

影響因素：轉向回正力的運動學設計（主銷后傾角，主銷內(nèi)傾角及其在轉向過程中的變化）

轉向幾何尺寸（阿克曼近似值，阿克曼轉向輪偏轉角）

機械或者液壓回正輔助裝置（回正彈簧，伺服閥）

橫向穩(wěn)定桿的轉向效應驅(qū)動形式

輪胎特性（車輪和輪胎尺寸、特征參數(shù)，如回正力矩等）

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