汽车操纵稳定性的影响因素
(1)前轮定位参数的影响
前轮定位参数包括前轮的外倾角、主销外倾角、主销后倾角和前束(前束角)。
前轮外倾角是指汽车通过前轮中心的横向平面与前轮平面的交线与地面垂直线所形成的角度,前轮外倾角一般在1左右,如图1所示。它的主要作用是在汽车行驶时将轮毂压入内轴承,以减轻外端的轴承负荷。同时可以防止前轮因前轴变形和主销孔与主销间隙过大而向内倾斜,减少轮胎着地与主销轴线与地面交点的距离,从而使转向轻便。
主销倾角是指主销轴线与汽车横向平面内地面垂线之间的夹角,如图2所示。主销倾角对操纵稳定性的影响主要是扶正力矩,扶正力矩是前轮转动时系统势能提高产生的前转正力矩,与侧向力无关。所以可以说,主销倾角在低速时主要起扶正作用,“后倾距离”在高速时主要起扶正作用。
主销后倾角是指主销轴线与汽车纵向平面内地面垂直线之间的夹角,如图3所示。主销后倾角对车辆操纵稳定性的影响主要是由“主销后倾角阻力”引起的,它使地面侧向力对轮胎产生一个扶正力矩,这个力矩产生一个类似于轮胎侧向角的附加转向角,这个附加转向角与侧向力成正比,使车辆趋向于增加转向不足,有利于改善车辆的稳态转向特性。如果主销后倾角减小,则回正力矩变小,当对方向盘的扰动力矩大于方向盘的回正力矩时,就会发生摆振。
前轮的外倾角随着负载的变化而变化。车辆转弯时,在离心力的作用下,车身向外倾斜,外侧车轮悬架处于压缩状态,车轮外倾角逐渐减小(变为负外倾角);内轮悬挂处于伸展状态,削弱了原本变为道路负外倾角的外倾角。从而提高车轮承受侧向力的能力,大大提高汽车转弯时的稳定性。前轮的前束(如图4所示)不能太大。如果前束过大,车轮外倾角和主销后倾角会减小,前轮会摆动,导致蛇行和转向操作不稳定。
前悬架导向机构的几何参数决定了前轮定位参数的变化趋势和变化率。车轮跳动时,外倾角的变化包括两部分:车身侧倾引起的外倾角变化和车轮相对车身跳动引起的外倾角变化。在双横臂独立悬架中,前一种变化使车轮向车身侧倾方向倾斜,即外倾角增大,导致轮胎侧偏刚度降低,从而增加整车的转向不足效应;后一种变化取决于悬架的上臂和下臂之间的几何关系。在双横臂结构中,外倾角往往随着弹簧压缩行程的增大而减小,这与车身侧倾引起的外倾角变化相反,会产生转向过度的趋势。
(2)后悬架结构参数的影响。
后悬架结构参数对车辆操纵稳定性的影响类似于前悬架的“干涉转向”。汽车转弯时,由于车身的侧倾,独立悬架的左右轮间距发生变化,外轮跳起,与车身的距离缩短,内轮下拉,与车身的距离增大。随着悬架结构参数的不同,车轮上下跳动时,车轮前束角必然会有不同的变化。前轮前束是指汽车的转向前端向内收缩,使得两个前轮前端之间的距离小于后端之间的距离。两个车轮前后距离之差,称为前束值,一般不大于8 ~ 12 mm,其作用是消除滚动时前轮向外分离,导致车轮边拖边滚的现象,引导前轮沿直线行驶。
(3)稳定杆的影响
稳定杆常用于提高悬架的侧倾刚度或调节前后悬架的侧倾刚度比。汽车转弯时,可以防止车身产生较大的侧滚和侧向角振动,从而保证汽车良好的行驶稳定性。提高稳定杆刚度后,前悬架的侧倾角刚度增大,转向时左右轮载荷变化增大,前桥各轮平均侧倾角刚度减小,车辆转向不足量增大。在前悬架中使用硬稳定杆有助于改善汽车的不足转向和汽车的蛇行性能。
(4)轮胎的影响
轮胎是影响汽车操纵稳定性的重要因素。提高轮胎的承载能力,尤其是后轮的承载能力,如增大轮胎尺寸或提高水平,或将后轮由单胎改为双胎,都会改善汽车的稳态转向特性。改变后轮胎的外倾角还可以提高汽车的操纵稳定性,因为后轮胎的负外倾角可以增加后轮胎的侧偏刚度,从而减少过度转向的趋势。
(5)前桥或车架变形的影响
因为车架是汽车的基础,它的变形会直接影响各部分的连接和配合,从而直接影响操纵稳定性。汽车前轴变形,会改变主销孔的轴向位置,使主销倾角增大,外倾角减小。反之,外倾角会减小,外倾角会增大,导致行驶时转向沉重,轮胎磨伤,没有自动扶正能力。
(6)暂停的影响
当车辆受到侧向力时,车辆前后轴的垂向载荷变化是影响操纵稳定性的主要原因。如果汽车前轴左右车轮的垂直载荷变化较大,汽车有增加转向不足的倾向;如果后轮轴左右车轮的垂直载荷变化较大,车辆倾向于减少转向不足。影响前轴和后轮轴左右轮垂向载荷变化的主要因素有:前后悬架的横向刚度、悬架质量、质心位置、前后悬架侧倾中心位置等。这些参数也是影响悬架系统操纵稳定性的参数。纵向驱动力将增加前轮驱动车辆的转向不足趋势。当然,当发动机用于制动时,会使汽车倾向于增加过多的转向。因此,大功率前驱车辆在加速过程中,如果踩到底后突然松开油门踏板,车辆的转向特性会发生明显变化,甚至变成过度转向。因此,汽车会突然出乎意料地开到弯道内侧。采用能使驱动轮在制动时产生变形和转向不足的自动变速器、限差差速器(LSD)和悬架,可以减少和消除卷入现象。
后轮驱动车辆在制动发动机时,制动力增大了后轮轴的侧滑角,导致转向过度的趋势。再加上其他因素的综合影响,后轮驱动的车辆往往会“卷进去”。