第四章汽车行驶安全性

第四章汽车行驶安全性

§4-1 道路交通事故及汽车安全性分类 一、交通事故定义：车辆在道路上行驶和停放过程中，发生碰撞、辗压、刮擦、翻车、坠车、失火、爆炸等现象造成人员伤亡和车、物损坏的事件。内容：研究交通事故产生的规律，分析其原因，消除诱发交通事故的外部因素。具体地说，就是把人、车、道路及环境四者统一在一个交通系统中，探索各自及相互间的内在规律性及其最佳配合，以达到减少交通事故的目的。对于人、车、路及环境分别所需考虑的因素为：人——驾驶行车过程中接受外界信息的反应特性，驾驶员生理、心理和操作特性；车——汽车结构、性能及技术状况；路——道路几何线型路面、道路设施及道路条件变化对交通事故的影响；环境——对人和道路的影响以及对汽车性能的影响。

二、汽车安全性分类 1、主动安全性汽车本身防止、减少道路交通事故发生的性能，如制动性，操稳性等。 2、被动安全性汽车发生事故后汽车本身减轻人员受伤和货物受损的性能。 §4-2 汽车的制动性能一、地面制动力图为制动轮受力图。 ※ 1. 障阻力距（忽略） 2. 车轮惯性式中：为制动器摩擦力矩， r为车轮半径。地面制动力是制动时的外力，取决于 1) 制动器摩擦力 2) 轮胎与地面摩擦力二、制动器制动力车轮胎外缘克服制动器摩擦力所需之力：制动器制动力仅与制动器结构参数有关，它与踏板力（或气压）成正比。

三、地面最大制动力 地面制动力地面最大制动力这表明制动踏板力（或气压）上升到一定值，制动力达到地面附着力时，车轮不转——即发生抱死。也就是说：制动力是由制动器产生；制动力是受地面附着力限止的。四、车轮与地面的附着与滑移在制动过程中制动轨迹分三阶段。第一阶段：清晰花纹（近似纯滚动）式中：Va ——车轮中心速度； γro——没有制动力时车轮半径； ωw——车轮的速度。第二阶段：印迹模糊（边滑边滚）第三阶段：印迹拖滑 ωw=0 滑动率纯滚动 Va=γro·ωw S=0 纯拖滑 ωβ=0 S=100%

若令 Fxb / Fz= OA段——近似直线没有真正滑移 AB段——缓慢上升局部相对滑移缓增 BC段——下降滑动摩擦系数小于静摩擦系数 ——峰值附着系数 ——滑动附着系数在干燥路面上：在湿路面上：上述是没有侧向力的条件下讨论的。而实际制动中常有侧偏、侧滑现象，见图其中为侧向力系数，它是侧向力与垂直载荷之比。 ※ 是在S↓，侧偏角小时比较高，制动稳定性好，制动性能也好（防抱死就有这点好处）。附着系数的影响因素： 1.道路 ⑴道路材料 ⑵路面状况 2.轮胎 ⑴轮胎结构及材料 ⑵轮胎花纹 3.汽车运行速度干路面10～40 km/h 影响很小湿路面10～40 km/h 影响较大

五、制动减速度与制动距离 ※ 制动减速度反映了地面制动力，因此它与制动器制动力及附着力（抱死时）有关。对于无防抱死装置的汽车，在水平路面 ∵ ∴ ※ 此外的是指滑动附着系数例：最好的沥青、混凝土路上紧急制动时，j max可达7.8～8 m/S2 ※ 一般希望各轴都抱死 ※ 制动距离指汽车速度为V0时（空档），汽车驾驶员踩踏板开始到汽车停止为止的行驶距离。制动距离与踏板力（或气压）及路面附着系数有关。在测制动距离时，若无特殊说明一般是在冷试验条件下进行的，并规定了踏板力（气压）和路面附着系数。由于各种汽车的动力性能不同，制动性能要求也不同，小汽车车速高制动性能也高，卡车车速低，要求也稍低一些。

制动距离的分析 a—发生信号 b—踏板 c—制动力开始增长 d—踏板力达最大值 e—制动力增至最大值 f—松踏板 g—制动停车力消失 —驾驶员做出反应 —换脚时间为驾驶员反应时间 0.3～1.0 S —间隙补偿时间 —制动力增长时间为制动器的作用时间 0.2～0.9S t3 —制动持续时间 t4—制动力消除（释放）时间 0.2～1.0s 制动的全过程 1、驾驶员反应阶段 2、制动器起作用的增长阶段 3、持续制动 4、放松制动

制动距离 指t2和t3走过S2和S3. 制动距离的计算在内： Vo—制动初速度。在内： ∵ 制动减速度线性增长 ∴ 任一点车速： ∵ t=0 V=Vo ∴ t点车速为：任一点的距离： ∵ t=0 S=0 将k代入

在t2时间内的S2： 在持续制动时间t3内： ∵ 以j max匀减速运动，初速为Ve，Vg=0 ∴ 故总制动距离： ∵ 很小 ∴ 当车速以 km/h代之：影响制动距离的因素 1、 2、 —— 3、Vao ※ 使汽车停车的是持续时间； ※ 使制动器起作用时间影响不大。

六、制动效能的恒定性 冷制动——制动器起始温度＜100℃。强度制动——制动器起始温度＞300℃甚至600～700℃。 t↑ μ↓ 制动性能↓ 制动效能恒定性：抗热衰退性能。评价方法：一系列连续制动时制动效能保持程度。 ISD/DIS 6579 Vo 一定连续15次制动 J max 3 要求：不低于冷制动效能的60%（5.8 ，踏板力相同）山区：一些国家要求装辅助制动。影响因素： 1、制动器摩擦系数当200℃为0.3～0.4 2、制动器结构双向自动增力kef ↑ 双减力制动器kef ↓ 摩擦系数↓对双向自动增力影响最大。盘式制动力制动效能没有鼓式的好，但抗热衰退性能好（稳定）。水衰退：涉水时制动性能降低情况。

七、制动稳定性 制动过程中，有时会出现制动跑偏，后轴侧滑或前轮失去转向能力，而使汽车失去控制离开原来的行驶方向。定义：汽车在制动过程中，维持直线行驶或按预定弯道行驶的能力。 1.跑偏原因 ⑴汽车左右车轮特别是前左右车轮制动力不等 ⑵汽车悬架导向杆系与转向斜拉杆运动学不协调

前轮地面制动力 汽车受地面反力 Fy1 Fy2 ∵⑴Fx1L对主销的力矩＞Fx1r对主销的力矩 ⑵Fy1对主销的力矩（主销有后顷） ∴ 即使方向盘不动，由于间隙和变形也会向左转。运动学的干扰。 ∵ 车轮制动，悬架变形，前轴变形 ∴ 羊角绕主销右转（球肖在内销内侧）。 ⒉后轴滑移与前轴转向能力丧失 ⑴前轮抱死 ⑵后轮抱死 ⑶全部车轮抱死 A：前轮抱死 Fy2，L2使β减小，汽车大致按方向行驶。 B：后轮抱死 Fy1，L1使β增大，汽车绕纵轴旋转 C：全部车轮抱死无法承受侧向力，但不会旋转。结论： 1.只有后轴抱死或后轮比前轮先抱死不好； 2.尽量少出现前轴抱死或前后轴都抱死； 3.都不抱死最好。

八、前后轮制动器制动力的比例关系 由于方向稳定性与前、后轮制动力分配有关所以讨论一下前后制动力的分配。当制动力足够时（制动器制动力）会有下列情况： ⑴前轮先抱死：制动稳定，转向丧失，附着没有充分利用 ⑵后轮先抱死：制动不稳定，附着利用率低 ⑶前后轮同时抱死：可避免后轴侧滑，但前轴无转向所以前后轮制动器制动力分配比例将影响制动时方向稳定性和附着的利用率。 1.地面对前、后轮的法向反力研究制动器制动力分配必须先研究法向反力。设：⑴、水平路、 ⑵、Fω 、Ff忽略则： ……………………………… 1 若在不同的路上都能抱死，

∴ …………………………………….2 从1、2式可看出 Fz1、Fz2与呈线性关系例：NJ130 当前轮Fz1增90%，后轮Fz2减30%。 ⒉理想的前后制动器制动力分配曲线前后轮同时抱死：⑴附着条件充分利用 ⑵方向稳定性好故称为理想制动力分配曲线。在任何路面上，同时抱死的条件为或 ……….…………..3 将2式代入3再消去得

从而可以得出：Fμ2与Fμ1的I曲线 作图法求I曲线：由得通过原点之射线应当指出：同时抱死时 ∵ ∴ I曲线也是关系曲线。 ⒊具有固定比值的前后制动器制动力与同步附着系数一般汽车，常用Fμ，与总制动力（Fμ）表示分配比例——制动力分配系数则 ※ 在I线之外又出现了B线，两线交点为同步附着系数。

同步附着系数也可计算出： ∵ ∴ 式中：L为汽车轴距，L=a+b。分析当的路面上，I曲线位于B曲线上方，前后轮不能同时抱死。例： I在B上当制动气压为时，Fμ1达到，而Fμ2＜只有PR→PR时， ∴ 时，前轮先于后轮抱死。当时，I在B下，后轮先于前轮抱死。当时，同时抱死。为什么在，总是后轮先抱死呢？按法向反力公式也可以解释 ∵ ∴ 后轮先于前轮达到附着力极限反之前轮先于后轮达到附着力极限 ※ 为了让后轮不要出现首先抱死的危险状况，宁让前轮先抱死的观点占优势，所以值越来越高。

文献推荐：满载时轿车 货车我国道路条件差，车速不高：轿车货车例如红旗：0.50 3un—130 ：0.6 CA1013：0.55 Austin： 0.69 BJ130：0.53 BJ212：0.7 九、装载变化对制动性影响实践表明，满载时汽车质心比设计质心会前、后、上、下移动，即使Ga不变,质心变化都会对制动效果产生影响。 1.当Ga↑， I曲线上移，稳定区扩大。 2.若以空载确定β，稳定区大，当然最好是，即考虑动载荷（轴荷转移）,即感载比例阀。 3.载荷较大的汽车，由于结构限止，设计时不能保证前后轮均达到附着极限，所以汽车制动距离与载重量有关。实践证明，Ga＞3t汽车，增加1t，S增加0.5~1m。

十、双管路制动系统 各种布置方案的分析： 1、“前后”布置 a 一轴失效，制动减速度下降 b 若前轴失效，则汽车失去方向稳定性（后抱） c 前轴失效时，拉手刹不起作用（手刹管后轮） 2、“交叉”布置 a 一套失效时，制动减速度减少一半 b 方向稳定性不丧失 c 可能因制动力左右不均而跑偏，可将C为负值 3、前二后一 a 无论那套失效，前轮制动力将减半 b 如果前后回路失效，制动稳定性不好 4、前二后分别制动 a 一套失效则制动力减半 b 无法用调整前轮回转半径避免制动跑偏十一、车轮抱死过程 1、抱死过程假设：1）V=C 2）Fz=C 3）附着率—滑移率曲线按稳定曲线处理 4）制动器摩擦力矩与时间呈线性关系

则抱死过程 在O~Sc a：O~So增加缓慢 b：ωo缓慢降到ωc c：εo很快下降到εc并稳定在Sc—1 a：Sc很快到1 b：ωc很快到0 c：εc曲线急降可分析出： ⑴εc正是μp ，应使防抱死装置工作 ⑵ tz 内应防止车轮滑移 2、防抱死装置为充分发挥轮胎与地面的潜在附着能力，全面满足制动要求，在高级轿车及载重货车上装有自动防抱死装置，简称（A·B·S）。从而在紧急制动时，μ↑ μ侧↑ ε↑S↓方向稳定性↑。防抱死装置一般有三部分：传感器、控制器、压力调节器。在正常制动时——防抱死装置不起作用在紧急制动时——防抱起死装置起作用传感器：车轮运动参数。控制器：分析传感器参数，在将抱死时发出脉冲信号使压力调节器起作用。压力调节器：调节分泵压力，减少分泵压力防止抱死，当车轮转速增加时又恢复制动。

防抱死装置以运动参数来减压或重新制动。常用参数：εxγ，汽车减速度，角速度减小量。例：BonZ轿车 ABS以ε为参量的试验结果直线：弯道：ABC 80km/h a：转向能力好 b：S↓3.9m（干） S↓7.3m（湿）十二、汽车制动性能试验制动性能试验有路试和台试。路试：参数为S、制动时间、。条件：路面μ＞0.7，无风＜3m/s，T为 5~37℃，航向角≯8°（不越3.5m车道）冷试验制动器温度＜100℃。热衰退制动器温度：轿车250~270℃、中卡140~150℃、重卡170~200℃。试条有ABS 无ABS 混凝路 Vo S S减小 S 干 100 41.8 9.25 8.2 50 7.73 湿 100 62.75 6.71 37.25 100 3.9

试验时：冷 汽车先加速到略高Vo降到Vo再试热加热阶段，加速0.8Vmax，以3 减速到初速，制动周期45~60s，15~20次。试验阶段不低于冷制动80%。下长坡试验： i：6% Va：60km/h S：6km 试验与冷制动比≮25% 防抱死ABS：台试：安全检测

§4-3 汽车的操纵稳定性 定义：汽车在行驶过程中，能遵循驾驶员给定的行驶方向行驶，且受各种外部干扰尚能保持稳定行驶的能力。对汽车驾驶员体力消耗，汽车行驶安全，特别是高速安全起重要作用。影响操纵稳定性有三方面： 1、结构参数：轴距、轮距、重心、轮胎、悬架，定位角及转向系参数。 2、使用因素：驾驶员的反应，技术水平，能准确的采取措施，可使汽车处于稳定状态。 3、外界干扰：地面不平，横、纵坡，轮胎的附着等。一、汽车操纵稳定性的评价参数 1.使用较多的物理量 ⑴稳态响应及瞬态响应评价参数：稳态横摆角速度增益，反应时间，横摆角速度波动的无阻尼固有频率 ⑵横摆角速度的响应特性评价参数：共振频率、振幅比、相位滞后角 ⑶回正性：达到剩余横摆角速度的时间 ⑷转向半径：最小转向半径 ⑸转向轻便性：转向力 ⑹直线行驶性：侧向偏移

⑺典型行驶工况：方向盘转角、转向力、侧向加速度、横摆角速度、侧偏角、车速 ⑻极限行驶能力：极限侧向加速度、极限车速 2.几个方面评价 ⑴时域响应：汽车方向盘输入或干扰输入下的侧向运动响应。 ⑵频率响应：汽车方向盘正弦输入，频率0→∞，汽车横摆角速度与方向盘转角的振幅比及相位差的变化图形。 ⑶转向半径：机动灵活性 ⑷转向轻便性：方向轻便程度 ⑸直线行驶性：侧向风和地面不平干扰下的时域响应，有时已有包括微曲率弯道行驶。 ⑹典型工况性：通过某种典型横拟通道的性能。 ⑺极限行驶：汽车安全行驶的极限性能。 ⑻方向阶跃输入下的时域响应：汽车的时域响应 a：汽车直行→急打方向→等园周运动，称为方向盘阶跃输入下的稳态响应。一般称为稳态转向特性

b：汽车直行——等园周行驶之间的速度过程是一种瞬态，相应的瞬态运动响应为方向盘阶跃输入下的瞬态响应。 t=0：急打方向至δswo ωr0：稳定横摆角速度 τ：第一次达到ωr0，反应时间 ωr1：最大横摆角速度ωr1/ωr0×100%，稳为趋调量 ω：波动频率——取决于汽车动力学系统 α：进入稳态时间，即在95~105%ωr0时。有些汽车ωr不能收敛，ωr越来越大——导致侧滑或翻车。二、弹性车轮的侧向偏离及其对转向特性的影响 1.轮胎的侧向偏离若刚性车轮当时 C→C方向行驶当时沿V方向行驶若弹性车轮即使Fy很小，车轮仍会产生侧向变形，使汽车的行驶方向偏离C—C方向—弹性胎的侧向偏离现象。

从两种情况分析弹性车轮的侧偏现象： ⑴车轮静止不动车轮受G Fy作用，a-a // C-C 若 Fy不足以使车轮沿地面滑动，只产生侧向变形。 ⑵车轮滚动时车轮受G Fy作用，a-a //C-C 呈一定角度，即偏离角。若车轮上，即以角连线是印迹中线滚动没有按车轮中心线滚动。 ※ 偏离程度——与Fy有关，3°~ 4° 线性关系，10°→横滑正常行驶：4°~5°左右， Fy=k 式中：K——侧偏刚度，一般低压胎290~980N/deg。 ※ K与G有关，G↑K↑；G↑↑K↓ 剧烈径向变形所致。 ※ K与轮胎结构有关，尺寸大→K大，子午胎的k比斜交胎的k大。

2. 侧向偏离对汽车转向的影响 汽车转向——转向轮偏转 ⑴若刚性车轮，无侧向弹性偏离，速度矢量C-C线上，应按瞬时转向中心回转式中： ——左右车轮偏转角； R——瞬心O到汽车纵轴线距离； d——左右主销中心距； B、L——轮距和轴距。转向半径R——指瞬心到汽车纵轴线垂直距离当α很小时：故 R≈L/

⑵若弹性车轮 由于车轮弹性偏离：B点的速度矢量呈—— 角 A点的速度矢量呈—— 瞬心O到纵轴线距离 OK——转向半径变化了分析转向半径变化对汽车转向的影响：

两式相加： ∵车轮偏离角一般≯6°~8° BK+AK=L 比较三种情况： R′=R； R′＜R； R′＞R；上述三种情况，会引起三种转向特性。下边分别加上分析，从中找出理想转向特性。 A 中性转向汽车的转向半径与装刚性车轮的转向半径相同，即中性转向或正常转向。

如上图 ①汽车沿m—m行驶 ②将方向反打δ角（纵轴线与X—X呈δ）再将方向回到中间位置——X—X行驶。 B 过度转向

汽车的转向半径小于刚性车轮的转向半径，这种转向特性称之为过度转向。在侧向力F y作用下，以O瞬心作曲线运动惯性力Fc的侧向分力Fcy与Fy相同，使车轮更加偏离，R′更小，失去操纵性。 C 转向不足即转向半径R′＞R刚性——不足转向。 ∵ 汽车瞬心为O Fcy与F y方向相反 Fcy减小轮胎侧向偏离，当Fy消失， Fcy可使汽车自动恢复直线行驶。试验方法： ①汽车作圆周运动 ②通过加速改变汽车侧向力转向半径不变——中性转向半径变小——过度转向半径变大——不足希望不过度，即不足转向。

⒊回正力矩——绕OZ轴的力矩 轮胎侧偏时会产生作用于轮胎绕OZ轴的力矩，圆周行驶时，MZ是转向车轮回复到直线行驶时主要恢复力矩——回正力矩。 MZ=FYl 当FY↑达到附着极限——滑移MZ↓ MZ影响： 1、δ：4°~6° →Mmax，10°~16°，M=8 2、FZ：FZ↑，MZ↑ 3、结构：子午比斜交↑ 三、线性二自由度汽车模型对前轮输入的响应 1.线性二自由度汽车模型的运动微分方程假设： ⑴忽略前轮转向系影响→直接以前轮转角输入 ⑵忽略悬架影响→车身与地面平行运动 ⑶Ua不变，故只研究侧滑和横摆两自由度此外： ⑴侧向加速度＜0.48，轮胎线性侧偏 ⑵驱动力不大，不考虑切向力对轮胎侧偏的影响 ⑶忽略空阻Fw，左右车轮由于载荷变化，对侧偏影响及轮胎回正力矩的作用。简化结果：两轮摩托车那样的模型，有侧向弹性轮胎的两自由度模型，分析时，汽车坐标系与质心重合.

从t到t-△t平移，转向 汽车质心速度大小，方向变化沿X轴速度分量的变化： ∵△θ≈0又忽略△·△量上式≈△u-v△θ 求质心绝对加速度在OX上的分量同理在Y 轴上的分量为：

参看下图可得： 平面运动汽车对车辆坐标系的运动微分方程式当转角不大时把Fy1与Fy2与侧偏角线性关系

其中： 将代入上式：

2.前轮阶跃输入下的汽车稳态响应 ——等速圆周行驶 ⑴稳态响应前轮阶跃输入时的稳态响应就是等速圆周运动。评价指标：稳态横摆角速度增益（横向灵敏度）如前所述，稳态时则上述公式为消去v 稳定性因数

⑵稳态响应的三种类型 根据K值，稳态响应分三种类型 ①中性转向当K=0 即与车速u成正比，斜率为 ②不足转向当k＞0，分母＞1，比中性转向小，非线性关系，向下弯 k↑ ↓ 不足转向量越大 ※当时，达最大值，且为中性转向之半 uch为特征车速，反映不足转向大小的参数，不足转向↑k↑Vch↓ ③过度转向当k＜0时，分母小于1 ，比中性转向大，非线性，向上弯曲 k↓ ↑ 过多转向量越大

※当时， →∞ ucr为临界车速，反映了过多转向大小的参数，ucr越低，过多转向量越大日本：近年来轿车k=0.002~0.0035 西德：近年来轿车 =0.16~0.33 四、转向轮的振动及其稳定效应汽车在行驶中，特别是高速行驶中，往往会产生转向轮振动。 1.转向轮振动 ⑴路面由于悬架+车轮的弹性——上下跳动转向机构的的弹性——左右摆动左右摆动与上下跳动的关系——回转仪效应回转仪效应：在旋转质量的轴心上加上一力矩（如车轮轴心），使车轮在垂直平面上摆动某一角度，与此同时在水平面内会出现另一力矩对轴作用，使车轮绕轴旋转同时还绕主销摆动。

车轮既绕自身轴线旋转又绕主销摆动，在物理学中称进动，其进动力矩Mr：其中：Jk——车轮的转动惯量； ωk——车轮旋转角速度； ——车轮进动角速度（车轮绕销摆动角速度）。措施：正确设计悬架的导向装置。采用等长横杆导向装置，车轮上跳时，车轮旋转平面不倾斜，不产生回转仪效应。采用上横杆短于下横杆，车轮上跳时，倾斜微小、轮距变化微小。 ⑵车轮质量不平衡 Fcx——左、右摆动，左右位置呈180°最不好。 Fcy——上、上跳动措施：车轮平衡（高速小客车一般不大于400~500克厘米）。 ⑶前悬架与转向传动机构的运动学干涉当车轮上跳时，轴沿A—A向前上方转向节球销沿B—B向后上方，从而使前轮向右转向。措施: 两者圆心靠近，例如 NT130为前方向机。

2.转向轮的稳定效应 定义：转向轮能保持中间位置（直线行驶）及自动返回中间位置（转向轮有偏转角）的能力。稳定效应小——驾驶时要经常修正方向。稳定效应大——转向沉重。组成：主销内倾角、后倾角，前轮外顷角及轮胎侧向偏离产生的回正力矩组成。 ⑴车轮外倾角汽车以Va行驶车轮以同一角速度旋转 ∵ ∴ 印迹中心F1、F2方向相反，形成——力矩当汽车转向时：内轮力矩小于外轮，其差为回正力矩。 ⑵主销内倾角形成的回正力矩与轴荷有关，转向时因力矩抵抗汽车抬高。采用双管路时，要求内倾角ε↑使C为负值。轿车前轮制动力大于后轮，所以向左跑偏，当 C＜0则具有回正作用。 ⑶主销后倾其回正力矩，MB=Fy·l′ ⑷轮胎侧向偏离前面已叙述。

五、汽车被动安全性 1.车辆事故分析和被动安全性的评价方法，交通事故有随机性，所以研究方法是统计分析 a. 被动安全性的评价方法有很多，其中以“严重性因素”较为简单： F=Ns / NSh（1/5~1/40范围）式中 Ns：当场死亡（不超过七昼夜） Nsh：事故中受伤人数 b．危险系数 No——没伤 Nq——轻伤 Nz——重伤 Ns——死伤 k1、k2、k3——加权系数

2.被动安全性

⑴减小惯性载荷 a 正面碰撞沿车身长度方向的平均减速度分布前部最大：jcp 300~400g 质心：jcp 40~60g b 侧面碰撞承受能力很小，其措施：骨架、车门。 ⑵限制乘员位移汽车与乘员的速度和时间特性如右图。安全带种类：二点式三点式四点式防撞气囊：驾驶员：60~80 助手：150~200 ⑶消除部件致伤因素

第四章 汽车行驶 安全性