19.4 操縱性

貨車(chē)良好的操縱性由主動(dòng)安全需求驅(qū)動(dòng)。操縱性和穩(wěn)定性是主動(dòng)安全最重要的特性，運(yùn)輸效率是操縱性和穩(wěn)定性的另一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)力。車(chē)輛組合進(jìn)行配置以優(yōu)化有效載荷的重量或體積，在不損害穩(wěn)定性的情況下這樣做是至關(guān)重要的。較高的速度也增加了對(duì)重型貨車(chē)的操縱性和穩(wěn)定性的要求，最后駕駛樂(lè)趣也是一個(gè)重要因素。

操縱性可分為三個(gè)方面:對(duì)于車(chē)輛或車(chē)輛組合，一個(gè)方面是由于轉(zhuǎn)向輸人或路面輸入引起的方向響應(yīng);第二個(gè)重要方面是由于轉(zhuǎn)向輸人或路面輸入引起的側(cè)傾響應(yīng);第三個(gè)感興趣的方面是駕駛員和車(chē)輛之間的界面，即駕駛員的車(chē)輛感覺(jué)及其控制。前兩個(gè)方面處理客觀性能，最后一個(gè)方面處理主觀性能。

19.4.1 方向響應(yīng)

貨車(chē)的穩(wěn)態(tài)特性以圓形試驗(yàn)程序確定，其中轉(zhuǎn)向半徑和縱向速度不變[43]轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角與側(cè)向加速度是最基本的關(guān)系，轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角的導(dǎo)數(shù)與轉(zhuǎn)向比的比值除以側(cè)向加速度給出不足轉(zhuǎn)向梯度，其是一個(gè)重要的特征值。不足轉(zhuǎn)向梯度應(yīng)當(dāng)為正，負(fù)的不足轉(zhuǎn)向梯度在某個(gè)臨界速度下趨于不穩(wěn)定。轉(zhuǎn)向角和側(cè)向加速度之間的關(guān)系最好是線性的，但是如果不是線性的，不足轉(zhuǎn)向梯度應(yīng)當(dāng)隨著側(cè)向加速度的增加而增加。對(duì)于超過(guò)兩軸的重型車(chē)輛，轉(zhuǎn)向角和側(cè)向加速度間的關(guān)系依賴(lài)于速度，這不同于兩軸車(chē)輛的簡(jiǎn)單情況。通過(guò)使用等效軸距!的概念，多軸車(chē)輛可以處理為簡(jiǎn)單車(chē)輛[20]。圖19.18給出了圖19.19所示的三軸剛性貨車(chē)在常速下的操縱圖[21]，左右轉(zhuǎn)向響應(yīng)不同是由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度不對(duì)稱(chēng)引起的。

仍然存在一個(gè)重要的非線性，即轉(zhuǎn)向剛度與輪胎垂向力間的關(guān)系，圖19.22給出了前述同一輪胎的這種關(guān)系。

由于左右車(chē)輪載荷的轉(zhuǎn)移，這種非線性導(dǎo)致總的軸轉(zhuǎn)向剛度降低。當(dāng)載荷轉(zhuǎn)移大時(shí)，這種降低更為明顯，即對(duì)應(yīng)于大加速度。

利用轉(zhuǎn)向柔度替代轉(zhuǎn)向剛度是有利的。轉(zhuǎn)向柔度是轉(zhuǎn)向系數(shù)的倒數(shù)，其為轉(zhuǎn)向剛度對(duì)垂向力歸一化所得。前后轉(zhuǎn)向柔度之間的差異決定了不足轉(zhuǎn)向/過(guò)多轉(zhuǎn)向行為。因此，前后輪胎的正確匹配非常重要。不足轉(zhuǎn)向梯度可隨側(cè)向加速度變

輪胎特性通過(guò)測(cè)量獲取，不僅取決于磨損狀態(tài)，也取決于測(cè)量時(shí)的溫度和測(cè)量設(shè)備。因此，必須小心對(duì)比測(cè)量結(jié)果。貨車(chē)輪胎的轉(zhuǎn)向能力、壽命和滾動(dòng)阻力等大多數(shù)特性有著巨大發(fā)展。主要步驟之一是從斜交輪胎轉(zhuǎn)換為子午線輪胎。對(duì)于乘用車(chē)，研發(fā)低輪輪胎以減小轉(zhuǎn)向柔度。對(duì)于貨車(chē)，低輪廓輪胎主要用于減小輪胎外徑以提高承載能力。乘用車(chē)輪胎和貨車(chē)輪胎的另一個(gè)區(qū)別是，胎壓降低時(shí)轉(zhuǎn)向剛度的變化。乘用車(chē)輪胎轉(zhuǎn)向剛度通常是減少的，而貨車(chē)輪胎轉(zhuǎn)向剛度則是增加的，這一增長(zhǎng)顯然是有極限的。如果輪胎發(fā)生爆炸且輪胎完全放氣，則轉(zhuǎn)向剛度將接近于零。這明顯改變了車(chē)輛的特性，可能導(dǎo)致不穩(wěn)定性。如果后軸的雙胎被單輪替代，必須采取特殊的預(yù)防措施以防止不穩(wěn)定性的風(fēng)險(xiǎn)。然而，前軸輪胎發(fā)生爆炸也可能導(dǎo)致事故。在這種情況下，適度的側(cè)拉使貨車(chē)易于轉(zhuǎn)向和制動(dòng)，但是如果駕駛員由于某些原因沒(méi)有充分集中注意力，導(dǎo)致其反應(yīng)過(guò)慢，可能會(huì)發(fā)生事故。因此，貨車(chē)上需要一個(gè)低壓安全輪胎，在胎壓突然損失時(shí)可以保持其主要性能。

19.4.1.2 懸架作用懸架引起的轉(zhuǎn)向影響，如側(cè)傾轉(zhuǎn)向和柔性轉(zhuǎn)向，就轉(zhuǎn)向角/加速度而言產(chǎn)生懸架的轉(zhuǎn)向柔度。這增加了輪胎的轉(zhuǎn)向柔度，有助于各軸總的轉(zhuǎn)向柔度。因此不足轉(zhuǎn)向/過(guò)多轉(zhuǎn)向行為和瞬態(tài)響應(yīng)都會(huì)受到影響。讓后軸引起轉(zhuǎn)向的優(yōu)點(diǎn)是誘導(dǎo)出不足轉(zhuǎn)向，這意味著后軸的轉(zhuǎn)向柔度會(huì)降低，這與增加后輪胎轉(zhuǎn)向剛度的效果類(lèi)似。柔性轉(zhuǎn)向效果優(yōu)于側(cè)傾轉(zhuǎn)向效果，因?yàn)槠湎辔慌c側(cè)向力是同步的，而側(cè)傾轉(zhuǎn)向效果是延遲的。前軸誘導(dǎo)的不足轉(zhuǎn)向也增加了不足轉(zhuǎn)向梯度，這不如在后軸上有利，因?yàn)槠洳粫?huì)有效改善瞬態(tài)特性。當(dāng)車(chē)輪在車(chē)軸共振時(shí)跳動(dòng)，阻尼差的懸架可能導(dǎo)致抓地性損失。由于松弛效應(yīng)，這將引起輪胎側(cè)向力能力的降低。后軸抓地性損失會(huì)引起不穩(wěn)定性，前軸抓地性損失會(huì)引起車(chē)輛失去轉(zhuǎn)向。

行進(jìn)梁式的轉(zhuǎn)向架易于降低抓地性，特別是空載和部分裝載時(shí)，因?yàn)槠溆懈郊拥摹⒎浅Ｐ∽枘嵝问降霓D(zhuǎn)向架俯仰，如圖19.25所示。在不平路面上，這可能會(huì)引起轉(zhuǎn)向架跳動(dòng)，造成重疊。因此，轉(zhuǎn)向架必須配置黏性減振器。

19.4.1.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

很多原因?qū)е罗D(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)于操縱性十分重要。轉(zhuǎn)向盤(pán)與車(chē)輪間的柔性增加前軸的總轉(zhuǎn)向柔度，并增加了車(chē)輛的不足轉(zhuǎn)向。沒(méi)有這一柔性，許多貨車(chē)實(shí)際會(huì)過(guò)多轉(zhuǎn)向。由于成本效益考慮，重型貨車(chē)的前懸架常使用鋼板彈簧作為彈性

件。只要采用剛性軸，就可能保持這種方式，這使得轉(zhuǎn)向幾何設(shè)計(jì)更加困難。為了控制轉(zhuǎn)向誤差，必須足夠了解鋼板彈簧的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。例如，側(cè)傾中心的位置和側(cè)傾軸線的傾斜。有時(shí)會(huì)有意保留轉(zhuǎn)向誤差以產(chǎn)生側(cè)傾轉(zhuǎn)向，增加不足轉(zhuǎn)向。但是不推薦這樣做，因?yàn)檗D(zhuǎn)向誤差可能也會(huì)產(chǎn)生不期望的制動(dòng)轉(zhuǎn)向和顛簸轉(zhuǎn)向。為了最小化轉(zhuǎn)向誤差，在所有方面達(dá)到良好的轉(zhuǎn)向特性，不僅要考慮轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)學(xué)，還要考慮所有柔性。

另一種現(xiàn)象是轉(zhuǎn)向抖動(dòng)，其特征是轉(zhuǎn)向裝置中較大的瞬態(tài)力傳遞到轉(zhuǎn)向盤(pán)上。這可能發(fā)生在坑洼和壞的路面上，由轉(zhuǎn)向誤差和前懸架不利的運(yùn)動(dòng)學(xué)引起。在這種情況下，無(wú)論如何都很容易得到結(jié)論，因?yàn)檗D(zhuǎn)向抖動(dòng)發(fā)生在軸共振時(shí)。大幅度增加軸阻尼將緩解這個(gè)問(wèn)題，但是可能會(huì)導(dǎo)致大的平順性問(wèn)題。另一個(gè)不是聰明的減少轉(zhuǎn)向抖動(dòng)的方法，是增加轉(zhuǎn)向齒輪中的助力，其缺點(diǎn)是損失轉(zhuǎn)向感覺(jué)。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的摩擦是不可避免的，其是一把雙刃劍。優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)向系統(tǒng)中阻尼是必需的以避免擺振和擺動(dòng)，足夠量的摩擦可以在系統(tǒng)中避免使用黏性減振器。缺點(diǎn)是因?yàn)槠鋹夯宿D(zhuǎn)向感覺(jué)。因此，需要好的折中。然而，轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向裝置之間的摩擦應(yīng)最小化。

19.4.1.4 轉(zhuǎn)向后軸

為了改善低速機(jī)動(dòng)能力，避免車(chē)輪滑擦，重型貨車(chē)越來(lái)越多地頻繁使用轉(zhuǎn)向后軸，這會(huì)影響方向反應(yīng)。有兩種類(lèi)型的后輪轉(zhuǎn)向。最簡(jiǎn)單的一種是自轉(zhuǎn)向，這意味著幾乎不產(chǎn)生輪胎側(cè)向力。除非轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中摩擦較大，否則自轉(zhuǎn)向會(huì)導(dǎo)致擺振。發(fā)生這種情況是由于輪胎松弛輪胎側(cè)向力滯后于轉(zhuǎn)向角。因此，自轉(zhuǎn)向軸需要減振器以避免擺振。另一種是強(qiáng)迫或主動(dòng)轉(zhuǎn)向，這意味著后輪轉(zhuǎn)向角與前輪轉(zhuǎn)向角成正比。在這種情況下，產(chǎn)生輪胎側(cè)向力，但是比剛性軸的情況低。在這兩種情況下，導(dǎo)致增加后轉(zhuǎn)向柔度，減少不足轉(zhuǎn)向和減慢瞬態(tài)響應(yīng)[24]。由于這會(huì)損害操縱性，轉(zhuǎn)向軸應(yīng)當(dāng)在一定相當(dāng)?shù)退贂r(shí)鎖定。對(duì)于自轉(zhuǎn)向，情況必須始終如此，這也同樣適用于拖車(chē)的應(yīng)用。強(qiáng)迫轉(zhuǎn)向以這種方式使后輪有明顯的轉(zhuǎn)向潛力，如果后輪采用線控轉(zhuǎn)向，常速下貨車(chē)的響應(yīng)變得更快。這可以簡(jiǎn)單地通過(guò)與前輪成比例反向轉(zhuǎn)向后輪或主動(dòng)轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)，通過(guò)控制橫擺速度或其他狀態(tài)變量實(shí)現(xiàn)[25]

19.4.2穩(wěn)定性

單體貨車(chē)很少發(fā)生橫擺不穩(wěn)定性的情況，其需要一輛過(guò)多轉(zhuǎn)向的車(chē)輛超過(guò)臨界速度或特殊操作下才會(huì)發(fā)生，更可能發(fā)生在低摩擦而不是高摩擦的路面上。特殊的環(huán)境，例如一輛空的牽引車(chē)在轉(zhuǎn)向時(shí)制動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致非周期的橫擺不穩(wěn)定性。另一方面，側(cè)傾不穩(wěn)定性經(jīng)常發(fā)生。當(dāng)超過(guò)側(cè)傾值時(shí)，其容易發(fā)生在穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的情況下，穩(wěn)態(tài)側(cè)傾閾值與實(shí)際交通中側(cè)傾的風(fēng)險(xiǎn)之間有很強(qiáng)的相關(guān)性[26]。側(cè)傾極限主要由輪距和重心高度決定，但是也受其他因素，如各種柔度和沖擊的影響。懸架的柔性和沖擊非常重要，但是軸間側(cè)傾剛度的分配也是重要的。車(chē)架的扭轉(zhuǎn)柔度有重要影響，如圖19.26所示。將裝載的車(chē)輛調(diào)轉(zhuǎn)180°變成頭對(duì)頭，使重量轉(zhuǎn)移更加靠近車(chē)軸，可降低車(chē)架的撓度，增加側(cè)翻值單體車(chē)輛通常作為建筑用車(chē)和配送用車(chē)。在長(zhǎng)途運(yùn)輸中，這種車(chē)型很少，原因當(dāng)然是運(yùn)輸效率。在給定約束條件下，涉及盡可能多地運(yùn)輸貨物。

由于組合車(chē)輛比單體車(chē)輛更加復(fù)雜，如果組合車(chē)輛各方面的動(dòng)力學(xué)不明確可能會(huì)遇到問(wèn)題。通常，組合車(chē)輛的具體行為是，對(duì)轉(zhuǎn)向輸入的響應(yīng)或多或少關(guān)有阻尼的振蕩運(yùn)動(dòng)。最壞情況下，這些振蕩會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的不穩(wěn)定性，其中阻尼是負(fù)的，振蕩成為自激運(yùn)動(dòng)。在其他情況下，它們可能會(huì)導(dǎo)致第一個(gè)車(chē)輛單元的運(yùn)動(dòng)放大，從牽引車(chē)到組合車(chē)輛中最后的掛車(chē)。后方側(cè)向加速度的放大，可能會(huì)與致最后的掛車(chē)側(cè)翻;后方橫擺速度的放大，可能導(dǎo)致最后的掛車(chē)滑出道路或撞上其他車(chē)輛。常用的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的特征值是后方的放大和陽(yáng)尼。圖19.27給出了個(gè)由貨車(chē)/中心軸掛車(chē)組合的乘用車(chē)運(yùn)輸車(chē)，這種特殊組合的阻尼較小且非常敏感，振蕩非常容易由轉(zhuǎn)向輸入、道路車(chē)轍和陣風(fēng)激起。

每種類(lèi)型的組合車(chē)輛都要單獨(dú)研究，但是有一些指導(dǎo)原則適用于最大動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性:鉸接接頭數(shù)量盡可能少，對(duì)耦合點(diǎn)懸臂盡量減小，掛車(chē)軸距要長(zhǎng)，掛車(chē)輪胎轉(zhuǎn)向剛度要高，并且所有車(chē)輛單元的重心高度應(yīng)盡可能低[27-29]

高貨柜貨物是一種趨勢(shì)，這導(dǎo)致了低底盤(pán)，因?yàn)檫@是可以增加載貨量的唯方式。這樣不可避免地會(huì)使得輪胎直徑變小和懸架行程減小，這對(duì)振動(dòng)環(huán)境和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性是不利的。因?yàn)樾≥喬ネǔ＾D(zhuǎn)向能力較弱，導(dǎo)致穩(wěn)定性問(wèn)題。模塊化的

當(dāng)側(cè)向加速度接近靜態(tài)側(cè)翻閾值時(shí)，側(cè)翻控制介人，通過(guò)切斷發(fā)動(dòng)機(jī)力矩和車(chē)輪制動(dòng)降低速度，如圖19.29所示。如果車(chē)輪產(chǎn)生離地現(xiàn)象，則使用全制動(dòng)功率。

或間距控制。在長(zhǎng)時(shí)間駕駛情況下，駕駛員應(yīng)感覺(jué)舒適和放松。重要的是要理解駕駛員和車(chē)輛構(gòu)成了一個(gè)系統(tǒng)。駕駛員充當(dāng)一個(gè)控制器，從大量資源獲得反饋發(fā)出指令對(duì)車(chē)輛進(jìn)行控制。因此，了解駕駛員對(duì)什么刺激會(huì)做出反應(yīng)是重要的為了將駕駛員的數(shù)學(xué)模型包含到車(chē)輛模型中，也必須了解駕駛員如何反應(yīng)。有很多感知的渠道[33]，最重要的一個(gè)是視覺(jué)。如果駕駛員不能看到道路，例如由于霧，其無(wú)法駕駛。另一個(gè)渠道是車(chē)輛的運(yùn)動(dòng):平動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，其可以通過(guò)內(nèi)耳或身體分布得到。觸覺(jué)輸入最終來(lái)自于控制、轉(zhuǎn)向盤(pán)和踏板，最重要的觸覺(jué)渠道可能是轉(zhuǎn)向盤(pán)的力和位移。重要的是了解駕駛員對(duì)車(chē)輛行為的感知和各種車(chē)輛動(dòng)力學(xué)特性之間的相關(guān)性，具有大的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的駕駛模擬器是調(diào)查這些關(guān)系的優(yōu)秀工具[34]。圖19.31展示出瑞典國(guó)家公路和運(yùn)輸研究所VTI的高性能駕駛模擬器。

客觀特性值由方向響應(yīng)研究獲取，其很好地與車(chē)道變換和避障操縱主觀的感受相關(guān)，它們也是中心區(qū)操縱性感知相關(guān)參數(shù)的一部分。不足轉(zhuǎn)向梯度和橫擺速度相對(duì)于轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角的增益都有最佳值，響應(yīng)時(shí)間應(yīng)盡可能短。對(duì)于中心區(qū)操縱性感知，觸覺(jué)感官渠道非常重要。其中更重要的關(guān)系是轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩和側(cè)向加速度之間的關(guān)系。梯度和滯后都與主觀感受密切相關(guān)。不受控制的貨車(chē)運(yùn)動(dòng)，主要是側(cè)傾，對(duì)中心區(qū)操縱性感知是不利的。

當(dāng)前，線控轉(zhuǎn)向用于轉(zhuǎn)向后軸。未來(lái)，也可以看到前輪的線控轉(zhuǎn)向。這給調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向特性和優(yōu)化觸覺(jué)界面提供了擴(kuò)展的可能性，也提供了適應(yīng)駕駛員個(gè)人喜好轉(zhuǎn)向的可能性。重要的是了解駕駛員如何對(duì)各種刺激進(jìn)行反應(yīng)，擁有主動(dòng)控制系統(tǒng)和各種駕駛員輔助系統(tǒng)的知識(shí)，駕駛員行為如何受這些系統(tǒng)的影響也是至關(guān)重要的。

駕駛員對(duì)非線性動(dòng)力學(xué)非常適應(yīng)，即其為非常穩(wěn)定的控制器。例如一個(gè)駕駛員，至少有一些駕駛員可以在超過(guò)臨界速度時(shí)，處理過(guò)多轉(zhuǎn)向特性的車(chē)輛行駛盡管它是不穩(wěn)定的。另一個(gè)例子是前輪爆胎的情況，當(dāng)一個(gè)前輪胎幾乎失去所有的轉(zhuǎn)向剛度時(shí)，雖然這輛貨車(chē)動(dòng)力學(xué)變化很大，但是駕駛員適應(yīng)這種新的特性毫無(wú)困難，并且通過(guò)各種操作跟隨預(yù)設(shè)的路線行駛，不進(jìn)行制動(dòng)或進(jìn)行制動(dòng)。色而，如果駕駛員沒(méi)有集中注意力駕駛，在其采取行動(dòng)時(shí)仍然有長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，駕駛模擬器的測(cè)試證實(shí)了這點(diǎn)。結(jié)果表明，只有爆胎第一次發(fā)生時(shí)，反應(yīng)時(shí)間才長(zhǎng)。如果在同一測(cè)試中再次發(fā)生，駕駛員已經(jīng)做好準(zhǔn)備，并且相應(yīng)進(jìn)行操作[35]

本文摘編自《車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)手冊(cè) 第2卷，整車(chē)動(dòng)力學(xué)》 ，機(jī)械工業(yè)出版社出版，經(jīng)出版方授權(quán)發(fā)布。

本叢書(shū)對(duì)車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模、分析與優(yōu)化，車(chē)輛概念和空氣動(dòng)力學(xué)，充氣輪胎和車(chē)輪-道路/越野，車(chē)輛子系統(tǒng)建模，車(chē)輛動(dòng)力學(xué)和主動(dòng)安全，人機(jī)相互作用，智能車(chē)輛系統(tǒng)，以及車(chē)輛事故重建被動(dòng)安全進(jìn)行了全面描述。

本叢書(shū)由來(lái)自23所大學(xué)與9家知名企業(yè)的50余位專(zhuān)家共同編寫(xiě)，以科學(xué)界與工業(yè)界的視角對(duì)知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了平衡，代表了目前車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)技術(shù)發(fā)展的水平，適合汽車(chē)工程師與汽車(chē)專(zhuān)業(yè)師生閱讀使用。