汽车在道路上行驶的稳定性

汽车行驶稳定性是指汽车在行驶过程中，受外部因素作用下，尚能能保持或很快恢复原行驶状态和方向，不至于失去控制而发生侧滑、倾覆等现象的能力。

汽车行驶的稳定性从不同方向来看，有纵向稳定性和横向稳定性两种。 从丧失稳定的方式来看，有滑动稳定性和倾覆稳定性两种。 分析和确保汽车行驶的稳定性对于合理设计汽车结构尺寸、正确设计道路、保证行车安全、提高运输生产率、减轻驾驶员的疲劳强度，有着十分重要的意义。

影响汽车行驶稳定性主要有以下3方面的因素：

①汽车本身的结构参数。 如汽车的整体布置、几何参数、质量参数、轮胎特性、前后悬架的形式等，对汽车行驶的稳定性都有着决定性的影响。

②驾驶员的因素。 如驾驶员开车时的思想集中状况、反应快慢、技术熟练程度、动作灵敏程度等因素对于驾驶员能否作出准确判断、及时采取措施使汽车趋于稳定、确保行车稳定有着直接关系。

③作用于汽车的外部因素。 主要是汽车和路面间的相互作用因素（如道路的纵向、横向坡度，路面附着情况等）以及汽车作不等速行驶和曲线行驶时惯性力的作用。

1.汽车行驶的纵向稳定性

汽车在行驶过程中，随着运动状态的改变，作用在前后车轮上的法向反作用力亦有相应的变化。 若汽车在某一运动状态下，前轮的法向反作用力为零时，则汽车将发生前轴车轮离地而导致纵向倾覆。 当后轮的法向反作用力为零时，根据附着条件，其牵引力将不复存在，汽车丧失行驶能力。 此两种情况均为汽车的纵向失稳，导致汽车纵向倾覆或倒溜。

（1）汽车在直坡道上的受力分析

图2.9所示为后轴驱动的双轴汽车在直坡道上低等速行驶，忽略滚动阻力、空气阻力影响时的受力情况。

对汽车后轮着地点B取矩，则可求得前轮垂直反力：

对前轮着地点A取矩，则可得后轮垂直反力：

（2）纵向倾覆

当汽车前轮离地即法向作用力为零时，将导致汽车绕后轮纵向倾覆，此时，Z1＝0。由于汽车低等速上陡坡行驶，可以忽略次要因素，由式（2.22），令Z1＝0，即得纵向倾覆稳定条件：Gacosα0L2-Gasinα0hg＝0

图2.9 汽车行驶的纵向稳定

Ga—汽车总重，N；hg—汽车重心高度，m；

α—道路坡度角，（°）；Z1，Z2—作用于前后轮上的法向反力，N；L—汽车轴距，m；

L1，L2—汽车重心至前后轮间距离，m

由此得到：tanα0＝，式中为汽车产生纵向倾覆时，道路纵向极限坡度角。

由上式可知，当道路的坡度角α≥α0时，汽车将失去控制，可能绕后轴产生纵向倾覆。纵向倾覆稳定性仅与汽车结构参数L2和hg有关，L2越大，则α0越大，纵向倾覆稳定性好；汽车重心位置越高，则α0越小，纵向稳定性越差。一般L2，hg的数值在汽车设计中考虑，其比值L2／hg≥1，因此，一般来说纵向倾覆稳定条件容易满足。

（3）纵向倒溜

从驱动轮的附着条件可知，当汽车上坡时产生倒溜极限状态时，下滑力与最大附着力平衡，略去次要因数，则下滑力＝Gasinαφ，附着力＝Z2φ，将式（2.23）代入得：

因h，tanαφ较小，可略去不计，并且，所以tanαφ≈

式中 αφ——汽车发生倒溜时，道路极限坡度角，°；

Gd——驱动轮的轴重，N；

Ga——汽车总重，N。

由以上分析可知，当道路坡度角α≥αφ时，由于驱动轮附着条件的限制，所能产生的牵引力不足以克服αφ的坡度，汽车将发生滑转而倒溜。

（4）纵向稳定性的保证

如果α0＞αφ，则汽车在坡道上行驶时发生倒溜的现象在倾覆前出现，这样避免了汽车的纵向倾覆。因此，汽车的设计应满足tanαφ＜tanα0的条件，即，近似处理得：

从汽车设计的角度来说，式（2.25）即为后轮驱动汽车保证纵向稳定的条件。 一般汽车的构造都可以满足上述条件并有富余，但在运输中，装载高度应有所限制，以免重心过高（hg大）而破坏稳定条件。

对于道路设计的角度来说，不仅要保证坡道上行驶的汽车不会纵向倾覆，还应保证不产生倒溜现象。 这就要求道路纵坡满足：

例如一般载重车满载时，＝0.66～0.76，附着系数φ见表2.4所示，泥泞时可为0.2，冰滑时为0.1，代入式（2.26），则：

泥泞时：tanα＜0.132～0.152

冰滑时：tanα＜0.060～0.076

这就是确定最大纵坡imax＝9％（四级公路山岭重丘区），规定超高横坡i B和合成坡度ih等指标的依据之一。

2.汽车行驶的横向稳定性

汽车行驶时，常受侧向力的作用及影响，如重力、惯性力等的侧向分力。 汽车在侧向力的作用下，当车轮的侧向反作用力达到附着力时，汽车将沿着侧向力的作用方向滑移。 侧向力同时将引起左右车轮法向反作用力的改变，当一侧车轮上的法向反作用力变为零时，汽车将发生侧向翻车。 因而，汽车行驶时，在侧向力作用下有可能产生横向滑移或横向倾覆。 为保证行车的安全稳定，必须分析研究行驶的横向稳定性。

（1）汽车在曲线上行驶所产生的横向作用力

如图2.10所示，横向力Y为：

Y＝Ccosα±Gasinα （2.27）

因为 cosα≈1，sinα＝tanα＝i0

所以 Y≈C±Gai0（2.28）

式中 “＋”表示路拱双坡外侧，“-”表示路拱双坡内侧；

α——路面横坡坡角，一般很小；

i0——路面横坡坡度；

C——离心力，C＝

图2.10 汽车在曲线上行驶的横向力

得到

所以

由上式（2.30）可知，R、v值不取决于Y之绝对值，而取决于，即取决于汽车单位重量的相对横向力值。取μ＝称为横向力系数，代入式（2.30）则：

（2）汽车在平曲线上行驶时车轮的反作用力

研究汽车在曲线行驶时驱动轮上的作用力可知，除去切向力Pt外，还有侧向力Y′，此时，车轮与路面间产生一种反作用力P′（图2.11），按附着力Pφ的物理意义，总反作用力P′的极限值应等于附着力Pφ值，即：

P′＝Pφ＝Gd·φ （2.32）

同理，切向牵引力Pt的极限值应等于附着力在切向的分力，侧向的横向反力Y′的极限值应等于附着力在侧向的分力，即：

因为P′2＝P2t＋Y′2，所以φ2＝φ2纵＋φ2横

式中 φ——附着系数；

φ纵——纵向附着系数；

φ横——横向附着系数。

图2.11 曲线行驶驱动轮上的作用力

轮胎接触面在切向和侧向所产生的附着力是大不相同的，根据实验与经验的总结，一般可采用φ纵＝（0.7～0.8）φ，φ横＝（0.6～0.7）φ。

（3）横向倾覆

汽车在倾斜的横坡面上作曲线运动时，由于横向力的作用，可能产生横向倾覆。 产生横向倾覆的极限条件是：横向力Y引起的倾覆力矩等于车重所产生的稳定力矩。 由图2.11知：

倾覆力矩：Yhg＝（Ccosα±Gasinα）hg

稳定力矩：

由极限平衡条件，则：

其中b为汽车轮距；Ci0与Ga相比甚小，可忽略不计，则：Yhg≈Ga，

所以：

由式（2.35）即可得到汽车不产生倾覆的稳定条件为：

而在倾覆极限状态时，μ＝代入式（2.31）即得到汽车在曲线上行驶时不发生倾覆的最大车速vmax和最小平曲线半径Rmin，即

显然，若汽车的行驶速度v＞vmax或平曲线半径R＜Rmin，则汽车都将发生横向倾覆。

（4）横向滑移

汽车在平曲线上行驶时，既存在着使汽车向外侧滑移的横向力Y，同时也存在着阻止汽车向外侧滑移的横向反力Y′。横向反力受附着条件的限制，即Y′max＝Gaφ横，称为横向附着力。当横向力大于横向附着力时，汽车将发生横向滑移，平衡时有：

显然，若汽车的行驶速度v＞vmax或平曲线半径R＜Rmin，则汽车将发生横向滑移。

（5）横向稳定性的保证

比较式（2.36）及式（2.38），倾覆与滑移现象何者先出现，取决于与φ横的数值。若＞φ横，滑移先于倾覆；若＜φ横，倾覆先于滑移。现代汽车由于轮距宽，重心低，一般之值均大于φ横（通常b2hg≈1，而φ横＜0.5），所以滑移发生先于倾覆。道路设计如能保证汽车不滑移（μ＜φ横）则也能保证汽车不倾覆。但必须注意，若汽车装货过高，使重心提高，则也有可能出现倾覆现象，故一般对装载高度应有所限制。