張谷雨
(中國人民解放軍軍事交通學(xué)院,天津 300161,中國)
試論汽車構(gòu)造與操縱穩(wěn)定性的關(guān)系
張谷雨
(中國人民解放軍軍事交通學(xué)院,天津 300161,中國)
隨著汽車的普及,人們對汽車的要求越來越高,在獲得良好的動力性和經(jīng)濟(jì)性的同時,還要求具有良好的操縱穩(wěn)定性。在汽車操縱穩(wěn)定性的研究中,前輪外傾、主銷后傾、主銷內(nèi)傾、前輪前束的變化趨勢,對汽車的穩(wěn)定性有重要影響。
汽車;操縱穩(wěn)定性
通常認(rèn)為汽車的操縱穩(wěn)定包含兩個互相聯(lián)系的部分,在不能過分地降低汽車的行駛車速或造成駕駛員過分緊張和疲勞的條件下滿足:(1)根據(jù)路面、地形和交通情況的限制,汽車能夠正確地遵循駕駛員通過操縱機(jī)構(gòu)所給定的行駛方向,這主要指操縱性。(2)汽車在行駛過程中具有抵抗可能改變其行駛方向的各種干擾,并保持穩(wěn)定行駛的能力,這主要指穩(wěn)定性兩者很難斷然分開,穩(wěn)定性的好壞直接影響操縱性的好壞,通常兩者統(tǒng)稱為操縱穩(wěn)定性,并定義為:駕駛員不感到過分緊張、疲勞的條件下,汽車能夠遵循駕駛員通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向行駛,且當(dāng)遭遇外界干擾時,汽車抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力。
2.1 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的作用
汽車上用來改變或恢復(fù)其行駛方向的專設(shè)機(jī)構(gòu)稱為轉(zhuǎn)向系。汽車在行駛過程中經(jīng)常需要改變行駛方向(即轉(zhuǎn)向)時,駕駛員通過汽車轉(zhuǎn)向系使汽車轉(zhuǎn)向橋(一般是前橋)上的車輪(轉(zhuǎn)向輪)相對于汽車縱軸線偏轉(zhuǎn)一定角度。另外,當(dāng)汽車直線行駛時,轉(zhuǎn)向輪往往會受到路面?zhèn)认蚋蓴_力的作用而自動偏轉(zhuǎn),改變了汽車原來的行駛方向。此時,駕駛員可以通過汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使轉(zhuǎn)向輪向相反的方向偏轉(zhuǎn),恢復(fù)汽車原來的行駛方向。
2.2 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成
盡管現(xiàn)代汽車中轉(zhuǎn)向系的結(jié)構(gòu)形式多種多樣,但都包括轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器(齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿曲柄指銷式)和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)三個基本組成部分。
轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)是駕駛員操縱轉(zhuǎn)向器的工作機(jī)構(gòu),主要有轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向柱等組成。轉(zhuǎn)向器是將轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動變?yōu)檗D(zhuǎn)向搖臂的擺動或齒條軸的直線往復(fù)運(yùn)動,并對轉(zhuǎn)向操縱力進(jìn)行放大的機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)向器一般固定在汽車車架或車身上,轉(zhuǎn)向時,操縱力通過轉(zhuǎn)向器后一般還會改變傳動方向。從轉(zhuǎn)向盤到轉(zhuǎn)向傳動軸這一系列的零件和部件,均屬于轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)。
(1)轉(zhuǎn)向器的影響
汽車行駛時,駕駛員對汽車行駛方向的改變是通過操縱方向盤來實現(xiàn)的,轉(zhuǎn)向盤的性能直接影響汽車的操縱性。轉(zhuǎn)向器常見的故障有游隙過大和轉(zhuǎn)向沉重。轉(zhuǎn)向器游隙過大會造成前輪擺頭現(xiàn)象。轉(zhuǎn)向器游隙過大的原因是:轉(zhuǎn)向器蝸桿軸上下軸承間隙過大;擺臂軸上的雙銷與蝸桿嚙合間隙過大:轉(zhuǎn)向垂臂軸緊固螺栓松動。轉(zhuǎn)向沉重會使操縱系統(tǒng)不易控制。造成轉(zhuǎn)向沉重的原因是:轉(zhuǎn)向器缺油;轉(zhuǎn)向軸因彎曲或軸管癟而互相碰擦;轉(zhuǎn)向搖臂軸與襯套配合間隙過??;蝸桿與滾輪傳動副嚙合間隙過??;轉(zhuǎn)向器蝸桿上下軸承調(diào)整過緊或軸承損壞。
(2)轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的影響
轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)是將轉(zhuǎn)向器傳來的力經(jīng)該機(jī)構(gòu)傳向車輪,并使左右轉(zhuǎn)向輪同時朝一個方向偏轉(zhuǎn)一個角度,以保證實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)向垂臂、轉(zhuǎn)向縱拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、梯形臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿及球頭銷等組成。傳動機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障會使汽車失去控制,造成交通事故。常見的故障有:轉(zhuǎn)向拉桿球頭銷裝配不適(過緊或松曠),轉(zhuǎn)向節(jié)主銷與襯套配合不符合標(biāo)準(zhǔn),轉(zhuǎn)向節(jié)止推軸承間隙不符合標(biāo)準(zhǔn);間隙過大會導(dǎo)致汽車中速擺頭,而配合過緊或缺油會使汽車轉(zhuǎn)向沉重。
3.1懸架系統(tǒng)作用
汽車懸架是汽車重要的組成部分,它是連接車輪與車架的彈性傳力裝置。不僅承受作用在車輪和車體之間的力,還可以吸收與緩和汽車在不平的路面上行駛時,所產(chǎn)生的振動和沖擊,從而提高乘坐的舒適性,延長機(jī)件的壽命。
3.2 懸架系統(tǒng)的組成
現(xiàn)代汽車的懸架盡管各有不同的結(jié)構(gòu)形式,但一般都是由彈性元件、減振器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)三部分組成,這三部分分別起緩沖、減振和力的傳遞作用。轎車上來講,彈性元件多采用螺旋彈簧,它只承受垂直載荷,緩和不平路面對車體的沖擊,具有占用空間小,質(zhì)量小,無需潤滑的優(yōu)點(diǎn),但沒有減振作用。采用減振器是為了吸收振動,使汽車車身振動迅速衰弱(振幅迅速減?。?,使車身達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。減振器指液力減振器,是為了加速衰減車身的震動,它是懸架機(jī)構(gòu)中最精密和復(fù)雜的機(jī)械件。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在輕型汽車中,也是連接車架(或車身)與車橋(或車輪)的結(jié)構(gòu),除了傳遞作用力外,還能夠使車架(或車身)隨車輪按照一定的軌跡運(yùn)動。傳力裝置是指車架的上、下擺臂等叉形鋼架、轉(zhuǎn)向節(jié)等元件,用來傳遞縱向力、側(cè)向力及力矩,并保證車輪相對于車架(或車身)有確定的相對運(yùn)動規(guī)律。
3.3 懸架系統(tǒng)對操縱穩(wěn)定性的影響
懸架的作用是把車架與汽車前后橋連接在一起,并使車輪在行駛中所承受的沖擊力不直接到車架,以免引起車身的劇烈震動而加速機(jī)件的損壞。減振器的作用是當(dāng)鋼板彈簧變形時,能迅速消減其震動,使汽車平穩(wěn)行駛。如果懸架出現(xiàn)故障,如鋼板彈簧剛度不一,減震器失效,則會出現(xiàn)前輪擺頭或行駛跑偏,嚴(yán)重影響操縱穩(wěn)定性。
車輪定位有主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角和前束四個幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),在汽車行駛中起著重要作用。
4.1 主銷后傾角γ
圖1所示,轉(zhuǎn)向節(jié)主銷軸線或假想的主銷軸線(某些獨(dú)立懸架的汽車無實際主銷)在縱向平面內(nèi)向后傾斜,與鉛垂線所形成的夾角稱為主銷后傾角。主銷后傾角的作用在于當(dāng)轉(zhuǎn)向輪受外力影響偏離直線行駛方向時,形成穩(wěn)定力矩自動回正。
主銷后傾角的獲得一般是在安裝時,通過懸架元件相互位置來保證的。主銷后傾角的存在可使轉(zhuǎn)向軸線與路面的交會點(diǎn)在輪胎接地點(diǎn)的前方,可利用路面對輪胎的阻力讓車子保持直進(jìn),其原理就如購物推車的前輪會自動轉(zhuǎn)至你施力的方向并保持直進(jìn)。由于汽車轉(zhuǎn)向輪始終是圍繞著主銷旋轉(zhuǎn),并且前軸軸荷是通過主銷傳給車輪的,那前軸的重心就在主銷軸線和它的延長線上,由于主銷軸線的延長線與輪胎和地面的實際交點(diǎn)之間以保持有一定的距離,汽車轉(zhuǎn)彎時轉(zhuǎn)向輪便產(chǎn)生了離心力,這種離心力引起地面對轉(zhuǎn)向輪的側(cè)向反作用力作用在輪胎與地面的實際接觸點(diǎn)上。汽車在轉(zhuǎn)向時,不僅要克服輪胎與地面的摩擦阻力,同時也要克服這一側(cè)向反作用力。同樣汽車在行駛過程中由于種種非人為因素造成轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)向時,這種轉(zhuǎn)向力必須大于主銷后傾角帶來的側(cè)向反作用力,車輪才能真正實現(xiàn)偏轉(zhuǎn),迫使轉(zhuǎn)向輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)的外力消失后,側(cè)向反作用力就可以幫助車輪自動回正,這個側(cè)向反作用力就是主銷后傾角產(chǎn)生的回正力矩。側(cè)向反作用力矩的大小取決于主銷后傾角軸線的延長線與輪胎和地面實際接觸點(diǎn)的距離,以及行車的速度。主銷后傾角越大,車速越高,轉(zhuǎn)向輪自動回正的力矩也就越大。
按照國內(nèi)傳統(tǒng)的汽車?yán)碚?,主銷后傾角越大,行駛中產(chǎn)生的離心力就越大,防止車輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)的反向推力就越大,所以主銷后傾角越大,汽車直線行駛的穩(wěn)定性就越好。但是主銷后傾角越大,汽車轉(zhuǎn)向時所需克服的反向推力也就越大,轉(zhuǎn)向就越重,所以主銷后傾角一般不超過3°。此外,主銷后傾角對轉(zhuǎn)向輪的擺振也起到很好的阻尼作用。但過多地加大主銷后傾角也會影響汽車行駛的穩(wěn)定性,在實踐中發(fā)現(xiàn),超過原設(shè)計,過多的加大主銷后傾角,在高速行駛中會出現(xiàn)轉(zhuǎn)向發(fā)飄,左右牽引的故障。哲學(xué)上講凡事都有度,量變多了就會發(fā)生質(zhì)變。主銷后傾角過大,轉(zhuǎn)向盤回正過快、過猛,超過了回正范圍,到了另一側(cè)繼續(xù)回正,如此反復(fù)就形成了高速行駛中轉(zhuǎn)向發(fā)飄、左右牽引,這時適當(dāng)降低主銷后傾角即可排除故障。
4.2 主銷內(nèi)傾角β
圖2所示,轉(zhuǎn)向節(jié)主銷軸線或假想的主銷軸線在橫向平面內(nèi)向內(nèi)傾斜,與鉛垂線所形成的夾角稱為主銷內(nèi)傾角。主銷內(nèi)傾角亦有使車輪自動回正的作用,同時可使轉(zhuǎn)向輕便。
主銷內(nèi)傾角能幫助轉(zhuǎn)向輪自動回正。前輪是圍繞主銷旋轉(zhuǎn)的,而主銷是向內(nèi)傾斜的。
主銷內(nèi)傾使轉(zhuǎn)向節(jié)距地面高度降低,距地面更近,重力作用使車輛高度被降低,轉(zhuǎn)向輪在轉(zhuǎn)向時沿著傾斜的主銷作弧線運(yùn)動,就和圍繞歪斜的門軸做弧線運(yùn)動一樣,隨著轉(zhuǎn)向角和主銷內(nèi)傾角加大,輪胎外側(cè)逐步加大路面的壓力。汽車在柏油、水泥路面上行駛時,地面比輪胎更為堅硬,輪胎不可能陷入地下。于是,轉(zhuǎn)向時輪胎外側(cè)給地面一個壓力,地面就給它一個反作用力,在地面反作用力下,轉(zhuǎn)向輪連同它所承載的汽車前部都要抬起一個相應(yīng)的高度,才能使它實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。
汽車完成轉(zhuǎn)向后,迫使汽車轉(zhuǎn)向的外力消失后,前輪就會在前軸軸荷重力的作用下,自動回到中間位置。從理論上講主銷內(nèi)傾角越大,汽車的轉(zhuǎn)向輪和整個汽車的前半部分就抬得越高,轉(zhuǎn)向輪的回正力矩就越強(qiáng),因此汽車急轉(zhuǎn)彎后,手一松方向盤,車輪就能自動回正。
4.3 轉(zhuǎn)向輪外傾角α
轉(zhuǎn)向輪安裝時并非垂直于路面,車輪中心平面與鉛垂線的夾角稱為外傾角,如圖3所示。
作用及原理:轉(zhuǎn)向輪外傾可使主銷偏移距進(jìn)一步減小,因而具有使轉(zhuǎn)向輕便的作用。同時,可使轉(zhuǎn)向輪適應(yīng)路面拱形,防止輪胎表面內(nèi)外磨損不勻。此外,還能防止車橋承受強(qiáng)荷變形時出現(xiàn)車輪內(nèi)傾,減小軸端小軸承及輪鞍緊固螺母的負(fù)荷,以延長其使用壽命。
4.4 前束
從汽車的正上方向下看,由輪胎的中心線與汽車的縱向軸線之間的夾角稱為前束角,如圖4所示。輪胎中心線前端向內(nèi)收束的角度為正前束角,反之為負(fù)前束角??偳笆档扔趦蓚€車輪的前束值之和,即兩個車輪軸線之間的夾角。
前輪前束的作用與原理:車輪外傾角使車輪只有在汽車承載后才能垂直于路面,而在空載時車輪則向外傾斜,在行駛中車輪就成了錐體,左右車輪有向兩邊滾開的趨勢,但因前軸和橫拉桿又是和左右車輪相連,這就造成了車輪的滑移。為了抵消車輪向兩邊滾開的趨勢,并最大限度地消除車輪的滑移,于是設(shè)計了前輪前束,給車輪一個向內(nèi)滾動的趨勢,與車輪外傾造成向外滾開的趨勢相抵消,達(dá)到直線行駛的目的。前輪前束必須和前輪外傾角相匹配,前輪外傾角越大,前束值就越大。
4.5 車輪定位參數(shù)對操縱穩(wěn)定性的影響
車輪外傾角是汽車前輪定位的一個重要參數(shù),一般盡量減少車輪相對車身跳動時的外傾角的變化,在常見的車輪跳動范圍內(nèi),其變化量控制在1°以內(nèi)。最好應(yīng)使車輪由下向上跳動時外傾角向減小方向變化,以確保汽車曲線行駛過程中車身側(cè)傾時,外傾車輪接近于垂直地面狀態(tài),從而提高輪胎的側(cè)偏特性。
主銷后傾角對轉(zhuǎn)向時車輪外傾變化影響較大。假若主銷后傾角過大,則外側(cè)轉(zhuǎn)向輪的外傾角會向負(fù)方向變化。因此,當(dāng)前輪主銷后傾角較大時,需增加前輪轉(zhuǎn)向所必需的橫向力,以抵消外傾推力,這樣不足轉(zhuǎn)向弱,最大橫向加速度會增大。一般認(rèn)為2°到3°是合理的范圍。
主銷內(nèi)傾角有利于主銷橫向偏距的減小,從而可以減少轉(zhuǎn)向時駕駛員加在方向盤上的力,使轉(zhuǎn)向輕便,同時也減少從轉(zhuǎn)向輪傳到方向盤上的沖擊力。內(nèi)傾角不宜過大,否則在轉(zhuǎn)向時,車輪繞主銷轉(zhuǎn)動的過程中,輪胎與路面之間將產(chǎn)生較大的滑動,增加了輪胎與路面間摩擦阻力,這不僅使轉(zhuǎn)向發(fā)沉,而且加速了輪胎的磨損。
車輪跳動時的前束變化對車輛的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性有很大的影響,是汽車懸架的重要參數(shù)之一。設(shè)計時希望在車輪跳動時,前束不變或變化幅度較小。
前束值誤差過大的危害:
(1)加大了輪胎的側(cè)滑量。跑長途時爆胎大都是由于前束值超差過多所致。汽車過側(cè)滑板時側(cè)滑量過大是由于前輪前束和前輪外傾角不合適造成的,而最常見的是前輪前束不對。不僅前輪,后輪也存在側(cè)滑問題。
新型汽車必須做四輪定位就是因為它們增加了后輪外傾角和后輪前束的設(shè)計,這其中重要目的之一就是減少后輪的側(cè)滑。正確的前束值是減少側(cè)滑、延長車輪壽命的有效方法之一。那些在胎冠和胎側(cè)交角處出現(xiàn)鋸齒形磨損,就是典型的前束值超差過多所致。外側(cè)胎肩處產(chǎn)生鋸齒形磨損說明前束值過大;內(nèi)側(cè)胎肩處產(chǎn)生鋸齒形磨損說明出現(xiàn)了嚴(yán)重的反前束。無論是側(cè)滑摩擦生熱造成的爆胎,還是軟橡膠和硬地面反復(fù)摩擦造成的鋸齒形磨損,出現(xiàn)這些故障的車輪的前束值誤差都在15mm以上。圖5的兩條曲線分別表示了外傾角失準(zhǔn)和前束失準(zhǔn)對輪胎磨損的影響:縱坐標(biāo)是相對磨損率,橫坐標(biāo)是前束和外傾角。研究證明,在相同的時間里,前束失準(zhǔn)狀態(tài)下輪胎磨損曲線比外傾角失準(zhǔn)輪胎磨損曲線上升得要快。而且外傾角不當(dāng)磨損的是輪胎胎冠的一側(cè),而前束不當(dāng)造成的磨損是整個輪胎胎面拉鋸齒狀的損壞,這證明前束失準(zhǔn)造成輪胎滾動時的摩擦比地面相對滑動摩擦更嚴(yán)重。
(2)轉(zhuǎn)向器中速擺振。汽車在接近中速的5km速度范圍內(nèi)出現(xiàn)轉(zhuǎn)向器擺振,提速或減速離開這個速度區(qū)域后擺振故障現(xiàn)象自然消失,這通常是前輪前束值誤差在8mm以上所致。調(diào)整前束后,故障即可消除。
(3)造成輕微的轉(zhuǎn)向偏重。前束值超過8mm時,轉(zhuǎn)向會略感發(fā)沉。如使用是循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器會出現(xiàn)向左轉(zhuǎn)時沉,向右轉(zhuǎn)時輕。我國使用的是左側(cè)轉(zhuǎn)向器,這就決定了循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的螺桿是反扣的,向左轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)向螺母向上移動,上軸承受力大。向右轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向螺母下移動,下軸承受力大。循環(huán)球轉(zhuǎn)向器采用噴濺潤滑,但轉(zhuǎn)向器也是減速器,速度極低,上軸只是半干潤滑,所以它受力較大時,問題就暴露出來。前輪定位不當(dāng)造成轉(zhuǎn)向沉重的最常見原因是前輪前束值和主銷后傾角,二者區(qū)別是:主銷后傾角造成的轉(zhuǎn)向沉重,同時伴有轉(zhuǎn)向輪回位差的故障;前輪前束值誤差過大造成的轉(zhuǎn)向沉重,在梯形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向器中通常表現(xiàn)為轉(zhuǎn)向向左重向右輕,其中前輪前束值不當(dāng)造成的轉(zhuǎn)向重更為明顯一些。
(4)行駛跑偏。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器使用兩根橫拉桿,調(diào)前束時,兩根橫拉桿調(diào)整量必須相等,否則會造成兩側(cè)車輪偏轉(zhuǎn)角度不一樣,造成行駛跑偏。為此大部分廠家都規(guī)定,前束調(diào)整完后兩根橫拉桿在前束上的差值不得大于3mm。通常前輪驅(qū)動的轎車與后輪驅(qū)動的轎車相比受前束的影響更大,這些轎車的前輪不是被推向前進(jìn),而是前輪拉著車輛前進(jìn),若是前輪前束值不正確,在冰雪濕滑路面上對方向的控制和操縱的穩(wěn)定性的破壞更大,所以前輪驅(qū)動的轎車前束值更需嚴(yán)格控制。
現(xiàn)代汽車前輪定位參數(shù)調(diào)整方法隨著道路運(yùn)輸高速化的迅速發(fā)展,世界各國汽車制造廠為適應(yīng)汽車在高速公路上行駛的穩(wěn)定性和舒適性要求,對汽車的懸架及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都進(jìn)行了根本性的改革。尤其是乘用車,幾乎均采用了獨(dú)立懸架裝置,同時改變了單一前輪定位的傳統(tǒng)觀念,實行前、后車輪都有定位參數(shù)的“四輪定位”,進(jìn)一步保證了車輛行駛系統(tǒng)的穩(wěn)定性和舒適性。不同車型的懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各異,尤其是進(jìn)口乘用車,其懸架及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)差異很大,因而其定位參數(shù)及調(diào)整方法也各不相同,這給汽車維修工作帶來了很大的困難。為保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確可靠,在車輛檢測、調(diào)整車輪定位參數(shù)前,應(yīng)首先檢測并確保下列幾點(diǎn):輪胎的磨損正常、充氣壓力正確、輪轂軸承不松動;懸架或連接襯套無變形、松動;轉(zhuǎn)向桿系、球形節(jié)連接無松動;車輪動不平衡符合標(biāo)準(zhǔn)。
汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、前輪定位參數(shù)對汽車的穩(wěn)定性具有十分重要的影響,通過以上闡述可以是我們明白汽車的生產(chǎn)使用中穩(wěn)定性如何調(diào)試,從而增加汽車使用的舒適程度,從而達(dá)到了此文的研究目的。
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[12] 戴胡軍、程國元主編:《豐田系列轎車維修一本通》,江蘇科技技術(shù)出版社, 2007年版。
On the relationship between automobile structure and handling stability
ZHANG Gu yu
(Institute of military traffic in The Chinese People's Liberation Army, Tianjin 300161, China)
With the popularity of automobiles, people have higher requirements not only on automotive dynamics and economics but on vehicle handing stability. On the research of vehicle handing stability, the tendency of front wheel camber, kingpin caster, kingpin inclination and front wheel toe has a significant influence on vehicle handing stability.
Vehicle; handling stability