转向不足(转向不足和转向过度的原因)

由衷的先说一句,这是个好问题!所以回答起来有点复杂,但一定能帮你弄搞清楚 转向不足:)

转向不足(转向不足和转向过度的原因)

如何理解转弯过程中的不足转向和过多转向所谓的转向过多和转向不足,其实都是在车辆稳态转向的工况下定义的。但这部分与解答本文的问题关系并不是很密切,因此想了解更加细化的知识,可以参见我刚刚发表的两篇讲解车辆转向特性的科普文章,附上链接:

转向不足(转向不足和转向过度的原因)

1.每天听人说转向不足和转向过度,你真的了解它们吗? :///i6756175933436068359/

转向不足(转向不足和转向过度的原因)

2.再谈汽车的转向特性问题,这次简单,初中毕业就能看明白

转向不足(转向不足和转向过度的原因)

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转向不足(转向不足和转向过度的原因)

今天我试图从更直观的角度来阐述它。首先,要明确的一点就是,一辆汽车,不论发动机性能多强大,它与地面接触的部分只有四个轮胎上那几块小小的接地面,所以车辆不论是起步、刹车、转弯,所需要的力均来自地面给的摩擦力。

转向不足(转向不足和转向过度的原因)

转向不足(转向不足和转向过度的原因)

车辆转弯过程中的受力与力矩现在我们来看转弯时候的车辆受力问题,转弯可以理解为绕着某个中心点做圆周运动,那么圆周运动就会产生离心力,那么离心力谁来提供?肯定是地面施加给轮胎的,所以一辆车在转弯时的受力关系是这样的:

转向不足(转向不足和转向过度的原因)

可以看到,地面对每个轮胎都会施加一个垂直于车辆纵向的力,这个力我们叫做侧向力,它们正是用来抵抗离心力的。(侧向力来自于轮胎的侧偏特性,更多细节还是参见我的文章)。

一般情况下,如果车速变快,离心力变大,我们会感觉车辆往弯道外侧甩,那这时候,我们都会多打一些方向,让车辆继续回到原本我们规划的转弯路线上来,这时候你其实就是通过改变前轮的转角,同时增大了前后轮的侧偏力,来抵抗更大的离心力。这样其实会有一个潜在的问题,我们看一下。

前面的分析假设的是前后轮所产生的侧向力是一样大的,实际上由于多种因素造成前后轮的侧向力是不相等的,即便打方向时两者都增加,但增加的幅度是不一样的。这就产生了一个使车身绕着质心旋转的力矩!看图:

如果前轮侧向力产生的力矩比后轮大,车辆就会绕质心顺时针旋转,那么车头就会指向弯道内测,并在惯性的驱使下沿着弯道内侧冲过去,这就是咱常说的转向过度的表现;反之,如果后轮侧向力比前轮大,那车辆就会绕质心逆时针旋转,也就是偏向了弯道外侧,那就是转向不足的表现了。

到这,已经基本说清为啥在驾驶中会出现所谓的转向不足与转向过度的问题了,那ESP呢?别急,ESP出场前,还需要说明一点:在上述的操作中,虽然可能产生转向不足或者转向过度的问题,但是一般来说不会有什么危险,因为刚说了,通过打方向可以改变前后轮的侧向力大小,那么显然,如果出现了上述情况,我们是可以挽救的,比如不足转向的情况下,我们可以多打一点方向盘,如果是过多转向我们可以往回打一下方向盘,对吧。貌似不需要什么ESP。

但是,这都是在侧向力足够用的前提下哦!

如果离心力太大,大到你怎么打方向,轮胎的侧向力都不够用,或者这种转向是在紧急情况下发生的,你来不及反应或者反应过激方向打得太猛了,那你怎么办?这就是ESP上场的时候了。一口气说了两个或者,咱们下面挨个分析。

情况1:轮胎侧向力濒临极限时若轮胎的侧向力接近了极限,也就是你再通过打方向而获得的侧向力微乎其微了,那还有什么招数可以力挽狂澜吗?当然有的,没有也就不用单拿出来说了。

但是正确理解它之前,需要一点关于轮胎的附着力极限的知识。简单说,轮胎提供了车辆纵向的驱动力或者制动力,同样也能够提供转弯所需的侧向力,但是它们的总量是有限的!打个比方,你又困又饿,想找个地方吃点饭又想找个地方睡觉,但你兜里有60块钱,所以你要么吃顿好的,然后蹲马路牙子上打个盹,要么你就开个钟点房躺床上饿着睡,但是你如果又想不饿又想不困,那你就只能吃也吃不饱睡也睡不睡好咯,就这么个道理。回到问题本身,我们常用所谓的“附着椭圆”来描述轮胎的这个极限:

上图中,如果某个车辆处在加速过弯的状态,在此刻它某个轮胎有3000N的力用于驱动它加速,同时由于转弯,轮胎还负担了1500N的侧向力,那么两者合成之后(橘黄色的箭头)的总的轮胎附着力,就到达了这个边缘,也就是说,此时它再加速,或者转弯再剧烈一点,这个轮胎就要打滑了。就这么个意思。

有了这个知识护体,你就很容易理解下面的内容了,我们现在面临的问题是,侧向力濒临极限!从附着椭圆来看,轮胎受力位于下图红点位置:

此时我们只打方向的话,那么轮胎的侧向力能增加的区间十分有限,马上就到顶了,但同时你会发现,纵向力(制动力和驱动力)两侧距离极限还较远,也就是说驱动力和制动力还是有利用空间的,如果想充分利用轮胎的极限,那你就要让这个红点左右走,而不是向上走!

你可能会问,我急着处理拐弯安全的事呢,你这给我加减速添什么乱呢,别急!这正是ESP能发挥作用的关键奥秘!

咱们刚刚说的这是一个轮胎,汽车可是有四个轮胎哦!比如在没有ESP的时候,作用在车辆前后轴的侧向力产生了一个让车辆顺时针旋转的力矩(叫横摆力矩,因为它影响车辆的横摆角速度)这个力矩不仅让车辆呈现过多转向,同时也加剧了车辆的横摆运动(驾驶员感觉天旋地转)。但此时轮胎能产生的侧向力已经快到极限了(图中在附着椭圆中表示出了四个轮胎的受力特点),传统的打方向盘增加侧向力已经不好使了,因此除非你是赛车手,一般人都只会嘴里念着xxx,然后向着弯内的深渊坠去了。

那么ESP此时就介入了,它可以通过利用纵向力(制动力)来产生一个额外的反方向的(逆时针方向)横摆力矩,来抵抗刚才这种有害的横摆力矩。在下图中我用绿色表示出来。注意看附着椭圆中,施加了制动力的两个车轮(左前和左后轮),它们并没有沿着增加侧向力的方向,而是“横着”移动,转而去利用纵向力了。这样,也就拓展了车辆在极限状态下的性能边界。咱们常看的麋鹿测试,如果没有ESP的辅助,车速是达不到那么快的。

由于ESP使用不同车轮的制动操作,直接产生了额外的横摆力矩,因此这种控制方法也被称为:直接横摆力矩控制(DYC: Direct Yaw moment Control)。

情况2:假如没有濒临附着极限呢?理论上来说人们能通过打方向盘自救,但是别忘了,普通人对车辆的了解和操作能力是有限的,紧急情况下人们可能因为不了解车辆极限在哪而做出错误的动作,从而导致更加严重的结果。所以ESP在这种情况下也很有必要出手,以免人们将自己送入万劫不复的危险工况,但ESP毕竟不能接管方向盘对吧(那样的话,本来就紧张的驾驶员更要吓尿了),所以它还是要用刚才说的这种DYC来对车辆姿态加以修正。

ESP怎么知道驾驶员什么时候HOLD不住了?评价车辆侧向动力学状态有两个状态参数:横摆角速度和质心侧偏角;衡量纵向上轮胎是否达到极限状态有一个量叫做滑移率,ESP系统正是通过综合这些传感器的度数,并采用一个内置的理想动力学模型,来判断实际车辆是否处于危险情况的,如果横摆角速度和质心侧偏角经过估算后,与参考模型的差别过大,ESP就要启动了,具体的内容,牵扯到状态变量的估算,要用到较为复杂的估计算法如卡尔曼滤波等,与本问题关系不大,有机会我单独开贴探讨吧。

最后的话其实不知你发现没有,ESP有个小小的BUG,就是它是基于制动的,既然制动就会损失车速,也就是说本来我只想让过弯更稳当,结果你给我减速了!这实在是无奈之举,因为传统车辆只能依靠制动来产生横摆力矩,因为它没办法单独控制每个车轮,因此,所谓的分布式驱动电动汽车才显得十分特别,它可以单独控制每个车轮的制动还是驱动,因此可以获得单纯依靠ESP方法两倍的横摆力矩,如果你想了解更多这部分内容,参看我的另一个回答::///question/6459582187376214285/

一个热爱科普的电动汽车研究人员,回答不易,大多数图都是我自己一点点做的,本文写了差不多4个小时,希望能帮到你,也希望各位关注我:)