生命的前提是运动，如果没有运动，生命变得僵硬、没有生气或完全死亡，诚如伽利略所说，“在自然界中没有其他的物质的年龄比运动更古老”。移动性是人类对车辆的本质诉求，按照驾驶员的意图移动和抵御外部环境干扰构成了车辆稳定性的主要研究范畴。
2020年全球第一台获批上路的飞行汽车（资料图）
在汽车工业早期，由于车速比较慢，稳定性问题没有得到重视，在一些汽车赛事中，由于车速较高，空气动力学问题产生了稳定性事故，空气动力学稳定性问题才得到认识。20世纪30年代以后，高速公路逐渐发展、发动机后置车型以及流线型车身设计使得空气动力学稳定性问题突出，基于空气动力学的车辆稳定性研究在学术和工程领域有了充分的发展，这些研究成果包括针对民用车辆、高性能车辆及赛车的研究，相关的理论和技术也已经融入新车型的开发工作中。
车手Bernd Rosemeyer极速挑战事故（1938年1月28日）（图片来自网络）
1、基本理论和失稳机理
从宏观上来看，车辆所受到的所有外力可以归纳为四部分，如下公式所示。作为地面交通工具，路面的作用力是非常重要的，包括支持力和切向力，属于接触力，重力是车辆设计之初基本可以权衡和确定的力，为非接触力，空气作用力属于较为复杂的接触力，最后是惯性力，惯性力是车辆动力学的最终诉求，重力和惯性力为主动力，而地面作用力和空气作用力为被动力，对车辆稳定性带来考验的力可能来自惯性力（驾驶意图或操纵策略）、地面作用力（地面附着特性改变或路面不平等）和空气作用力（侧向力或升力改变）。虽然外界干扰的来源有很多，但车辆失稳的本质条件可以认为是轮胎切向力供给不足。
传统的操纵稳定性研究解决了由于惯性力变化所产生的失稳现象，同时也考虑了地面作用力的变化引起的稳定性问题，但对于空气作用力引入的不稳定因素所导致的失稳现象研究较为欠缺。气动力作用下车辆失稳主要包含两方面，分别来自于侧向力和升力的变化：不管是何种原因产生偏航现象，车辆将受到气动侧向力作用，若风圧中心在车辆重心之前，侧向力将产生横摆力矩，该横摆力矩具有使车辆失稳的作用，若轮胎侧向力不足则导致失稳，通常用侧风稳定性能来评价；高速工况下，若车辆产生较大气动升力，将改变轮胎附着特性，轮胎侧向力供给不足，小的侧向扰动同样会导致失稳发生，与升力改变产生失稳现象相关的性能评价包括：转向性能、弯道行驶性能、车道变换性能、载荷变换性能、高速时的转向反馈以及高速时的摆动等。
车辆稳定性除了与外界干扰因素相关外，也受车辆本身底盘动力学性能影响，包括轮胎附着特性、侧偏特性、悬架特性、转向特性和传动系统特性等，因此，车辆稳定性是驾驶意图、车辆动力学特性和外界干扰因素等相平衡的结果，通过分析由空气作用力变化引起的失稳现象与车辆底盘动力学特性之间的关系，可提升车辆行驶稳定性和安全性。
2、典型工况
车辆高速行驶工况主要包括：高速巡航、非稳态侧风激励、准定常偏航、高速车道变换等。其中，高速巡航工况主要考察气动升力分布及其对轮胎附着特性的影响；非稳态侧风激励工况主要研究侧风稳定性能；准定常偏航工况主要研究气动侧向力对车辆横摆运动的影响；高速车道变换工况主要考察高速工况下的操纵稳定性。
高速行驶车辆失稳典型场景（图片来自网络）
3、研究手段
辆气动稳定性技术手段包括：虚拟仿真、风洞试验和道路试验等，其中虚拟实验主要搭建计算流体力学与系统动力学联合仿真平台，包括多体动力学模型、空气动力学模型和驾驶员模型等，分析气动力作用下的车辆稳定性影响因素；风洞试验包括准定常偏航工况下的气动力测量、浮动车身姿态下的气动力测量，综合考虑车辆的准定常侧风敏感性和高速稳定性等准静态稳定性；道路试验包括动态侧风稳定性试验和高速变道试验，考察车辆的动态稳定性。虚拟仿真、风洞和道路试验中均综合考察车辆失稳机理和影响因素，重点分析造型设计和底盘动力学参数的影响，最终给出提升稳定性的改进措施。
车辆在实车道路上行驶时车身姿态是变动的，为了模拟车辆受到空气作用力时车身高度姿态的变化，中汽中心气动-声学风洞试验室可实现车辆自由浮动状态下的气动力测量功能，即在测试过程中释放车辆Z方向的自由度，进而获得更为接近真实道路的车身姿态和车身姿态对稳定性的影响规律，是国内唯一具备该测试能力的研究机构。
中汽中心气动稳定性测试设备 - 高精度天平系统
4、应用情况
空气动力学稳定性的研究最早出现在汽车赛事中，如今在汽车赛车中的应用也是最广泛和极致的，通过获得极致下压力及在车身不同位置的气动平衡设计，赛车可以获得更好的操控性能，以更高的速度稳定地通过弯道以及完成超车动作。
空气动力学稳定性控制装置（图片来自网络）
汽车空气动力学稳定性问题包含很多方面的研究，比如对于高速直线行驶的车辆，其风圧中心在重心位置之前是一个不稳定的状态，小的偏航角产生的侧向力会导致车辆发生横摆运动，而风圧中心在重心之后的车型是空气动力学稳定的。
自然风和侧风对车辆的稳定性也有重要影响，这时受到的空气动力学作用力、驾驶员的反应和车辆的响应是三个需要考虑的重要因素。超车或会车过程中，受到周围车辆流场的影响，车身周围的压力场分布会发生变化，使得车辆的阻力和侧向力会发生变化，影响行驶的稳定性。一些商用车或有拖挂车的车辆受侧风的影响而产生稳定性的问题更为突出。除此之外，车辆造型、冷却气流、车身缝隙、外后视镜、底盘、轮胎、车顶附件等都会对车辆的空气动力学稳定性产生影响，相关方面的研究也有很多。
中汽中心依托风洞试验室和实车横风道路试验场，开展空气作用力下的高速行驶稳定性研究工作，以揭示二者之间的内在关系，并探究系统改善和提升车辆高速行驶稳定性的解决方案，为我国汽车空气动力学技术进步和发展提供支撑。#空气动力学#轮胎#高速收藏
车手Bernd Rosemeyer极速挑战事故（1938年1月28日）（图片来自网络）
1、基本理论和失稳机理
从宏观上来看，车辆所受到的所有外力可以归纳为四部分，如下公式所示。作为地面交通工具，路面的作用力是非常重要的，包括支持力和切向力，属于接触力，重力是车辆设计之初基本可以权衡和确定的力，为非接触力，空气作用力属于较为复杂的接触力，最后是惯性力，惯性力是车辆动力学的最终诉求，重力和惯性力为主动力，而地面作用力和空气作用力为被动力，对车辆稳定性带来考验的力可能来自惯性力（驾驶意图或操纵策略）、地面作用力（地面附着特性改变或路面不平等）和空气作用力（侧向力或升力改变）。虽然外界干扰的来源有很多，但车辆失稳的本质条件可以认为是轮胎切向力供给不足。
传统的操纵稳定性研究解决了由于惯性力变化所产生的失稳现象，同时也考虑了地面作用力的变化引起的稳定性问题，但对于空气作用力引入的不稳定因素所导致的失稳现象研究较为欠缺。气动力作用下车辆失稳主要包含两方面，分别来自于侧向力和升力的变化：不管是何种原因产生偏航现象，车辆将受到气动侧向力作用，若风圧中心在车辆重心之前，侧向力将产生横摆力矩，该横摆力矩具有使车辆失稳的作用，若轮胎侧向力不足则导致失稳，通常用侧风稳定性能来评价；高速工况下，若车辆产生较大气动升力，将改变轮胎附着特性，轮胎侧向力供给不足，小的侧向扰动同样会导致失稳发生，与升力改变产生失稳现象相关的性能评价包括：转向性能、弯道行驶性能、车道变换性能、载荷变换性能、高速时的转向反馈以及高速时的摆动等。
车辆稳定性除了与外界干扰因素相关外，也受车辆本身底盘动力学性能影响，包括轮胎附着特性、侧偏特性、悬架特性、转向特性和传动系统特性等，因此，车辆稳定性是驾驶意图、车辆动力学特性和外界干扰因素等相平衡的结果，通过分析由空气作用力变化引起的失稳现象与车辆底盘动力学特性之间的关系，可提升车辆行驶稳定性和安全性。
2、典型工况
车辆高速行驶工况主要包括：高速巡航、非稳态侧风激励、准定常偏航、高速车道变换等。其中，高速巡航工况主要考察气动升力分布及其对轮胎附着特性的影响；非稳态侧风激励工况主要研究侧风稳定性能；准定常偏航工况主要研究气动侧向力对车辆横摆运动的影响；高速车道变换工况主要考察高速工况下的操纵稳定性。
高速行驶车辆失稳典型场景（图片来自网络）
3、研究手段
辆气动稳定性技术手段包括：虚拟仿真、风洞试验和道路试验等，其中虚拟实验主要搭建计算流体力学与系统动力学联合仿真平台，包括多体动力学模型、空气动力学模型和驾驶员模型等，分析气动力作用下的车辆稳定性影响因素；风洞试验包括准定常偏航工况下的气动力测量、浮动车身姿态下的气动力测量，综合考虑车辆的准定常侧风敏感性和高速稳定性等准静态稳定性；道路试验包括动态侧风稳定性试验和高速变道试验，考察车辆的动态稳定性。虚拟仿真、风洞和道路试验中均综合考察车辆失稳机理和影响因素，重点分析造型设计和底盘动力学参数的影响，最终给出提升稳定性的改进措施。
车辆在实车道路上行驶时车身姿态是变动的，为了模拟车辆受到空气作用力时车身高度姿态的变化，中汽中心气动-声学风洞试验室可实现车辆自由浮动状态下的气动力测量功能，即在测试过程中释放车辆Z方向的自由度，进而获得更为接近真实道路的车身姿态和车身姿态对稳定性的影响规律，是国内唯一具备该测试能力的研究机构。
中汽中心气动稳定性测试设备 - 高精度天平系统
4、应用情况
空气动力学稳定性的研究最早出现在汽车赛事中，如今在汽车赛车中的应用也是最广泛和极致的，通过获得极致下压力及在车身不同位置的气动平衡设计，赛车可以获得更好的操控性能，以更高的速度稳定地通过弯道以及完成超车动作。
空气动力学稳定性控制装置（图片来自网络）
汽车空气动力学稳定性问题包含很多方面的研究，比如对于高速直线行驶的车辆，其风圧中心在重心位置之前是一个不稳定的状态，小的偏航角产生的侧向力会导致车辆发生横摆运动，而风圧中心在重心之后的车型是空气动力学稳定的。
自然风和侧风对车辆的稳定性也有重要影响，这时受到的空气动力学作用力、驾驶员的反应和车辆的响应是三个需要考虑的重要因素。超车或会车过程中，受到周围车辆流场的影响，车身周围的压力场分布会发生变化，使得车辆的阻力和侧向力会发生变化，影响行驶的稳定性。一些商用车或有拖挂车的车辆受侧风的影响而产生稳定性的问题更为突出。除此之外，车辆造型、冷却气流、车身缝隙、外后视镜、底盘、轮胎、车顶附件等都会对车辆的空气动力学稳定性产生影响，相关方面的研究也有很多。
中汽中心依托风洞试验室和实车横风道路试验场，开展空气作用力下的高速行驶稳定性研究工作，以揭示二者之间的内在关系，并探究系统改善和提升车辆高速行驶稳定性的解决方案，为我国汽车空气动力学技术进步和发展提供支撑。
