（车辆工程专业论文）行驶过程中轮胎与路面间附着性能的评价.pdf

摘要 随着机动车保有量的增加，我国交通事故呈现不断增加的趋势，因交通事故而死亡 的人数不断增加，造成的经济损失也不断升高。据事故调查分析表明，交通事故的发生 与路面附着系数的大小有很大的关系。附着系数越低，制动距离就越长，就越容易发生 交通事故。进行附着系数研究具有重要的现实意义和理论意义。 首先总结了国内外轮胎与路面间附着系数的研究状况；分析了附着系数的影响因 素：轮胎、路面状况、滑移率和速度等；分析了附着系数在不同行驶条件下对行车安全 的影响：对目前几种常见的轮胎模型进行了比较分析，有：刷型轮胎模型、f i a l i a 轮胎 模型、魔术公式轮胎模型、u n i t i r e 轮胎模型和神经网络轮胎模型等；采用神经网络轮 胎模型对附着系数进行了评价分析；根据附着系数的影响因素设计了轮胎受力试验；采 用m a t l a b 软件创建了附着系数的b p 神经网络模型，把纵向力、侧向力、滑移率、 侧偏角以及载荷作为评价指标；最后采用经验数据进行仿真，把经验数据分成训练样本 和检验样本，选定隐含层神经元数、各层训练函数以及训练时的参数后，采用m a t l a b 软件编写b p 神经网络训练程序，用训练样本进行训练，得出比较稳定的神经网络模型， 并用检验样本在训练好的网络中进行了附着系数仿真研究。得到的仿真结果与原始数据 基本相同，仿真误差较小。还可通过g u i 进行可视化仿真，省去了编写程序，能够更方 便的使用。 关键词：附着系数，汽车制动，轮胎模型，m a t l a b ，b p 神经网络 a b s t r a c t w i t ht h ev o l u m eo fm o t o rv e h i c l e si n c r e a s i n g ，t h en u m b e ro ft r a f f i ca c c i d e n t si st a k i n g o nt h ei n c r e a s i n gt r e n d ，a n dt h en u m b e ro fd e a t h s ，t h ee c o n o m i cl o s s e sc a u s e db yt r a f f i c a c c i d e n t si sr i s i n gi nr e c e n ty e a r s a c c o r d i n gt ot h ei n v e s t i g a t i o na n a l y s i ss h o w e dt h a tt h e i n c i d e n c eo ft r a f f i ca c c i d e n t sh a sag r e a tr e l a t i o nw i t hf r i c t i o nc o e f f i c i e n t t h el o w e rf r i c t i o n c o e f f i c i e n t ，t h el o n g e rt h eb r a k i n gd i s t a n c e ，t h em o r ee a s i l yo c c u rt ot r a f f i ca c c i d e n t s t h e m a i np u r p o s eo ft h i sp a p e ri sf o r e c a s tt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e nt i r ea n dr o a d ，l e tt h e d r i v e rc a nm a k ea c c u r a t er e a l t i m ec o n t r o lo ft h et i r ea n dr o a ds u r f a c ec o n d i t i o n s ，e n s u r et h e t r a f f i cs a f e t y t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h er e s e a r c hs t a t u so ff r i c t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e nt i r ea n dt h e r o a da th o m ea n da b r o a d a n a l y z e dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so ff r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，i e t i r e ，t h e s t a t u so fr o a ds u r f a c e ，s l i p p a g er a t ea n ds p e e da n ds oo n a n a l y z e dt h ei m p a c to ff r i c t i o n c o e f f i c i e n to nt r a f f i cs a f e t yi nd i f f e r e n td r i v e nc o n d i t i o n s c o m p a r e da n da n a l y z e ds e v e r a l f a m i l i a rt i r em o d e l s ，s u c ha sb r u s ht i r em o d e l ，f i a l i at i r em o d e l ，m a g i cf o r m u l at i r em o d e l ， u n i t i r et i r em o d e la n dn e u r a ln e t w o r kt i r em o d e l a tl a s t ，a n a l y z e da n de v a l u a t e df r i c t i o n c o e 伍c i e n tw i t hb pn e u r a ln e t w o r km o d e l b a s e do nt h ei n f l u e n c ef a c t o r so ff r i c t i o n c o e f f i c i e n tt od e s i g nt h ee x p e r i m e n t a t i o no ft i r ef o r c em e a s u r e m e n t ；a d o p t e dm a t l a b s o f t w a r et os e tu pb pn e u r a ln e t w o r km o d e l ，a n dt o o kl o n g i t u d i n a lf o r c e ，s i d ef o r c e ，s l i p p a g e r a t e ，c o r n e r i n ga n g l ea n dl o a da st h ee v a l u a t i o ng u i d e l i n e f i n a l l ya d o p t e de x p e r i e n c ed a t a , s e p a r a t e de x p e r i e n c ed a t ai n t ot r a i n i n gs a m p l e sa n d t e s ts a m p l e s ，a f t e rs e l e c t e dt h en u m b e ro f t h eh i d d e nl a y e rn e u r o n s ，t h et r a i n i n gf u n c t i o na n da l ln e e dp a r a m e t e r so ft r a i n i n g ，t h e n p r o g r a m m e dt h eb pn e u r a ln e t w o r kt r a i n i n gp r o g r a mi nm a t l a bs o f t w a r e ，a n dt r a i n i n gb y t r a i n i n gs a m p l e s ，a f t e rt h a t ，g a i n e das t e a d yn e u r a ln e t w o r km o d e l ，u s e dt h et e s ts a m p l e st o s i m u l a t ei nt h ep r e v i o u st r a i n i n gn e t w o r k t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r es i m i l a rt ot h eo r i g i n a l d a t a ，t h ee r r o ri sv e r ys m a l l a l s oc a nc a r r yt h r o u g hv i s u a ls i m u l a t i o nb yg u i ，e l i m i n a t i n g w r i t et h ep r o c e s s ，u s i n gt h e m m o r ec o n v e n i e n t k e y w o r d s ：f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ；v e h i c l eb r a k i n g ；t i r em o d e l ；m a t l a b ；b p n e u r a ln e t w o r k 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：t 2 三钧 溯年舌月多日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：f ) 导师签名： 童辑h 诟年石月多日 诫年6 窍1 5 ib 长安大学硕上学位论文 1 1 问题提出的背景 第一章绪论帚一早 三百下匕 近年来，我国公路交通异军突起，道路交通事故也伴随着交通运输业的发展应运而 生。随着机动车辆保有量的增加，交通事故发生量呈现不断增加的趋势，因交通事故而 死亡的人数、造成的经济损失等指标近年来持续攀高。据统计，我国道路交通事故一直 呈上升趋势，2 0 世纪8 0 年代以后这个趋势尤为明显。表1 1 是1 9 9 5 2 0 0 4 年我国交通 事故四项统计指标( 交通事故数、死亡人数、受伤人数和直接经济损失数) 以及万车死 亡率和1 0 万人口死亡率变化情况【1 1 。 表1 11 9 9 5 , - , 2 0 0 4 年交通事故情况 交通事故直接经济损1 0 万人口 年份死亡人数受伤人数万车死亡率 次数失( 亿元)死亡率 1 9 9 52 7 1 8 4 37 1 4 9 41 5 9 3 0 81 5 2 2 2 4 85 9 1 9 9 62 8 7 6 8 57 3 6 5 51 7 4 4 4 71 7 22 0 4 l6 0 2 1 9 9 73 0 4 2 1 7 7 3 8 6 l 1 9 0 1 2 8 1 8 5 1 7 55 9 2 1 9 9 83 4 6 1 2 97 8 0 6 72 2 2 7 2 11 9 31 7 36 2 5 1 9 9 94 1 2 8 6 08 3 5 2 92 8 6 0 8 02 1 21 5 4 55 2 8 2 0 0 06 1 6 9 7 19 3 8 5 34 1 8 7 2 12 6 71 5 67 2 7 2 0 0 17 5 4 9 1 91 0 5 9 3 05 4 6 4 8 53 0 91 5 4 68 5 1 2 0 0 27 7 3 1 3 71 0 9 3 8 15 6 2 0 7 43 3 21 3 7 18 7 9 2 0 0 36 6 7 5 0 71 0 4 3 7 24 9 4 1 7 43 3 7l o 88 0 8 2 0 0 4 5 6 7 7 5 3 9 9 2 1 74 5 1 8 1 02 7 79 9 38 2 4 由表1 1 可见，中国在进入2 1 世纪以来，每年因为交通事故死亡的人数几乎都超过 l o 万人，是每年世界上因为交通事故死亡人数最多的国家，这不仅仅是因为中国是世界 上人口最多的国家。我国的交通事故死亡率( 事故死亡人数和事故伤亡总人数之比) 为 2 7 3 ，甚至比亚洲其他一些发展中国家都高，而这一项指标美国仅为1 3 ，日本为 0 9 ；万车死亡率也比发达国家高出几倍；亿车公里死亡率被看作是最能反映交通安全 状况的指标之一，我国这一指标将近是日本的l o 倍。 我国的交通事故率为什么如此之高呢? 经统计研究表明，我国正处于经济飞速发展 时期，汽车保有量成倍增加，但与此同时，道路及相关设施的建设速度却远远落后，这 样的反差导致我国交通事故率居高不下，死亡人数逐年攀升。 同欧美国家相比，我国的道路交通状况还存在巨大的差距。尤其是美、日等国具有 很大的机动车保有量，道路密度大，近年来，车辆事故率及里程事故率均持续下降，一 第一章绪论 些主要的西方国家的交通事故率也显持续下降的趋势。 交通事故造成社会财富的极大浪费，同时也对社会的安定团结产生一定的消极影 响。对道路交通事故的研究旨在通过对交通事故的发生、发展的研究，提出减少交通事 故的对策，为有关部i - j n 定相关政策法规提供技术支持。 据调查显示，驾驶员违章操作、行为规范差是交通事故的主要原因。超速行驶、不 按规定让行等造成的交通事故，分别占总数的9 2 和1 0 1 。对交通事故原因分析可知， 机动车辆驾驶员违章操作，造成的交通事故占总数5 0 多；由于机动车辆驾驶员疏忽大 意、措施不当、行车间距不够分别造成8 0 、9 2 、9 5 的交通事故。由此可见，由 于驾驶员的违章操作、经验不足、行为规范差造成了8 4 3 的交通事故【2 1 。 一般的乡村公路发生事故的原因主要是行驶速度快，驾驶员反应慢、判断出错而造 成的。而高速公路行车条件相对于一般公路是比较安全可靠的，但正由于有这种想法， 驾驶员在高速公路上就以较高的速度行驶，从而发生了一系列交通事故：汽车追尾事故、 碰撞中间隔离护栏或路边护栏、侧滑事故等等。据统计显示，2 0 0 5 年陕西省的交通事故 中，追尾碰撞事故发生的起数占总数的3 7 4 3 ，而撞固定物和翻车事故数分别占总数 的2 2 1 6 和1 9 6 7 。由以上数据可见，追尾碰撞占事故总数的主要部分。 我国公路交通管理办法规定：“在正常情况下，当行驶速度为l o o k m h 时，行 车间距为1 0 0 米以上；当时速为7 0 k m h 时，行车间距为7 0 米以上。 然而在实际操作 中情况是复杂的，驾驶员对前车的速度估计不当、驾驶员的视距存在误差、驾驶风格不 同、车辆对驾驶操作的响应能力( 加速、制动响应) 和附着系数的连续变化等使得驾驶 员对跟车距离的大小掌握不当，从而导致了一系列交通事故的发生。 据事故调查分析显示，交通事故的发生在一定程度上是由于路面附着性能低所造成 的。附着性能差，则汽车制动距离就长，就很容易发生事故。对于在高速行驶时的车辆， 路面间的附着性能是驾驶员最为关注的因素之一。众所周知，汽车在路面上行驶时必须 克服来自地面与轮胎相互作用而产生滚动阻力，滚动阻力的存在是汽车正常行驶的必要 条件，它的大小一方面取决于轮胎自身性能，另一方面主要取决于路面状况，即路面的 附着性能。良好的路面附着性能是安全行车的基础和保证。根据有关资料统计，5 一1 0 的交通事故时因为附着性能不足造成的，尤其以湿滑路面的事故率最高。路面附着系能 对行车安全的影响集中反映在附着性能与制动非安全区的关系上。制动非安全区是指从 驾驶员发现危险情况立即制动，直到车辆完全停止汽车所驶过的距离，在这段距离内随 时都有发生交通事故的可能。 2 长安大学硕t ：学位论文 因此，这就使驾驶员在行车中认真掌握路面附着性能，主动、有效地改善和利用它， 对提高运输生产率和行车安全是非常必要的。 1 2 国内外研究现状分析 1 2 1 国外研究状况 美国、韩国、德国、日本等一些汽车工业发达国家已经在路面附着系数估算领域做 了很多工作，取得了一定成果。根据测试手段和测量参数的不同将路面附着系数估算方 法分为c a u s e b a s e d 和e f f e c t b a s e d 两种【3 4 t5 6 1 ，如图1 1 。 路面附着系数估算 l li e 旋c t b a s e dc a u s e - b a s e d 估算方法 估算方法 ii 使用胎面变形传 通过测量轮胎 基于滑移率测量路面表测量路面 感器估算路面 噪声估算路面的估算算法 面粗糙度润滑状况 l il 利用加速过程利用制动过程利用车辆侧向运 进行路面估算进行路面估算动学估算路面 图1 1 路面附着系数估算方法分类 1 2 1 1c a u s e b a s e d 估算法 c a u s e b a s e d 估算法是通过测量一些对路面附着系数影响较大的因素，并根据以往 经验预测当前路面附着系数的大小。例如：使用光学传感器测量路面对光的吸收和散射 情况以判别路面上的水和其它降低路面附着系数的物质，从而判断路面附着系数的变 化。由于光学传感器一般是安装在汽车的前部，所以这种方法往往在汽车轮胎真正接触 到地面之前就能够正确判别出该段路面的附着性能，以便于驾驶员或汽车的控制系统采 取相应措施。一些日本学者还通过采用一种峰值功率为2 0 0 w 的激光束对路面进行判别， 该装置对干路面、湿路面以及冰雪路面的正确识别率可达9 8 。基于同样原理，超声波 传感器在路面检测中也有一定的应用。也有利用光学传感器直接测量路面粗糙度的。这 些测试方法准确度高，在小附着力条件下就能测试路面峰值附着系数。 然而光学传感器对工作环境要求十分苛刻，而且受外部的影响因素也较多。近年来 在道路识别系统研究中采用雷达波、毫米波等电磁波的方法也逐渐增多。这些措施一般 3 第一章绪论 是通过特殊装置向地面发射电磁波，由微波传感器等接收路面的反射波，并对反射波做 频谱分析，根据频谱差异判别路面的种类。 上述几种测试方法首先都需要额外加装传感器，且传感器成本都较高，难以实现大 规模的商业应用：其次需要进行大量的测试训练，识别精度很大程度上依赖于经验，难 以准确估算没有测试和训练过的路况附着系数。 1 2 1 2e 脆c t b a s e d 估算法 e f f e c t b a s e d 估算法是通过测试由路面附着系数或附着系数的变化在车体或车轮上 产生的运动响应来估算路面附着系数的大小。这种估算方法主要有以下几种： l 、通过测量轮胎局部应变、应力等，分析路面附着系数及其变化 这种是将磁性材料固化在轮胎胎面中，然后从轮胎内表面进行信号检测。测试结果 显示即使在轮胎驱动力、制动力很小的情况下，这种传感器也能很好地识别路面，与 c a u s e b a s e d 识别方法相比有许多优点。但这种传感器需要能量自给，而且需要实现数据 的无线传输，造价高，难以实现商业应用。 2 、根据轮胎与地面之间的噪声分析路面附着系数 这是一种声学传感器测量车辆行驶过程中轮胎与地面之间的噪声，从而判断路面峰 值附着系数的大小及变化。此种方法需要有经验的人才能判断出来，且误差较大。其轮 胎与地面之间发出噪声的复杂性使得根据噪声识别路面峰值附着系数具有一定的困难。 3 、根据西矗曲线的形状估算路面附着系数 首先假设轮胎附着力己知或通过模型估算轮胎与地面之间的附着力，根据轮速、车 速信息得到车轮的滑移率；然后采用最d , - 乘法或卡尔曼滤波等方法得到鳓曲线的斜 率，根据斜率大小判断路面峰值附着系数的高低。 轮胎附着力的估算方法有：通过g p s 和加速度传感器进行估算；通过发动机模型， 根据油门位置和发动机转速确定发动机的输出力矩，然后根据变速器挡位等计算地面驱 动力。对装有液力变矩器的车辆，根据发动机转速、变速器输出轴转速、车轮轮速，利 用液力变矩器的工作特性估算地面驱动力矩和利用附着系数。对于制动过程，有人使用 压力传感器测量主缸压力，然后通过a b s 系统模型得到制动力矩。 研究者认为痧矗曲线斜率的大小能够直接反映路面附着系数的大小。这种识别方法 能够利用轮胎在小附着力、小滑移率阶段的数据估算路面的峰值附着系数。但无论是轮 胎的附着力还是滑移率信号都具有较大的噪声，要从中拟合出曲线的斜率需要大量的数 据，因而在实时性方面存在一定不足，使用该算法的研究者多数没有说明自己的路面附 4 长安大学硕j ：学位论文 着系数识别方法是在线还是离线估算。同时垂州扫线率的大小还受轮胎类型、轮胎气压、 轮胎磨损程度等因素的影响，对同路面咖曲线斜率的大小随其它条件的变化而存在 一定差异，给路面摩擦系数的识别带来一定困难，需要进一步研究。 当然也有其它一些基于滑移率的附着系数估算方法。 ( 1 ) 采腓线性公蝴驴o ) 南拟合路面的蛳曲线，将拟合曲线 的峰值作为路面峰值附着系数；采用多项式尹= a o + 口，2 + a ：牙对鳓曲线进行拟合， 取曲线的峰值作为路面峰值附着系数，从而得到路面附着特性。但无论是多项式拟合还 是其它形式的非线性公式拟合，都需要在较大的轮胎滑移率条件下，才能使估算结果更 加接近于真实值。 ( 2 ) 使用单轮模型估算地面附着力，然后通过刷子轮胎模型根据当前滑移率反推 路面摩擦系数的估算方法。该方法主要是建立在仿真的基础上，算法没有采用场地试验 验证估算结果的准确性。另外该识别算法对轮胎模型的依赖性很强，需要准确而又简单 的轮胎模型做基础。 ( 3 ) 以轮边驱动电动汽车为基础，通过电机输出力矩和车轮转动角速度观测路面 附着力，在整个滑移率变化范围内对鳓曲线的斜率进行估算，从而估算路面附着系数。 4 、其它路面附着系数估算算法【2 0 】 ( 1 ) 根据车辆侧向动力学的路面附着系数，利用g p s 系统估算轮胎侧偏角，然后 根据车辆侧向动力学模型进行路面附着系数的估算。但在车辆侧偏角很小的情况下，该 方法仍然无法正确识别路面附着系数。由于系统中使用了陀螺仪，陀螺仪的造价过高使 得估算系统难以在实车上应用。 ( 2 ) 利用非驱动轮的振动频率与路面摩擦系数关系，使用回归最小二乘法和辅助 变量法进行在线估算，在车辆不进行制动、加速、转向的情况下就能够估算从沥青路面 到冰路面的附着系数变化。 ( 3 ) 先假设一个路面附着系数，利用车辆动力学模型估算车辆的响应，再根据模 型估算的轮速、横摆角速度等与实际车辆响应的差别，对假设的路面附着系数进行校正 估算。但校正参数的设定具有一定的经验性，难以适应各种复杂情况。 根据以上原理，目前由德国达姆施塔特工业大学、宝马汽车公司、轮胎制造商大陆 公司和西门子公司的子公e p c o s 等联合组成的研究小组正从事着这方面的研制工作。 5 第一章绪论 该研究小组初步研制的智能轮胎的核心技术，是安装于轮胎花纹橡胶中的表面轮廓轮胎 传感器，它最早是由e p c o s 公司在上个世纪8 0 年代研制的，其德文名称( o b e r f l a c h e n w e l l e n ) 的缩略语为o f w ，相应的英文缩略语为s a w ( s u r f a c ea l r e a w a v e ) 。s a w 轮胎传感器的核 心部件是一个能够随橡胶变形的微形平板压电晶体通过压电晶体产生的电势，识别轮 胎花纹橡胶的变形及其随时问的变化历程，并据此推算出轮胎与路面之间的瞬时摩擦接 触状况。s a w 轮胎传感器本身并不带有储能装置，它是由外部无线电磁波激励的，并 通过无线电磁波将这些信息发射到随车的电子接收和信息处理设备。图12 为德国联合研 究小组研制的表面轮廓轮胎传感器的样机。 圈1 2s w 传孵器与火柴头尺寸相比 无论汽车是以怎样的车速行驶，这种安置于4 个车轮轮胎花纹橡胶中的仅有几个毫 米大的轮胎传感器，能够感应到轮胎外轮廓线的变形形状及其随时间的变化历程，并据 此识别出车轮驱动力、制动力、侧向力、车轮载荷、轮胎气压、轮胎印迹的大小和位置、 轮胎与地面之间的附着系数等，其中最为重要的是轮胎与路面之间的附着系数，它决定 着车轮受到的最大摩擦力确保汽车与路面充分接触，阻止汽车在弯道行驶或换车道时， 车轮偏离预定行车轨迹而滑向一旁，或制动时后轮因打滑而出现侧滑。该附着系数随着 道路表面状况和天气的变化，也会非常敏感地在较大的范围内发生变化。置于轮胎内的 s a w 轮胎传感器能够实时感应到附着系数的这种变化，并将相关信息通过无线电磁波 传递到随车的计算机，然后计算机对有关信息进行处理，为汽车4 个车轮上的a b s 系统 提供最佳的制动策略。这样的信号感应、发送接收和处理等过程都发生于车轮进行制动 之前。 s a w 轮胎传感器对汽车主动安全装置、电动制动系统或自适应底盘系统等实施精确 控制，大幅度提高它们的效能，改善汽车的操纵稳定性和行驶安全性，提供了强有力的 数据支持。 12 2 国内研究状况 国内对车辆安全控制技术的研究相对于国外比较落后。近几年来，部分从事a b s 理 6 长安大学硕i ：学位论文 论研究的科研人员对道路识别技术进行了一些探讨。主要有以下几种方法【3 _ 2 3 t2 8 】： ( 1 ) 将路面划分为干、湿、滑3 类，并分别将其模糊化为3 个离散的数值。以不同 路况下a b s 系统的制动压力变化时间作为防抱死循环的特征参数，连同车辆参考减速度 并输入到神经网络模型，采用一些算法对网络进行训练。但是将路面划分为3 类进行 判别尚不能完全涵盖车辆实际行驶过程中经常遇到的典型路况，还有待完善。 。 ( 2 ) 以指数多项式形式的路面胎模型为基础，将各种路况下的痧曲线存储于计 算机中。估算时同时计算几种假设路况下车轮的理论角减速度，然后将各种假设路况下 计算出的车轮理论角减速度与实际的车轮角减速度进行比较，取差别最小者为当前行驶 路况。该算法结构较为简单，但计算量较大。而且其有效性主要还依赖于能够涉及各种 路面状况的比较细化和精确的轮胎面模型。 ( 3 ) 用路面特征因子将路面分为干沥青、湿沥青、湿土路面、松散的雪路、压实 的雪路、干燥冰路面、积水路面等7 个等级。在识别算法中认为纵向附着系数与各影响 因素之间具有唯一确定性，认为矽= f ( o - ，1 ，屁，兄) 是一个单值函数，利用误差逆向传播 b p 神经网络对路面状况进行识别。 1 3 本文主要研究内容 随着大型多体系统动力学软件在车辆动力学仿真中的不断应用，对轮胎与路面间附 着性能的研究也得到了广泛的重视和发展。各种各样的轮胎理论模型，经验模型和半经 验模型在轮胎力学仿真中得到不同程度的应用。而各种模型的建立都要依靠轮胎试验数 据，轮胎与路面间的附着性能研究主要是通过轮胎力学试验来实现，轮胎力学特性试验 受诸多因素的影响，如轮胎类型、纵向滑移率、侧偏角、垂直载荷和轮胎速度等，然后 在计算附着系数的大小，而且计算比较复杂，对应于每一种情况都要重新进行计算，这 在轮胎模型的应用上是很不现实的。因此本文采用人工b p 神经网络模型来仿真轮胎力 学特性，从而仿真轮胎与路面问的附着性能。b p 神经网络模型需要试验数据的训练、 参数的改变等才能得出精度较高的网络预测模型，当模型确定后，只需在模型中输入评 价指标中的各参数值，而不再通过繁杂的计算，即可仿真出附着系数的数值。为驾驶员 提供必要的信息，使之能够实时的对车辆进行控制，保证行车安全。 具体工作如下： l 、查阅大量资料，了解当前国内外对附着系数的研究状况，为本文写作提供基础。 7 第一章绪论 2 、综合分析轮胎与路面间附着性能的影响因素、几种常见的轮胎模型以及神经网 络的相关理论。 3 、综合比较各种轮胎模型，选用神经网络轮胎模型为最终的评价方法。 4 、设计了室内试验转鼓式试验台试验方案。得出附着系数与纵向力、侧向力、滑 移率、侧偏角及载荷的关系，采用经验数据进行仿真。 5 、利用b p 神经网络建立轮胎力学特性及附着性能的仿真模型，基于m a t l a b 建 立b p 神经网络算法，编写b p 神经网络训练程序。 6 、用训练样本在b p 神经网络模型中进行训练，得出稳定的网络仿真模型，然后用 检验样本对网络性能进行检测。 对仿真结果进行分析总结。 8 长安大学硕上学位论文 第二章附着系数在行驶中的作用 2 1 研究附着系数的意义及作用 汽车在公路上行驶时，时常会由于轮胎打滑而产生事故。在交警部门调查时，车 况良好，车速也在允许范围内，操纵又没有失误，之所以出现因轮胎打滑而产生的事故， 是由于路面太滑的缘故。公路部i - j 贝j j 说，公路是按国家标准修建的，路面粗糙度也是经 过有关部门验收合格后，才交付使用的。另外，交警查验事故地段的路面，也认为确属 正常。那么，到底是谁的原因造成的事故呢，许多类似情况令交警部门难以做出准确的 判断。此时，摩擦学可以很好的解释这种情况。 轮胎与硬路面间的相互作用力( 包括摩擦力、支承力等) 对车辆的正常行驶是极为 重要的。其中摩擦力主要对车辆的全操纵过程，包括加速、制动、正常行驶、侧偏、转 弯和停车等的稳定性起作用，其大小取决于轮胎所受的垂直载荷和轮胎与路面之间的附 着系数。 轮胎与路面间的附着性能可以通过人与地面间的附着性能来解释。人们的双脚在走 路时能够感觉到脚下地面的状况，以及双脚与路面之间的接触情况，并通过身体的神经 网络系统，使大脑将获得这些信息并对其加以处理，然后再以极快的速度将处理结果传 递到我们的双脚，随时影响脚的运动姿态，从而让我们能够实现一个安全稳定的向前行 走动作。根据同样的原理，人们正在开发研制汽车智能轮胎系统，在汽车行驶期间，能 够感知到轮胎自身的脉搏。例如，轮胎的温度、气压、摩擦阻力和路面状况等，确保汽 车能够按照驾驶员的期望安全平顺地行驶所必需的力，如驱动力、制动力、侧向力等， 都产生于轮胎与路面之间的摩擦接触面上。因此，在该摩擦接触面上是否能够产生足够 大的摩擦力，极大地影响着汽车的行驶安全性。另一方面，如果汽车能够随时感知到轮 胎与路面之间的摩擦接触情况，如路面对轮胎所能提供的最大驱动力或制动力等。那么， 汽车的各种主动安全电控装置( a b s 、a s r 、e b d 、c b c 、e s p 和a c c 等) 便能够最 佳地发挥其功能，因为借助这些安全装置提高汽车安全性的企图，最终都是通过对轮胎 与路面之间的接触状况按照设定的准则进行干涉来实现的。 附着系数是不依人的意志而改变的，它与轮胎、车速及车轮对路面的滑动程度( 滑 转和滑移) 等有关。无论是驾驶员，还是现代汽车的各种电子安全控制系统，对轮胎路 面附着系数以及轮胎路面附着力的大小和方向都不是很清楚。图2 1 表示汽车右转弯刹 9 第二章附着系数n ：行驶中的作用 车时，轮胎与路面之间形成的摩擦力及其分量的示意刚7 1 。 博撬磬 、， 瑷人 ir 1 l 一 眵 ， 。 辩瞬鑫飞 车辆行饲翔力 量蕈在右转尘蛙；： 图2 1 轮胎与路面间摩擦力分解示惹图 图2 1 中的水平线与垂直线的交点称为图形中心点；外轮廓线上的点与图形中心点 的连线的长度，表示汽车行驶在干燥路面上时，在该连线方向上所能产生的最大摩擦力， 而内轮廓线上的点与图形中心点的连线的长度，则表示汽车行驶在结冰路面上时，在该 连线方向上所能产生的最大摩擦力。显然最大摩擦力的数值随连线方向的变化而有所不 同。汽车正常行驶时，表示轮胎受到的地面摩擦力的点是位于图中轮廓线内的区域时， 则该点到外轮廓线的延长线表示摩擦力的储量，即路面还能提供的摩擦力的大小。摩擦 力的纵向( 图中的垂直方向) 分量指向前方时为汽车的驱动力，指向后方时则为制动力： 它的侧向分量为路面对车轮的侧向作用力，支持汽车的转向或变换车道的机动行驶。 深入了解轮胎与路面间的摩擦特性是正确预测轮胎与路面间摩擦力的基础。随着现 代车辆速度的提高，操作稳定性问题变得越来越突出，这就要求对轮胎的力学特性特别 是摩擦特性及其可控性有更深入、更全面地了解。 2 2 在各种工况下附着系数所起的作用 2 2 1 启动和行驶过程中附着系数所起的作用 众所周知，汽车启动能力的大小取决于轮胎与路面间的状况，路面状况好，则启动 能力也就好。此时的路面状况因素可以由附着系数也体现。在正常路面启动时，由于路 面有足够的附着系数，且启动时车速不大时，汽车基本不会引起打滑等现象，然而汽车 在坚硬而光滑的冰雪路面上起步时，由于附着系数比较低，常遇到驱动轮严重打滑的现 象，致使汽车无法起步。 汽车在行驶过程中，驱动力是个重要影响因素。驱动力大，加速能力好，爬坡能力 也强，但是驱动力能发挥其作用的前提是轮胎和路面之间要有足够大的附着力，在启动 时和匀速平稳行驶过程中，驱动轮上的驱动转矩引起的地面切向反作用力也不能大于附 1 0 k 安大学硕j ：学位论文 着力，否则就会引起驱动轮滑转等现象，正常行驶驱动轮的附着率要小于等于地面附着 系数，在冰雪路面和雨天车辆容易发生打滑，这时路面的附着系数比较小，小于驱动轮 的附着率。所以严冬的冰雪路上，公共汽车站及其附近要铺洒砂子或煤渣以提高路面附 着系数，确保行车安全。 2 2 2 制动过程中附着系数所起的作用 在湿滑的柏油路或积雪道路上紧急制动时，汽车会发生侧滑，严重时会甩尾掉头。 在有车辙的积雪路上，左右车轮分别行驶在雪地或露出的地面上，车轮产生剧烈旋转的 危险性更大。若是弯道，就有可能从路边滑出或闯入对面车道；即使不是弯道，车辆也 会因无法躲避障碍物而发生事故。这些情况的发生都是因为附着力没有达到要求而造成 的后果。 汽车在制动时，车轮在减速而车身还是以原来的速度继续前进。由于有惯性作用， 加在前轮上的载荷增加，而加在后轮上的载荷则减小。可见，汽车加速和减速时，加在 车轮上的载荷会发生移动。移动量与加( 减) 速度和重心的高度成正比，与轴距成反比。 紧急制动时，前轮的制动力增加的同时，后轮的制动力也增加。由于前轮的载荷增 加了，制动力的增加对前轮的影响不是很大；而后轮的载荷减少了，制动力增加很容易 使后轮抱死而停止转动。这是因为轮胎的摩擦力( 附着力) 和加在轮胎上的载荷大致成 比例，由于力矩平衡，所以路面上的最大制动力等于作用于轮胎上的载荷和路面摩擦系 数痧的乘积。当制动力超过其最大值时，车轮被锁死，轮胎产生滑移。滑移率的大小影 响着附着系数的大小。当车轮纯滚动时，车辆速度等于车轮速度，滑移率为零；当车轮 纯滑动( 抱死) 时，车轮速度为零，滑移率为1 0 0 。一般的把滑移率控制在1 0 0 o , , - 3 0 之间，可获得最大附着系数值，之后随着滑移率的增加，附着系数值逐渐减小。 由以上可知，附着系数影响着滑移率，而滑移率又影响着附着系数的大小。因此， 在一定的速度制动时，高附着系数路面的滑移率一般比低附着系数路面要小，从而由滑 移率变大给附着系数下降带来的影响也要小，有利于车辆的安全行驶。在制动时要逐步 加大制动力，而不能急刹，特别是在滑湿路面上，以免加大滑移率而降低附着力，出现 侧滑、甩尾等现象。 2 2 3 转向时附着系数所起的作用 现实生活中，经常可以看到汽车在弯道处发生交通事故，大多是侧滑和甩尾现象。 究其原因，是由于车速过快以及路面太滑等因素造成的。车速过快，致使转弯半径要大， 第二章附着系数往行驶中的作用 当转弯半径过小时，就有可能使汽车发生侧滑或侧翻现象，但如果此时附着系数足够大， 就可能避免事故的发生。路面太滑，则附着系数就低，在转弯时就不能提供足够的侧向 力以满足车辆安全转弯，此时就会发生侧滑现象。不管哪种原因，归根结底主要是路面 与轮胎之间的附着力比较低。 在汽车转向时，由于离心力的作用，外侧车轮所受载荷变大，而内侧车轮所受载荷 变小，同时车轮为抵抗离心力作用而产生一个侧向附着力。若附着系数很小，则所产生 的附着力也小，当不足以抵抗离心力时，车辆就会发生侧滑；若此时在加以紧急制动， 车辆必会发生甩尾现象，发生严重的交通事故。因此，路面在弯道处要做成内低外高， 而且要比较粗糙，以提供足够大的向心力，增加附着系数，从而使增大车辆的附着力， 避免事故的发生。 2 3 影响附着性能的因素 附着性能是轮胎与路面间互相作用所表现出来的最重要的物理性能。它表示路面可 能提供给轮胎的最大附着力，作为汽车驱动、制动和转向的动力之源：它是轮胎承受相 当大的切向力时，仍然与路面保持良好附着而不滑动的能力。 众所周知，作用在汽车上的各种外力，除了空气阻力以外，其余全是经由轮胎与路 面间附着作用而作用在汽车上的。因此，附着性能影响着汽车几乎所有的使用性能。它 既是汽车正常行驶的前提条件，同时又是制约汽车行驶状态，关系行驶安全的重要因素。 由此可见，就影响轮胎与路面间附着性能因素进行分析，对于预测附着性能，改善路面 状况，提高道路交通安全等都具有重要的现实意义。 影响附着性能的因素很多，主要有轮胎、路面、滑移率以及车速等。 2 3 1轮胎对附着性能的影响 轮胎对附着性能的影响主要表现在轮胎的结构型式和胎面花纹上【9 6 1 。 2 3 1 1 轮胎结构型式的影响 目前广泛使用的轮胎结构型式主要有子午线轮胎和斜交轮胎，如图2 2 。子午线轮 胎在结构上根据使用要求将轮胎胎体不同方向( 径向、周向和横向) ，不同刚度( 径向 刚度小、周向和横向刚度大) 特性巧妙地融为一体相得益彰。因此，子午线轮胎具有一 系列斜交轮胎不可比拟的优点，其中之一就是它的接地面积大、单位压力小，胎面与路 面间的滑移量小。所以子午线轮胎附着性能明显优于斜交轮胎。 1 2 长安火学硕- 上学位论义 罔例例 佃) 并交轮胎 i 们于千曩榴朋 图2 2 斜交轮胎与子午线轮胎 2 3 1 2 胎面花纹的影响 胎面花纹的主要作用就是提高轮胎的附着性能。胎面花纹主要从其型式、密度系数 和深度对附着性能产生影响。 目前广泛使用的胎面花纹型式主要有纵向花纹、横向花纹和混合花纹( 图2 3 ) 。纵 向花纹特点是纵向连续、横向间断，觅图2 3 ( a ) ，故花纹纵向刚度大而横向刚度小。 因此纵向花纹轮胎的横向抗滑能力强，适合于速度较高的轿车使用；横向花纹特点是横 向连续，纵向除胎面中间部分连续外，其余间断，见图2 3 ( b ) ，故横向花纹轮胎的纵 向抗滑能力强，适合于牵引力较大的货车使用；混合花纹介于纵向花纹和横向花纹之间。 这种纵横兼有的花纹，决定了轮胎纵横向附着性能比较均衡，适合于轿车、货车及其它 车辆使用，见图2 3 ( c ) 。 一圈珊 ( 口) 纵向花纹 ( 功横向花纹( c ) 混合花纹 图2 3 轮胎胎面花纹 花纹密度系数是指轮胎和路面实际接触面积与接地面积之比。花纹密度系数增大， 则接触面积及胎面刚度随之增大，这不仅削弱了轮胎附着性能，而且使胎面花纹沟槽贮 水，排水和排除空气性能降低。这种轮胎在湿路面上容易产生所谓的“滑水现象 ，从 而可能完全丧失其附着性能，后果很严重。若花纹密度系数过小，带来的主要危害是接 触面积变小，单位压力增大，胎面磨损严重；花纹块也因刚度小，受力大而易被撕裂脱 落，轮胎附着性能同样会变坏。 胎面花纹深度从多方面影响轮胎性能，如轮胎滚动阻力、生热性、耐磨性、使用寿 命等，而对轮胎附着性能的影响是其中的一个重要方面。无论在干燥、潮湿或者其他路 1 3 第一二章附着系数在行驶中的作用 面上，有花纹轮胎的附着性能都要优于无花纹轮胎的附着性能。这说明胎面花纹深度直 接影响着轮胎的附着性能，从而直接影响到汽车使用性能和安全性。随着轮胎的磨损， 花纹深度减小，它的附着系数将有显著下降。 2 3 2 路面状况对附着性能的影响 附着系数随路面性质不同呈大幅度变化。路面状况主要包括路面的种类、粗糙度以 及湿度等。 路面的种类主要包括：混凝土路面、沥青路面、土路等。对于各种路面上的附着系 数，一般的有：混凝土路面的附着系数大于沥青路面的附着系数，沥青路面的附着系数 又大于土路面的附着系数。 路面粗糙度是指路面微观不平度。随着路面粗糙度的增加，附着系数也将随之增加。 这是由于路面较大尺寸的微小凸体具有提高胎面橡胶弹性变形能力；而较小尺寸的微小 凸体对胎面橡胶具有微切削作用。微切削过程中所产生的切削阻力构成了轮胎与路面间 附着力的一部分。随着使用年限和交通量的增加，自然的风化作用，使得路面微观凸体 逐渐钝化而变得光滑，附着性能随之衰退。对于这样的路面应采用机械方法将路面打毛， 使其恢复到要求的粗糙度。 路面潮湿程度对附着性能影响也是十分严重的。路面越潮湿，说明路面积水越多， 则路面附着系数越小。目前抑制湿路面附着性能衰退，主要从改善路面排水性和轮胎排 水性入手。路面排水主要使路面横向做成两侧倾斜的坡度，便于及时排水。轮胎排水性 主要与胎面花纹设计有关，主要特点是在胎面上设计出宽而深的排水沟( 主沟) ，故在 轮胎与路面之间形成了较大的排水空间。 2 3 3 滑移率对附着性能的影响 车轮滑移率的大小对车轮与地面间附着系数有很大影响，在各种路面上，附着系数 都随滑移率的变化而变化【2 1 1 ，如图2 4 。 由图2 4 可以看出，当滑移率为0 - 1 0 时，附着系数迅速增大，在滑移率为1 0 0 o , - - 3 0 时达到最大；当滑移率超过3 0 时，附着系数逐渐减小；滑移率达到1 0 0 时，附着系 数仅为其最大值的3 4 。因此如果能将车轮滑移率控制在滑移点以内，则可获待比较大 的附着系数，能保证车辆的方向稳定性和操纵性。 1 4 长安大学硕j j 学位论文 1 附 着 系 数 _ 滑移点 。、- - 一一 旦着系数 _ - - - ， 0 滑移率