（载运工具运用工程专业论文）汽车车轮侧滑检测与诊断系统的研究.pdf

摘要车轮定位故障是汽车行驶系故障中发生频率较高的故障之一它能够造成轮胎异常磨损，午辆行驶中方向发摆、抖动发飘、跑偏等现象，影响汽车的操纵稳定性、行车安全性、轮胎的磨损，故车轮定位是汽车安全检测的重要检奇内容之一。由于车轮定佗参数不当，特别是车轮前束和车轮外倾角匹配不当，使车轮相对地面偏左或偏右侧向滑动的现象。由于在侧滑检测时受很多因素影响，冈此经常山现检测结果与汽印实际运行状况不一致的情况。在这样的前提下，我们通过理论与试验相结合，井借鉴了此前关于侧滑的研究成果，对车轮定位参数，特别是车轮外倾角、车轮前束与侧滑量之间的定搬关系进行了进一步的研究。根据上述理沦分析，提出了在侧滑检测中给汽车施加纵向力的方法，即模拟汽车实际行驶时车身所受到的空气阻力，目的是侧滑检测中汽车通过侧滑台时提i 商汽1 1 的驱动力，以使汽车的1 ：轮定能参数更接近于汽乍实际行驶时的状态。和二此基础上，着重进行汽下车轮侧滑检测与诊断专家系统的研究与开发。母后，进行了实例验证，证明了空气阻力对独立悬架前驱动的汽车车轮侧滑有一定的影响，且汽印印轮侧滑检测与诊断专家系统运行可靠，可以_ l l j 于侧滑检测中。关键词：下轮定位专家系统独立悬架知识库知i 【_ ! 获取推理机控制策略检测诊断a b s t r a c tw h e e ll o c a t i o nf a u l ti so n eo ft h eh i g h e rf r e q u e n c yf a u i ti nt h ea u t o m o b i l er u n n i n gd e p a r t m e n t s ，w h i c hc a nc a u s et h eu n u s u a lt y r oa b r a s i o n ，s h a k i n g ，f l o a t i n ga n ds i d e s l i po ft h ed i r e c t i o n ，w h i c hw i l l a f f e c tt h ec o n t r o l l i n gs t a b i l i t y ，r u n n i n gs a f e t ya n dt y r o s a b r a s i o no ft h ea u t o m o b i l e ，s ow h e e ll o c a t i o niso n eo ft h ei m p o r t a n tc o n t e n t si nt h ea u t o m o b i l es a f e t yd e t e c t i o n b e c a u s eo ft h ep a r a m e t e rm a t c h i n go ft h ew h e e lj o c a t i o n i m p r o p e r l y ，e s p e c i a l l yt h em a t c h i n gb e t w e e n t h ew h e e lt o e i na n dt h ew h e e lca i i l b e ra n g l ei m p r o p e r l y ，t h ep h e n o m e n o nm a k e st h ew h e e l s l j d et ol e f to rr i g h tr e l a t i v e l yt ot h eg r o u n dw h e nt h ea u t o m o b i l et r a v e l si nt h eb e e l i n e b e c a u s eal o to ff a c t o r si n f j u e n c et h es i d e s l i pd e t e c t i o n ，t h e r e f o r e ，i tm a y b eg i v er i s et ot h ef o l l o w i n gi n s t a n c e ：t h es i d e s l i pm e a s u r e sh a v eg o n eb e y o n dt h es t a n d a r dw h i 】ew h e e ll o c a t i o na n g lei ss t i l li nt h er a n g eo fs t a n d a r d ： nd e s p i t eo ft h ew h e e ls i d e s l i pm e a s u r e sa c c o r d sw i t ht h er e q u i r e m e n t ，t h ep h e n o m e n a ，s u c ha st h ed i f e e t i o no ft h ef r o n tw h e e lf l o a t i n ga n ds h i v e r i n g ，t h eu n u s u a la b r a s i o no ft h et y r e s ，a r i s e s i nt h ec o u r s eo fe l i m i n a t i n gt h ef a u l t ，t h er e p a i r i n gt e c h n i c i a n sm a y b em e e tal o to fp r o b l e m st h a tc a n n o tb es e t t l e db yt h ef o r m e rs o l u t i o n s o u rd r i v e r sa n dr e p a i r i n gt e c h n i c i a n sh a v eb e e np u z z l e db yt h e s ep r o b l e m sa l l t h ew h i l e w eh a v ec a r r i e do u tt h er e s e a r c ha b o u tt h ee x p e r ts y s t e m so ft h ed e t e c t i o na n dd i a g n o s i so f t h ea u t o m o b i l ew h e e ls i d e s l i p c o m b i n i n gt h e o r yw i t he x p e r i m e n t a sw e l la sr e f e r r i n gt ot h er e s e a r c hr e s u l t sa b o u tt h es i d e s l i pf r o mt h ef o r m e rc o r r e l a t i r ef r u i t s t ot h ew h e e ll o c a t i o np a r a m e t e r s ，e s p e c i a l i y t h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o nb e t w e e n t h ew h e e lc a m b e ra n g l e ，t h e w h e e lt o e - i na n dt h em e a s u r eo ft h es i d e s li ph a v eb e e nf u r t h e rr e s e a r c h e d a c c o r d i n gt ot h et h e o r ya n a l y s t sm e n t t o n e da b o v e ，w eh a v ep u tf o r w a r dt h em e t h o db ye x e r t i n gt h e1 0 n g i t u d i n a if o r c et ot h ea u t o m o b i l ei nt h ed e t e c t i o no fs i d e s l i p ，n a m e l y ，s i m u l a t i n gt h ea i rr e a c t i o ng o t t e nb ya u t ob o d yi nt h ea c t u a lr u n n i n gc i r c u m s t a n c eo ft h ea u t o m o b i l e ，t h ep u r p o s ei st oh e i g h t e nt h ed r i v i n gf o r c eo fa u t o m o b i l ew h e nt h ea u t o m o b il et r a v e l st h r o u g ht h et e s t - b e di nt h ed e t e c t i o no ft h es i d e s li p ，i no r d e rt om a k et h ew h e e ll o e a t i o np a r a m e t e rt ob em o r ec l o s et ot h es i t u a t i o nw h e nt h ea u t o m o b i l ea c t u a ll yr u n n i n g f i n a l l y ，a ne x a m p l eh a sb e e nt a k e nt ov e r i f y ，i tp r o v e dt h a t ，i ns o m ed e g r e e ，t h ea i rr e s is t a n c ew i l lb r i n gi n f l u e n c eo na u t o m o b i l ew h e e ls i d e s l i pw i t ht h ei n d e p e n d e n ts u s p e n s i o nf o r e r u n n e rd r i v i n g ，b e c a u s ei ti sr e l i a b l e ，t h ee x p e r ts y s t e m so fd e t e c t i o na n dd i a g n e s iso ft h ea u t o m o b i l ew h e e lc a nh eu s e di nt h ed e t e c t i o no ft h es i d e s l i p k e y w o r d s ：w h e e ll o c a t i o ne x p e r ts y s t e mi n d e p e n d e n ts u s p e n s i o nk n o w l e d g eb a s ek l i o w l e d g ea c q u is i t i o nin f e r e n c ee n g i i l ec o n t r o ls t r a t e g yd e t e c t i o nd i a g n o s i s论主张刨性声明y 9 7 7 7 6 3本人声明：本人所呈交的。学位论文疋l j - ”- - 导师的指导卜，独，i 进行研究i ：作所取得的战果。除论文r j 已经注明引用的内容外，对论文的研究做重要贡献的个人和集体，均已在文t f i 以明确方式标明。本论文中不包含任何末加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果：木声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：彩垮复、论支知识声仅仅尾声明本人在导师指导卜所完成的论文及槲天的职务作品，知沙沪：权届学校。学校享有以任何疗- 】= 发表、复制、公开阅览、借阅以及f m 寿专利等权利。本人离校后发表或使川学位论文或与该论文n 接相关的学术论文或成果时，署躬单位f ，然为k 安人学。( 保密的论文在解密后应遵i e 觇定)i 仑文作者箍私) 戳经仗名i钐砂脚j j7 5i彩i 卜，j 多。第一章绪论在现代社会，汽车已经成为人们工作、生活中不可缺少的一种交通工具。汽车在为人们造福的同时，也带来大气污染、噪声和交通安全等一系列问题。其中首届一指的是交通安全问题，而行驶系的技术状况直接影响汽车的运行安全。车轮定位故障是汽车行驶系故障中发生频率较高的故障之一，它能够造成轮胎异常磨损，车辆行驶中方向发摆、抖动发飘、跑偏等现象，影响汽车的操纵稳定性、行车安全性、轮胎的磨损程度，故车轮定位是汽车安全检测的重要检查内容之一。1 1 i1 1 车轮侧滑检测与诊断专家系统研究的意义车轮定位主要包括主销内倾角、主销后倾角、车轮外倾角和车轮前束四个参数。汽车车轮侧滑是指汽车直线行驶时，由于车轮定位参数不当，特别是车轮前束和车轮外倾角匹配不当，使车轮相对地面偏左或偏右侧向滑动，我们将这种现象称为车轮侧滑。1 5从上述定义可见，其值的大小体现了转向轮定位角的大小，特别是车轮前束与外倾角之 ，j 的匹配情况，且直接影响着汽车直线行驶的稳定性、行驶阻力的大小和轮胎偏后的程度，以及汽车运行的安全性和经济性。目前国内检测车轮侧滑的设备一般为单板式或双板式的侧滑试验台。由于在侧滑检测时受很多因素影响，因此经常出现下列情况：车轮定位角在标准范围内，但侧滑量却超标；车轮侧滑量符合要求，却出现前轮转向发飘、发抖，轮胎异常磨损等现象。对维修人员来说，在故障排除过程中遇到的许多问题无法用以前的老办法解决。这些问题一直困扰着我们的驾驶员和维修人员。这种情况下，单纯的依据侧滑量来调整车轮定位参数已无法达到预想的效果。3 】实践证明，车速、汽车的纵向力、轮胎气压等对车轮定位参数的影响很大。若不考虑上述因素，测量结果就会有很大的偏差，在试验中就出现过同一辆车在同一侧滑台上检测十次，十次结果差别很大的情况。这也可能是导致高档进口车的侧滑量超标的原因。因此，研制一种动态、快速、准确的具有检测和故障诊断功能的侧滑台，实现一机多能，节省设备投资，缩短检测诊断时间，为汽车修理服务提供理论依据具有重要的意义。为此，我们进行了汽车车轮侧滑检测与诊断专家系统的研究。通过理论与试验相结合，并借鉴了此前关于侧滑的研究成果，对车轮定位参数，特别是车轮外倾角、车轮前束与侧滑量之问的定量关系进行了进一步的研究。同时考虑了车速、纵向力、载荷、轮胎气压等因素对侧滑的影响，结合领域专家的经验知识，丌发了汽车车轮侧滑检测与诊断专家系统。希望浚系统的应用，能够改善目前的状况，为动态检测车轮定位提供一套即快捷、简便又准确、可靠的系统。1 2 国内外关于车轮侧滑研究的历史与现状随着现代f 乜子技术，特别是大规模集成电路和微处理机技术、自动控制技术和高精度传感器技术的发展，微机控制的调节装置在汽车上的应用已越来越广泛。汽车电脑化已成为发展的主流。随着汽车各系统的改变，棚应的出现了汽车检测诊断、控制自动化、数据采集处理自动化、检测结果直接打印等功能的现代综合性能检测技术与没备。国外对前轮定位检测、诊断技术的研究较早，5 0 年代就研制出了相应的检测诊断没备，如美国、原西德、荷兰、r 本、j 1 麦等，发展至今其电脑化程度已经达到相当高的水平。就汽车的侧滑检测而言，国外9 0 年代最先进的产品有同本弥荣工业株式会社生产的s s t 系列侧滑台、万岁株式会社w g 系列侧滑台、西德实力公司的侧滑台、百斯巴特系列侧滑台等产品。1 1 1 , 1 2 1我固在这方面的研究起步较晚，从6 0 年4 - y l ：始引进这类设备到自行研制开发经历了2 0 多年的时间，而至今能普及使用的、精度较高的同类国产设备不是很多。与发达国家相比i 仍处于落后状态。我国生产的较先进的同类产品有交通部成都汽车保修机械厂+ 生产的c h 一1 0 系列侧滑台和肇庆车辆检测设备厂生产的c h 一1 0 0 0 0 系列侧滑台等。”j5 |检验设备的种类很多，但是大同小异。归纳起来可以将其分为两类，一类是静态检测设备，另一类是动态检测没备。静态检测设备有拉线式车轮定位仪、红外光束c c d 传感器式车轮定位仪和电脑激光式车轮检测仪等。拉线式车轮定位仪，在检测车轮定位时，需要检查的角度较小，读数又不够方便，目i 孙基本己被淘汰，而改用红外光束c c d 传感器式车轮定位仪。红外光束c c d 传感器式定位仪的读数很方便，目前在国内应用比较普遍。近年来，有一种用激光测量、电脑处理的电子检测仪进入了市场，它在电脑中事先输入了各种车型的车轮定位参数，检测时，可输入汽车品牌及型号，它的检测系统就可将车轮定位的数据与被测车辆的车轮定位参数直接在电脑i 屏幕上显示，并计算发生偏移的数值。在调整时，可一边调整，一边观察参数对比情况，使用非常精确和方便，现己成为汽车维修行业进行车轮定位的主流设备。动态检测仪的种类有滚筒式侧滑试验台和滑板式侧滑试验台。滚筒式侧滑试验台有单滚筒、双滚筒和三滚筒之分，是利用滚筒代替移动路面，被测车轮在滚筒上滚动。当车轮存在侧滑力时，将对滚筒产生轴向推力，根据该推力的大小及方向，渗断出车轮定位的状况。滑板式侧滑试验台分为单板式和双板式两种，是较为常见和常用的一种车轮定位检测设备。它按汽车左、右车轮分别设置两块滑板，滑板通过滚动体可以在下板上横向移动，但不能纵向移动。检测时，汽车缓慢的直线驶过滑板，如汽车转向轮的车轮外倾角与前轮前束配合得当，车轮的轨迹在汽车行驶时为一条直线；但如果配合不适当，车轮滚动时必然向某一侧偏斜。由于左、右车轮都是安装在车轮上或是悬挂上而受到限制和约束，车轮将会在地面上产生横向滑移，车轮将带动上滑板一起在下滑板上移动。移动量将会在仪表上显示出来，以供检测人员进行分析。该移动量即为我们所说的侧滑量。u 6 1目前我国绝大多数汽车安全性能检测站都配有滑板式侧滑试验台。汽车车轮侧滑检测与诊断二号家系统就是在双滑板式侧滑试验台的基础上实现的。1 3 论文研究的主要内容鉴于目前汽车车轮侧滑检测中存在的问题，并旨在为动态检测车轮定位提供一套快捷、简便又准确、可靠的系统，为汽车修理服务提供理论依据，本论文着重研究以下几个问题：1 汽车车轮侧滑检测与诊断专家系统的可行性研究；2 汽车实际行驶过程中空气阻力对车轮定位参数的影响；车轮侧滑检验中的空气阻力模拟试验方法的研究汽车车身空气阻力模拟装置的设计；知识的收集和专家系统知以库的建立；汽车车轮侧滑检测与渗断专家系统的程序设计。第二章专家系统概述本章是对专家系统的一个概略介绍，主要介绍专家系统的定义、特征、一般结构、发展概况以及其在汽车检测与诊断领域的应用。2 1专家系统的定义及特征专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 是一门新兴的学科，是人工智能的一个重要分支。专家系统的能力来自它所拥有的专家知识，知识的表示和推理的方法则提供了应用的机理。这种基于知识的系统设计方法是以知识库和推理机为中心而展开的。这就是说知识+ 推理= 系统而传统软件的结构是数据+ 算法= 程序5 6 8 9 l像人工智能一样，目前尚无公认的关于专家系统的严格定义。这里引用著名人工智能学者f e i g e n b a u m 的一段话来蜕明什么是专家系统。f e i g e n b a u m 教授认为：“专家系统是一种智能的计算机程序，这种程序使用知识与推理过程，求解那些需要杰出人物的专门知i ： _ 才能求解的高难度问题。”1 6 , 4 2 1剖析f e i g e n b a u m 教授的这一段话，可以引申出专家系统的许多特征。专家系统既不同于传统的应用程序，也不同于其他类型的人： 智能问题求解程序。1 专家系统区别于传统应用程序的特征主要有：( 1 ) 从总体上看，专家系统是一种属于人工智能范畴的计算机应用程序，人工智能学科的各种问题求解技术原则上都适用于专家系统。( 2 ) 从内部结构看，专家系统的解题程序由三要素组成：描述问题状态的综合数据库或全局数据库，存放启发式经验知识的知识库，以及对知识库中的知识进行推理的推理机。( 3 ) 从外部功能看，专家系统模拟的是人类专家在问题领域上的推理，而不是模拟问题领域本身。2 专家系统区别于其他人工智能问题求解程序的特征主要有：( 1 ) 从应用目标看，专家系统处理的问题都属于现实世界中通常需要人类专家的大量专门知识才能解决的复杂问题，专家系统作为一种实用软件，必须可靠地工作，在合理的时间内对求解的问题提供可用的解答，并为人们带来真正的经济效益和社会效益。( 2 ) 从求解手段看，专家系统的高性能是通过牺牲问题求解的通用性换来的。( 3 ) 从用户界面看，专家系统不仅能给出智能的建议或决策，而且有能力以用户直接理解的方式解释和证明自己的推理过程。 t a o 总之，专家系统是使用某一领域的实际专家天天使用的领域知识来求解问题，而不是用那些从计算机科学和数学中导出的与领域关系不大的方法来求解问题。通常，它适用于完成那些没有公认的理论和方法、数据不精确或信息不完整、人类专家短缺或专门知以十分昂贵的诊断、解释、监控、预测、规划和设汁等任务。2 2 专家系统的结构专家系统的应用领域十分广泛，不同的应用领域和应用目标往往需要采j h 不同的系统结构。现在，我们从大量专家系统结构中取出若二f 重要的共同成份。图2 一l 便是由这螳重要成份组成的一种典型专家系统结构。1 知识库是问题求解知以的集合，含有显式地表示的各种知识块，包括基本事实、规则和其他有关信息。库中的知识源于领域专家，是决定专家系统能力关键。所以知i 库是专家系统的核心组成部分。2 全局数据库或称工作存储器，是反映当前问题求解状态的集合，用于临时存放求解问题所需的各利一初始数据或证据，以及求解期1 1 _ i j 由专家系统产生的各种中问信息。全局数据库是联系人机接口与推理机及解释机制的纽带。3 推理机主要由调度程序与解释程序组成，是实施问题求解的核心执行机构。4 知识获取机制是专家系统中把问题求解的各种专门知以从人类专家的头脑中或其他知识源那罩转换到知识库中来的一个重要机构。专家系统并不是一个完备的系统，专家知识也需要不断地进行更新和补充，使得专家系统具有良好的扩充性和修改性。5 解释机制是专家系统中回答用户询问、对自己的问题求解过程或对自己当前的求解状态提供说明的一个重要机构。对系统得出结论的求解过程或系统当前状态提供说明，使得非专家用户能够理解系统的问题求解，并使初学者能得到问题求解过程的直观学习。6 用户界面是专家系统和用户之问进行交互通信和信息交换的媒介。专家系统的生命力在于它能同用户一起组成高性能的人机共存系统，友善的用户界面是这种人机共存系统的重要组成部分。7 用户也可以被视为专家系统的一个组成部分，这是为了强调专家系统的人机共存和共同思考的特征。【9 j幽2 - 1 - g e 典型的专家系统结构2 3 专家系统的出现与发展专家系统是6 0 年代中期发展起来的一门新兴的人工智能应用学科，是计算机应用的新领域。专家系统的发展大致分为四个阶段：孕育期( 1 9 6 5 年以前) ，产生期( 1 9 6 51 9 7 1 年) ，成熟期( 1 9 7 21 9 7 7 年) ，发展期( 1 9 7 8至今) 。1 8 11 9 6 8 年由s t a n f o r d 大学计算机系的e a f e i g e n b a u m 教授等研制的d e n d r a l 系统是第一个结合启发式程序和大量专门知识的实用智能程序，它的出现标志着人： 智能的一个崭新应用领域一一专家系统的诞生。与d e n d r a l 一样，对专家系统的产生起着先驱作用的系统还有数学领域的专家系统m a c s y m a 。在d e n d r a l 和m a c s y m a 的影响下，一大批专家系统从化学、数学、医学、生物工程、地质探矿、石油勘探、气象预报、地震分析、过程控制、系统没计、计算机配置、集成电路测试、电予线路分析、情报处理、法律咨询和军事决策等各个方面涌现出来。其中，对专家系统技术发展作出特殊贡献的典型系统有：诊断和治疗细菌感染性血液病的专家咨询系统m y c i n 、诊断和治疗青光眼的专家咨询系统c a s n e t 、语音理解系统h e a r s a y 、地质勘探专家系统p r o s p e c t o r 、计算机配霞专家系统x c o n 等。1 8 ，9 i近年来，囡内划专家系统已丌展了一些研究：二作，例如：人工地震勘探石油与天然气资料解释专家系统、地震岩相识别与处理、勘探钨矿、推理网络、小麦杂交育种新本选配方案、中医诊断、l i s p 语言的移植、p r o l o g语言解释的丌发、花布i 殳计、交通管理等项研究，并取得了一定的成果。1 8 “) 】专家系统的f f 趋成熟，促进了人工智能研究向深度和广度发展。人： 智能的许多理论、方法和技术都可以在专家系统的研制和使用过程中得到验证。这样，也就为专家系统的进一步发展打下了坚实的理论基础，创造了良好的知识环境。越来越多的用于解决具体应用领域中特定问题的专用专家系统棚继问世，并在实际使用中显示出顽强的生命力。2 4 专家系统在汽车检测与诊断领域的应用故障诊断专家系统是人：亡智能在设备故障诊断中的应用，它能够综合利用各种信息和诊断方法，具有更高的诊断效率和更好的诊断效果。汽车故障诊断专家系统是专家系统在汽车检测与诊断领域的应用，是一种能模拟汽车维修专家来进行诊断的计算机智能软件，它可以根据输入的数据，利用知识库中的知识，按一定的推理策略进行推理，以确定故障原因及部位，并给出维修建议。汽车诊断是一种不解体诊断过程，现代汽车的结构和使用条件越来越复杂，用传统的诊断手段已难以满足需要。研究和开发汽车故障诊断专家系统，利用计算机技术，模拟专家思维，已成为汽车故障诊断的一个发展方向。川国外在8 0 年代就把专家系统应用到了汽车检测、诊断领域，至今这方面的产品已趋于成熟。我国近年来对汽车故障渗断专家系统亦做了一定的研究，并取得了一定的成绩。北京理工大学、深圳大学、太原理工大学、重庆工业管理学院等都对汽车故障诊断专家系统和汽车发动机故障诊断专家系统进行过较深入的研究，并发表过相应的论文。但目前在国内外都没有关于侧滑检测与诊断方面的专家系统问世。1 3 4 3 9 】第三章汽车车轮侧滑检测的理论研究本章首先介绍汽车车轮各定位参数及其作用，进而分析侧滑产生的机理最后讨论了独立悬架汽车的车轮侧滑的影响因素。3 1 车轮定位参数及其作用汽车设计时，为使转向车轮具有转向轻便、准确和行驶稳定等性能，在转向轮上设有四项结构参数，即：主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和车轮前束，称为车轮定位参数。1 主销内倾角如图3 1 所示，转向主销( 或者上球节与下球节的连线) 相对铅垂线向内倾斜，称这个倾角为转向主销内倾角。车轮外前车轮p二ffj 转向钾爨lp，x ，卜角a幽3 - l 主销内倾角和前轮外倾角幽3 - 2 车轮前求如果转向销的中心线的延长线与路面的交点和车轮- 中心线接地点问有一个距离( 主销偏移量) ，那么在行驶中受到路面的阻力作用，而产生使车轮回转的力，造成驾驶不稳定。因此，为了缩短这个距离，应使转向销进一步倾斜。这样一来，因为车轮使车轴升高回转方向盘时易使方向盘复原。2 车轮外倾角如图3 1 所示，前轮一般是上部向外张丌的。前轮对于铅垂线的倾角称为 撕轮外倾角。由于前轮外倾减小了主销偏移量，所以不仅能和主销内倾角一样减轻操作方向盘的劳动强度，而且当前轴受到较大的负荷时，能防止车轮下部张丌的现象出现。3 前束由于具有外倾角，车轮转动时就会向外张丌，为了防止这种现象，保证行驶正常，如图3 2 所示，使左右车轮前面的阳：j 隔a 比后面的间隔b 小，称这种状态为前束，通常用b a 来表示这个量。前柬是为减少和消除车轮外倾造成的轮胎滑磨及磨损增加的危害而设置的。4 主销后倾角如图3 3 所示，从前轮的侧而看转向销相对应铅垂线向前、后倾斜，称这个倾角为主销后倾角。一般转向销的上部向后倾。转向销的中心线的延长线和路面的交点o 比通过车轮中心的铅垂线的接地点0 超前。由于主销后倾，车轮在滚动中滚动阻力不断沿着前进方向往回拉。因此，即使没有方向盘或松丌方向盘，前车轮也能自动回到行驶的方向上来。主销后倾幽3 - 3 主销后倾综上所述，车轮各定位参数的作用如下：车轮外倾角：避免车桥因承载变形而可能出现的车轮内倾，从而避免汽车轮胎的偏磨损。同时，一定的外倾角可减轻轮毂外轴承的负荷；主销内倾角：使转向操纵轻便且能使车轮自动回证；主销后倾角：能形成回正的稳定力矩，从而保证了汽车稳定的直线行驶；车轮前束：在车辆前行时，减少因轮胎外倾造成的两轮分别向外滚丌的趋势，使轮胎不致在地面上横向拖磨而产生异常磨损。 3 , 4 2 2 13 2 车轮侧滑产生机理如前所述，转向轮侧滑，实际上是指转向轮外倾角与转向轮前束综合作用表现出来的车轮滚动时的横向滑移量。如图3 - 4 所示，汽车在平直道路上行驶时，外倾使前轮的自由滚动方向o a 向外偏离其在前轴约束下的实际行驶方向o d ，前轮边滚边滑使轮胎表面受到背离汽车纵轴线的外倾侧向力。前束的存在使前轮的自由滚动方向o b向内偏离实际行驶方向0 1 ) ，前轮在地面上滚动的同时向内滑移所引起的f 讨束侧向力指向汽车纵轴线。在前柬和外倾的综合作用下：若前轮外倾和前束恰当配合，i 狰轮r - - d 由滚动方向与实际行驶方向一致，胁轮在地面上纯滚动，直线行驶时所受到的侧向力总和为零；反之，前束大于或小于实际需要时，前轮自滚动方向向内或向外偏离其实际行驶方向所引起的车轮向内或向外滑移，使轮胎表而受到与滑移方向相反的侧向力。侧向力大小显然与前轮自由滚动方向偏离实际行驶方向的角度所决定的轮胎侧向滑移量有关。汽车前轮通过侧滑台滑板时，由于滑板的侧向移动仅受滑板与支撑滚轮问的摩擦力和滑板的回位弹簧拉力的约束，同时轮胎与滑板问有足够的侧向位移。这样，在前束和外倾的综合作用下，若前轮的自由滚动方向偏离实际行驶方向，只要所产生的侧向力大于滑板与滚轮问摩擦力和弹簧弹性恢复力之和，前轮向前滚动的同时便会带动滑板侧滑。侧滑量则取决于j u 轮自由滚动方向与实际行驶方向的偏离量。 4 , 1 2 1如图3 5 所示，假设前束与外倾配合不当，使前轮自由滚动方向o a 向外偏离实际行驶方向o d 。当汽车i m 轮垂直通过侧滑板时，若前轮沿自由滚动方向o a 滚动，在驶过h 米( 滑板宽度) 后前轮中心应位于a 点；实际上，前轮在前轴限制下只能沿o d 行驶，在驶过h 米后前轮中心到达d 点。由于轮胎与滑板问侧向附着力大于滑板所受的侧向约束力总和，轮胎与滑板问不存在滑移。这样，前轮在滑板上行驶h 米后，滑板将在轮胎带动下向内侧滑移面，侧滑量s 为：s = _ 自。da幽3 - 4 外倾平| | 前爪的作川示意图f0幽3 - 5 侧滑产生机理示意图3 3 外倾和前束对汽车车轮侧滑的影响f 如上一节所述，车轮侧滑的产生是车轮前束与外倾综合作用的结果但前束干u # l - 倾具体是如何影响侧滑的，下而详细论述。1 车轮外倾对侧滑的影响具有外倾角的汽车转向轮，当不受约束地滚动时，其类似于滚锥绕着锥尖滚动，轨迹不是直线而是向外的圆弧。由于其受到转向轴的约束，两转向轮都只能按汽车给定的方向直线行驶。因此，在车轮中f y 7图3 - 6 外倾角与外倾侧向力的关系心将产生一个侧向力只，将车轮拉回直线行驶方向，则在车轮接触面上产生一个与，方向相反的侧向反作用力o ，这就是外倾侧向力，如图3 - 6 所示。当轮胎外倾滚动时，其胎面各部分变形如图3 7 所示。zxz图3 7 外倾乍轮的胎面变形图中2 a 为接地印迹长度。由于胎面各部分有相应的侧向变形，因而产生棚应的侧向应力。刘于x 处印迹的侧向变形为：a y = a z - t g y式中z 为轮胎接地部分的垂直变形，它是x 的函数。i n 为6 = 月2 一日2 ，车轮外圆的方程为：( 一d ) 2 + ( z 一6 ) 2 = r 2将b 代入上式并整理得：2 2 ：、压+ z 2 一涨：0解z 的一元二次方程，x 轴下方的z 为止= 压二了一、厨j i 了( 3 1 )l 妇泰勒级数近似展丌式得：厨础( 3 2 )阿zr 一! ：l 。x 尺- a ， 2 c ，一s ，将( 3 2 ) 、( 3 3 ) _ 曲式代八( 3 1 ) 式，则有：& 。垫：立f 三一2 2 r2 r a n所以x 处印迹的侧向变形为：妙= 止哪= 丽( 22 光一2 卜则x 处由外倾角引起的侧向应力为：刮讣等k 卜式中：c ，胎面单位长度的侧向刚度外倾侧向力f 、，如下：驴f 百c v a 馏) 出= 等咿小一等卜c 。a4 ，2c ，a 。，2 百t g y 一3 邙3 f 姆y2 k ，僧，。3式中k ，= 等c ，为轮胎外倾刚度。j 几由上述分析可知，外倾侧向力，与留成f 比，即f ，与y 角必然成一定关系：随着车轮外倾角y 的增加，侧向力f ，随之增大。同理，当车轮处于内倾( 即负外倾) 状态时，侧向力也随着内倾角的增大而增加，只是方向与车轮外倾引起的侧向力f ，。的方向相反。1 5 3 8 】2 前束对侧滑的影响对只具有前束的转向轮，当其不受约束地在地面上滚动时，转向轮将按前束角偏离给定方向滚动。由于受到转向轴、转向横拉杆等的约束，转向轮只能沿汽车纵轴线方向直线行驶，因而在车轮中心将产生一侧向力f ：，将车轮推回直线行驶方向。在车轮与地面的接触面上则会产生一个与f j 方向相反的侧向反作用力f 。这就是前束侧向力。前束侧向力沿接触面中心呈不对称分布。合力偏于后方。汽车行驶幽3 - 8 前束轮胎的胎面变形当转向轮以一定的前柬角a 向前滚动时，前束车轮的胎面变形( 为简化分析，假设胎体为刚性，轮胎的全部弹性集中在胎面上，且轮胎宽度很薄)如图3 8 所示。0 点为印迹前端点，印迹中轮胎上的一点经过时间t 后，由o点到达p 点，而后继续向前滚动。当轮胎变形产生的侧向应力与摩擦应力相等时( 即到达a 点后) ，轮胎上的点p 丌始滑移，最后回到不变形的初始位置。o a 为附着区，a b 为滑移区，2 a 为印迹长度，所以附着区内胎面上任一点p 的侧向变形为a y = x t g 凹印迹内胎面变形引起的侧向应力q 。，= c a y = c 。- x - t g a式中：c 为胎面单位长度的侧向刚度。由于一般酊束角都小于3 。，所以忽略胎面印迹内的滑移区，因此轮胎印迹上的侧向力为民，：n d x ：f “c ，t g x d x = 2 a2 c 。t g a = k d xct g ax d x2 act g ak 。移2jg 月。2j ，。2 ，。“辔口式中：k 。为轮胎侧偏刚度，k 。= 2 a 2 c ，。由上式可见前束引起的侧向力f 。，与前束角n 成f 比，随着前束的增大侧向力也随着增加。同理，当车轮处于前张( 即负前束) 状态时，侧向力也随着前张的增大而增加，只是方向与前束引起的侧向力f 0 的方向相反而已，如表3 1 所示1 5 j o表3 1车轮前束51371 l15t o e ( r a m )侧左e7 0 3 1 63 4 8 4 81 6 9 8 l一2 0 4 9 14 1 5 4 64 7 7 2 8向f ( n )奄f r5 6 2 3 l2 5 8 9 71 1 4 5 61 4 0 1 23 0 6 9 53 5 6 1 0力平均值6 3 2 7 43 0 3 7 31 4 2 1 91 7 2 5 23 6 1 2 l一4 1 6 6 9注：车型b j l 0 2 l s ，车轮外倾角10 3 0 ，车速5 i3 k m h ，轮胎气压2 0 0 k p a ，空载。o u t为正，i n 为负。d f 表3 1 可知，试验数据与理论分析完全吻合，侧向力与前束和前张都成花比，只是方向不同。表中的负号表示方向相反。口8 j3 前束与外倾的综合作用效果综上所述，车轮直线滚动时，由于车轮外倾和前束( 或车轮内倾和前张)所引起的侧向力，大小分别取决于； t - n 角和前束值且方向是相反的，可以互相抵消。因此其它条件一定时，侧向力的大小取决于外倾角和前束值的组合。当转向轮外倾与前束的综合作用不能平衡时，车轮直线滚动将在接触面上产生侧向力，即产生侧滑。理论上，当转向轮前束与外倾有一个最佳配合时，可以使侧向力为零，即两转向轮作纯滚动运动。由此可见，直接影响转向轮是否发生侧滑的两个决定因素是转向轮前束和外倾。对于非独立悬架汽车而苦，转向轮是否发生侧滑仅取决于转向轮前束。对于任何一个车轮外倾角都能相应地有一个可以使车轮侧向力等于零的前束值。前束值在一定程度上抵消了：9 1 - t 顷角的有害作用，但当其超出补偿车轮外倾角的有害影响的需要时，也将使侧向力增大而恶化汽车操纵稳定性。引起汽车车轮侧滑的因素很多，除了主要因素车轮定位参数之外，还有车速、轮胎气压、载荷、前驱动等因素也对汽车车轮侧滑有不同程度的影响。3 4 独立悬架汽车的车轮侧滑：悬架是现代汽车的重要总成之一，它把车架( 或车身) 、车轴( 或与车轮)弹性地连接起来，其主要任务是传递作用在车轮或车架之间的一切力和力矩，并缓和不平路面传给车架( 或车身) 的冲击载荷，衰减由冲击载荷引起的承载系统的振动，以保证汽车的正常行驶。悬架通常由弹性元件、导向机构和减振装置组成。悬架对汽车的行驶平顺性、稳定性、通过性、燃料经济性等多种使用性能都有影响。按导向机构型式来分，有独立悬架和非独立悬架两大类。 2 2 , 3 7 独立悬架是左右车轮不连在一根轴上，各自通过悬架和车架( 或车身)相连的一种悬挂形式。与非独立悬架相比较，独立：悬架的非簧载质量小，可以避免转向轮的陀螺效应，减少前轮摆头现象，可以采用刚变形小的弹性元件，获得较好的平顺性。随着汽车速度的不断提高，非独立悬架已不能满足行驶平顺性和操纵稳定性等方面的要求，因此独立悬架广泛地被采用在现代汽车上，特别是轿车的转向轮普遍地采用了独立悬架。1 2 3 , 3 5 1但是，独立悬架结构复杂，零部件刚度低，抗变形能力较差，加之其导向栩：系铰接点处均采用的是橡胶衬套结构，其变形较为显著，因此在使用中很容易引起转向轮定位参数的变化。引起车轮定位参数变化的因素有很多，如载荷、! l 二速、驱动力、车轮的运动特点以及上面所述的零部件的变形、磨损等。1 车辆载荷的影响前桥独立悬架车辆，特别是轿车，当车辆载荷发生变化时前轮外倾角就会发生变化。如德国m e r c e d e s 牌1 9 0 e 型轿车，空载时左前轮外倾角为一5 5 。，右轮一3 5 。；乘坐3 人后外倾角增大到约一1 。3 0 。图3 - 9 所示是几种典型前桥独立悬架车辆在驾驶员位乘坐1 人使车辆偏载时，车轮外倾角的变化情况。可以看出，当车辆偏载时左右车轮的外倾角都发生了变化。由此可见，对于前桥独立悬架车辆，载荷对车轮外倾角的变化影响较大。文献 1 4 中就这一问题做了对比试验，结果表明：偏载与空载时相比，前轮外倾角有的相差o 7 。与之相反，的排左、右各乘坐1 人与空载时的前轮外倾角却基本一致。显而易见，车轮外倾角的变化势必引起车轮侧滑的变化。1 3 ，1 3 幽3 - 9 独立悬架车辆偏载时1 i 轮外倾角的变化( a ) 单横臂式悬架( b ) 双横臂式悬架( c ) 纵摆臂式悬架2 车速的影响汽车在行驶过程中所受的外力，除了地面的作用力外，还有空气的阻力。在车速很低的时候，空气作用力可以忽略不计。但随着车速的增大，空气阻力对汽车操纵稳定性的影响不断增大。空气阻力作用于汽车车身上，使汽车的受力状态发生改变。3 驱动力的影响具有独立悬架的汽车不一定是前轮驱动，但是前轮驱动的汽车前桥基本上都是独立悬架的。对于前轮驱动的汽车，当其行驶时，驱动轮上输出的牵引力会使得两驱动轮对汽车悬架的下摆臂，造成一个绕下摆臂铰链点向前转动的力矩，和作用在平衡杆的纵向推力。这个力矩汞i 力很大的时候就会改变车轮定位参数。对于这一点，在第四章我们将会做进一步的论述。 5 , 3 8 14 车轮运动特点的影响独立悬架车辆前轮的运动，除前进时的旋转及上下跳动外，在上下运动的同时还存在着横向运动，使轮距发生变化。又由于独立悬架结构复杂，零部件刚度低，从而会因轮距的变化而引起车轮定位参数的变化。总而言之，独立悬架车辆在使用中容易引起车轮定位参数的变化。不正常的转向轮定位特别是不正常的车轮外倾角和前束的匹配会使车辆产生侧滑，从而引起转向沉重，增加驾驶员的劳动强度，行驶不稳定，车轮失去自动回正作用，不能保持直线行驶，造成汽车操纵困难，并潜在了交通事故隐患。本章主要研究汽车在行驶过程中车身所受到的空气阻力对车轮定位角的影响。首先分析了车速与空气阻力的关系，接着对车身空气阻力对车轮定位角的影响进行了理论分析，并提出了车轮侧滑检验中的空气阻力模拟试验方法。最后，对空气阻力模拟装嚣进行了研究和设计，并在此基础上进行了动态车轮侧滑的试验研究。4 1 车速与空气阻力的关系空气阻力即为汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力。空气阻力分为压力阻力与摩擦阻力两部分。作用在汽车外形表面上的法向压力的合力在行驶方向上的分力称为压力阻力。摩擦阻力是由于空气的粘性在车身表面产生的切向力的合力在行驶方向的分力。在汽车行驶范围内，空气阻力的数值通常都总结成与气流相对速度的动压力肛，j 成i t 比例的形式，即f 。= 壬c l ，a p u ；式中c 。一空气阻力系数，一般讲应足雷诺数r e 的函数，在车速较高、动压力较高、而相应气体的粘性摩擦较小时，c 。将不随r e而变化；p 一空气密度，一般p = 1 2 2 5 8 n s ! m ；a 一迎风面积，即汽车行驶方向的投影面积，单位为r n2 ：“，一相对速度，在无风时即汽车的行驶速度，单位为m l s 。如“，以聊肪, f l 。，则空气阻力( 单位为n ) 为只：篓( 4 - 1 )“2 1 15此式表明，空气阻力是与c ，、及a 值成正比的，且与汽车行驶速度的- y 方成正比。由此可见，汽车在高速行驶时，车身受到的空气阻力相当大。1 2 3 1汽车在行驶时车身所受的空气阻力可以由式( 4 1 ) 求得。式中空气阻力系数c 。的测试，传统的方法是别汽车原型或汽车模型进行风洞试验，但j j t , f m 试验费用太高。华南理：l ：大学在1 9 9 7 年开发了一种新的测试空气阻力系数c 。的方法即用汽车原型( 实车) 进行道路行驶试验来测试空气阻力系数c 。的方法。由于条件限制，我们这里根据典型轿车的空气阻力系数范围，选取空气阻力系数c 。= o 5 。迎风面积与车型有关，并受乘坐使用空间的限制。由于我们试验所用的汽车均为轿车，而其迎风面积的数据又无处查询，故这里选取几种典型车型的迎风面积进行了实验、计算。试验方法是实际测量试验用车的迎风截面的周长、车宽、