汽車前輪側滑量計算方法的研究

劉陳光， 漆波， 王麗娜， 楊林

（南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽421000）

0 引言

側滑是指由于車輪定位參數(shù)不匹配，尤其是前束與車輪外傾角配合不佳，在汽車行駛過程中，車輪與地面之間產(chǎn)生一種相互作用力，這種作用力垂直于汽車行駛方向，使輪胎處于邊滾邊滑的狀態(tài)［1］，即車輪發(fā)生了側滑。它使汽車的行駛阻力變大，增加油耗和加速輪胎的磨損。另外，前輪側滑量過大，將直接影響汽車操縱穩(wěn)定性和直線行駛性能，表現(xiàn)為高速時方向發(fā)抖、發(fā)飄［2］。

現(xiàn)階段調整前輪側滑量的方法，就是調節(jié)前束角和外傾角的值，這是一種反復調整的過程，既費時又費力。那能不能有一種更為簡便的方式呢？本文將對此問題展開研究。

文獻［3］指出，外傾角一定時，改變前束值就會導致側滑量的變化；前束一定時，改變外傾角也會導致前輪側滑量的變化。前束值和外傾角的任何改變，都可以通過側滑量顯示。并指出側滑量隨前束線性變化且給出了線性公式。文獻［4］中給出，若用Sa表示側滑量，Sc表示汽車由車輪外傾角引起的滑動板的側滑量，St表示由前輪前束引起的滑動板的側滑量，那么Sa=Sc-St。文獻［5］中指出，側滑是前束和外傾兩個參數(shù)匹配的結果。當車輪外傾角一定時，改變前束值就會導致側滑量成正比變化。文獻［6］指出，前輪前束角的作用是減小或消除汽車前進中，因前輪外傾角使前輪前端向外滾動所造成的不良后果，減少輪胎的磨損和滑動。文獻[7]指出，合理選擇車輪外傾角與前束，可使由外傾角與前束引起的側偏相互抵消，達到減小輪胎側向滑移的目的。據(jù)此，我們有理由相信汽車的前輪側滑量與前束和外傾角有一定的函數(shù)關系。本文將就此關系展開研究。

1 模型仿真分析

1.11/2前懸架模型模型

基于ADAMS/view建立某車型的1/2前懸架模型［8］如圖1所示。該模型是由前懸架系統(tǒng)和測試平臺組成，包括主銷、上下橫臂、拉臂、轉向拉桿、轉向節(jié)和車輪。

圖11/2前懸架模型

1.2 模型的仿真分析

根據(jù)該車型的設計參數(shù)，設置車輪前束角的靜態(tài)初始值為0.2°，車輪外傾角為1°，對1/2懸架模型進行上下跳動極限為±100 mm的雙輪同向跳動實驗。經(jīng)由ADAMS/postprocessing導出前束，外傾角，側滑量隨時間的變化數(shù)據(jù)，擇其中11組，如表1所示。

表111組前束，外傾角，側滑量隨時間變化數(shù)據(jù)

利用綜合優(yōu)化軟件包1stopt軟件的遺傳算法進行曲線擬合，其中：x為前束，（°）；y為外傾角，（°）；z為側滑量，mm。擬合函數(shù)為

其中，p1=30.61818；p2=88.44742；p3=-20.863774；p4=-54.067455；p5=6.5546303。

擬合的相關系數(shù)（R）為0.99997；決定系數(shù)（DC）為0.99994；均方差（RMSE）為0.07344；殘差（SSE）為0.11。對擬合系數(shù)進行取整后得到擬合曲線

將公式輸入到ADAMS中，輸入公式為：31+88*.pront_susp.toe_angle-21*.pront_susp.toe_angle*.pront_susp.toe_angle-54*.pront_susp.camber_angle+7*.pront_susp.camber_angle*.pront_susp.camber_angle。

由公式得到的擬合曲線（實線）和模型實測的曲線（虛線）的對比如圖2所示。

圖2 兩曲線對比圖

從圖6可以看出，擬合曲線和測量曲線的相差很小，可以用該擬合曲線來近似替代側滑量的測量曲線數(shù)據(jù)。

2 對公式的說明

改變轉向節(jié)的外點的z坐標（由-235mm改為-250mm）之后，懸架系統(tǒng)的初始前束角和外傾角就會隨之改變。再經(jīng)過以上步驟，得到的擬合曲線方程為

擬合的相關系數(shù)（R）為0.99997；決定系數(shù)（DC）為0.99995；均方差（RMSE）為0.07468；殘差（SSE）為0.11711。

由于前束角x和外傾角y的取值較小，式（2）和式（3）的系數(shù)變化不大，故可知公式的系數(shù)是由懸架的性能參數(shù)決定，與前束角和外傾角的初始值無關。

3 擬合函數(shù)公式能解決的問題

已知：x（前束角）的變化范圍是［-1°，1°］，y（外傾角）的變化范圍是［-15°，15°］；前輪側滑量不得超過5m/km［10］?？汕蟮茫?/p>

1）由于該函數(shù)是連續(xù)性函數(shù)，每一個（x，y）都對應一個函數(shù)值Z，即任給一個前束和外傾角的匹配角度，就能得出該匹配的側滑量，進而判斷前束和外傾角的匹配是否合理。

2）對該函數(shù)進行abs（Z）≤5 m/km，即讓側滑量在規(guī)定值內，就能求出前束角和外傾角的合理匹配值范圍。

（3）式（2）的絕對值進行基于XUFX數(shù)學函數(shù)尋優(yōu)進化算法-競賽取冠算法的最小值尋優(yōu)，經(jīng)過300次迭代，尋優(yōu)結果圖如3所示。此時前束角和外傾角的最優(yōu)匹配關系是：前束角為0.82°，外傾角為2.36°。

圖3 尋優(yōu)結果

4 結語

本文基于1/2前懸架模型的仿真分析數(shù)據(jù)，找到了一條擬合相關系數(shù)為0.9997的函數(shù)來表述側滑量隨前束和外傾角的變化關系且該函數(shù)的擬合系數(shù)只與懸架的性能參數(shù)有關，與前束角和外傾角的初始值無關。對函數(shù)取極值最優(yōu)，得到前束和外傾角的匹配關系為前束角為0.82°，外傾角為2.36°，此時的側滑量趨于0mm。由于輪胎尺寸大小不同，材料不同，氣壓不同，實際的合理匹配與擬合公式計算得到匹配關系可能有所不同，但此方法簡單，利用軟件容易求得，所得結果可供參考。

［1］ 王建強，蘇建.汽車車輪側滑量檢測存在問題及其對策研究［J］.汽車技術，2004（7）：30-32.

［2］ 武深秋.影響汽車側滑的因素［J］.交通與運輸，2007（5）：66

［3］ 田國華，何勇.汽車前輪側滑量及其允許值（下）［J］.交通標準化，1989（3）：22-24，6.

［4］ 陳宗鑒，陳復頌.汽車側滑量的檢測分析與調整［J］.汽車維護與修理 ，1996（9）：17-18.

［5］ 任劍.汽車側滑量對汽車性能的影響［J］.山東交通科技，2005（4）：83，91.

［6］ 何麗華.基于ADAMS的雙叉臂獨立全懸架仿真分析［J］.現(xiàn)代機械，2012（5）：27-28，31.

［7］ 上官文斌，王江濤.全地形越野車前雙橫臂獨立懸架與轉向系統(tǒng)的設計分析［J］.汽車工程，2008（4）：345-348.

［8］ 李軍，邢俊文，覃文潔.ADAMS實例教程［M］.北京：北京理工大學出版社，2002.

［9］ 馬文烈，李芳根.車輪外傾角與前束合理匹配的研究［J］.拖拉機與農(nóng)用運輸車，2006（3）：51-52.

［10］ GB/7258-1997 機動車安全運行技術條件［S］.