基于魚鉤試驗的車輪離地高度測量方法

劉建軍 孫明 梁東

（中國汽車技術研究中心有限公司）

根據美國NHTSA 統計，盡管只有3%的交通事故和翻車有關，但其致死率卻高達33%，因此汽車的抗翻滾穩定性越來越受到各個國家的重視。目前，歐盟ECE R140、美國FMVSS 126 以及中國GB/T 30677—2014 都是通過正弦停滯試驗來檢驗汽車的電子穩定系統（ESC）。此外，美國US-NCAP 制定了更加嚴苛的魚鉤試驗來評價車輛的抗翻滾能力。該試驗評價車輛抗翻滾穩定性的最重要指標是在規定的試驗車速和轉向盤輸入下，車輪離地的高度是否超過50.8 mm。魚鉤試驗實施的難點是實現車輪動態離地高度的測量，文章設計了適用于魚鉤試驗要求的車輪離地高度測量方法，為魚鉤試驗的實施奠定了良好的基礎。

1 車輪跳起運動狀態分析

汽車通過懸架將車身與車輪連接到一起，懸架能夠支撐車身和減小車身振動。車輪和車架之間的相互作用力都是靠懸掛來傳遞的，因此車輪的運動狀態也主要取決于懸架的結構形式。汽車懸架總體上分為獨立懸架和非獨立懸架。圖1 示出2 種結構形式懸架的車輪跳起運動姿態。

圖1 汽車懸架車輪跳起運動姿態圖

獨立懸架可簡單地理解成，左右2 個車輪沒有通過1 根軸剛性地連接在一起，任意一側車輪的懸架部分分別與車身連接，因此獨立懸架2 個車輪的運動是獨立的。獨立懸架車輪跳起的運動可以看成是繞著車輪自身側下擺臂節點的圓周運動。獨立懸架車輪跳起的運動姿態[1]，如圖1a所示。非獨立懸架左右2 個車輪之間通過1 根軸進行剛性連接，左右2 個車輪的運動是非獨立的。非獨立懸架每一側車輪跳起的運動可以看成是繞著另一側未跳起車輪與地面接觸點的圓周運動。非獨立懸架車輪跳起的運動姿態[2]，如圖1b所示。根據圖1 可知，獨立懸架和非獨立懸架車輪跳起的運動形式和姿態是不一樣的。進行車輪離地高度測量方法設計時應將獨立懸架和非獨立懸架車輪跳起運動姿態的不同考慮進去，所涉及的方法最好可以適用于2 種不同懸架的車輪離地高度的測量。

除此之外，在汽車行駛過程中車輪處于滾動狀態，并且車輪跳起以后，車身會向車輪未跳起的一側發生側傾，導致跳起車輪的姿態也會發生變化。設計的車輪離地高度測量方法應能測量運動車輪的離地高度，并且可以測量車輪在不同姿態下的離地高度。

2 車輪離地高度測量方法模型設計

為了可以采用同一種方法測得安裝在不同懸架類型上的車輪的離地高度，需要脫離具體的懸架結構類型，單獨對車輪的運動姿態和狀態進行分析。單個車輪跳起以后的姿態，如圖2 所示，通過對跳起以后的車輪與固定在車輪軸向方向上的2 個激光測距儀的幾何位置關系進行解析，設計了適用于獨立懸架和非獨立懸架的車輪離地高度的測量方法，如圖2所示。在車輪中心軸向方向的A、B 處安裝2 個激光測距儀，用于測量A、B 處在車輪跳起以后與地面的距離。

圖2 車輪離地高度測量方法設計原理圖

根據圖2 的幾何位置關系，輪胎外側最下邊緣D'點距離地面的高度計算過程如下：

式中：α——車輪跳起以后，激光測距儀1位置點B' 與輪胎外側最下邊緣點D' 連線與車輪橫向軸線的夾角，（°）；

β——車輪跳起以后車輪橫向軸線與水平面的夾角，（°）；

γ——車輪跳起以后，激光測距儀1位置點B' 與輪胎外側最下邊緣點D連線與測距儀1 地面垂直線的夾角，（°）。

輪胎外側最下邊緣D點距離地面的高度值（EO/mm）為：

3 車輪離地高度測量方法的實現以及試驗驗證

3.1 車輪離地高度測量系統

為了實現設計的車輪離地高度測量方法，文章又設計了車輪離地高度測量系統，如圖3所示。將車輪離地高度測量算法通過編程集成在上位機中，通過顯示器直接顯示測試系統測得的車輪離地高度值。

圖3 車輪離地高度測量系統示意圖

根據圖2 以及式（1）～ 式（8）可知，測量系統最重要的部分是通過專門卡具和支架將激光測距儀1 和激光測距儀2 固定在車輪軸向的橫向方向上，2 個激光測距儀輸出數據的準確程度將直接影響測得的車輪離地高度的精度和準確性，因此需選用高精度的激光測距儀。同時法規中要求測量的車輪離地高度都是汽車在特定行駛工況下車輪突然跳起的高度，車輪離地高度的測量是在動態情況下進行，因此要求所選用的激光測距儀的響應速度要快。文章選用德國Banner LE550型激光測距儀，其特征參數，如表1所示。

表1 德國Banner LE550型激光測距儀參數

影響車輪離地高度測量系統精度的因素除了選用的激光測距儀的響應速度和精度，還有3 個關鍵相對位置尺寸，分別為：2 個激光測距儀沿車輪軸向方向的距離（l）、輪胎外側點D距激光測距儀1 沿車軸方向上的距離（m）和沿輪胎平面的距離（n），這3 個關鍵尺寸的測量要求盡量精確，否則容易造成系統誤差。按照圖3 中的車輪離地高度測量系統裝配關系測量的l，m，n分別為161.9，170.7，84.8 mm。

3.2 車輪離地高度測量模型試驗驗證

3.2.1 車輪離地高度測量模型靜態試驗驗證

為了驗證所設計的車輪離地高度測量模型的精度以及測量范圍是否可以滿足魚鉤試驗的要求，進行了相應的車輪離地高度測量系統精度的靜態測試試驗。試驗過程如下：首先通過舉升器將車輪頂起到不同的高度，用以模擬車輪跳起的不同高度。然后選用精度為0.05 mm 的高度尺測量車輪輪胎外側最下邊緣D點的離地高度，接著通過設計的車輪離地高度測試系統測得該點的離地高度，最后將高度尺測得的結果與所設計的系統測得的結果進行對比。試驗過程，如圖4 所示，試驗結果對比，如表2所示。

圖4 車輪離地高度測量系統驗證試驗

表2 車輪離地高度靜態測試試驗結果比較 mm

魚鉤試驗要求車輪離地高度系統的測量范圍為349.25～850.90 mm[3]，精度為測量范圍的1%（5 mm）。根據表2 可知，所設計的車輪離地高度測試系統測得的數據與高度尺測得的數據相差不大，最大誤差值為2.8 mm，小于魚鉤試驗對車輪離地高度系統最大誤差的要求，說明在靜態試驗條件下所設計的車輪高度測量系統能夠滿足魚鉤試驗對車輪離地高度測試系統測量范圍和精度的要求。

3.2.2 車輪離地高度測量模型動態試驗驗證

雖然所設計的車輪離地高度測量系統在靜態條件下能夠滿足魚鉤試驗的要求，但由于魚鉤試驗是在汽車行駛過程中監測車輪的離地高度，該過程中車輪突然抬起的過程會非常短暫，因此要求系統的響應速度要快。為了驗證所設計的車輪離地高度測量系統的動態響應及精度，文章進行了相應的車輪離地高度測量系統的動態測試試驗。試驗過程如下：1 個車輪裝有車輪離地高度測量系統的汽車以10 km/h 的速度壓過鋪在路面上的磚塊，輪胎壓到磚塊以后會被抬起，如圖5所示，車輪壓過的磚塊的寬度較窄，所以車輪壓過磚塊的過程會比較短暫，裝在車輪上的車輪離地高度測量系統記錄車輪離地高度變化的過程也會較短暫。由于輪胎是圓形的橡膠彈性體，車輪在爬上和爬下磚塊的整個過程中，輪胎與磚塊的接觸面積會從小變大然后再逐漸變小，輪胎外側最下邊緣的應變變形也隨之從大變小再逐漸變大，因此只有在輪胎與磚塊接觸面最大的時刻，即車輪剛好壓到磚塊中間位置的時刻，輪胎外側最下邊緣的應變才最小，輪胎抬起的高度在此時最高。磚塊的厚度也為輪胎抬起的最大高度。試驗測得的車輪離地高度的變化過程，如圖6所示。用高度尺測量磚塊的高度，如圖7所示。高度尺測得數據與車輪離地高度測量系統得到的車輪離地的最大高度數據比對，如表3所示。

圖5 車輪勻速壓過磚塊示意圖

圖6 車輪離地高度變化過程曲線

圖7 高度尺測量磚塊高度示意圖

表3 車輪離地高度動態測試試驗結果比較 mm

根據表3 可知，在動態情況下，車輪離地高度測量系統與高度尺測量的結果最大相差0.7 mm，差值的平均值為0.53 mm。

通過車輪離地高度測量模型動態試驗結果可知，所設計的車輪離地高度測量系統在實際車輛運動情況下，同樣可以對車輪短暫抬起的高度進行準確的測量，并且重復測量的一致性較好。所設計的車輪離地高度測量系統同樣能夠滿足魚鉤試驗對車輪離地高度測量系統精度的要求。

4 結論

文章驗證了所設計的車輪離地高度測量方法在汽車行駛過程中車輪突然跳起情況下的測量可行性，并且該方法在原理上克服了懸架類型對測量結果的影響，適用于獨立懸架和非獨立懸架車輪離地高度的測量。通過試驗驗證了設計的車輪離地高度測量系統的測量精度和量程都可滿足美國NCAP 中魚鉤試驗對車輪離地高度的測量范圍和精度的要求，對在工程上繼續研究車輪的運動狀態也有非常重要的參考和借鑒意義。