非制动状态下车辆侧滑机理分析

非制动状态下车辆侧滑机理分析摘要：通过对某车型的道路试验和参数调整，研究了在非制动状态下车辆侧滑产生的机理。试验结果表明，通过前轮外倾角和前轮前束配合调节可以减少前轮侧滑,通过调整车辆质心位置可以减少后轮侧滑。该结果可为整车设计者提供相应的参考。关键字：侧滑；车轮外倾角；车轮前束；横摆角速度增益；转向中图分类号：U462.2文献标识码：AVehiclesSlidingMechanismAnalysisNon-underBrakingAbstract:Throughthemodelofaroadtestandparameteradjustment，researchingtheslidingmechanismwhichtheVechileproducesnon-underbraking.Testresultsshowthatthefront-wheelslidingwillreducesbyadjustingthefront-wheelCamberangleandTotaltoe-in,andtherear-wheelslidingwillreducesbyadjustingthecentroidlocationsofvehicles.Theresultsprovideacorrespondingreferenceforvehicledesigners.Keywords：Sliding;Camberangle;Totaltoe-in;Transverse-swayanglevelocityplus;Steering1前言汽车的侧滑是指在汽车行驶过程中，车轮与地面之间产生了一种垂直于汽车行驶方向相互作用力，这种作用力使轮胎处于边滚边滑的状态，它使汽车的操纵稳定性变差，增加油耗和加速轮胎的磨损。当车辆滑移现象过于严重时，将破坏车轮的附着条件，导致轮胎的异常磨损，甚至丧失定向行驶能力而引发交通事故。本文根据对非制动状态下汽车产生侧滑机理的分析，提出了汽车在设计过程中避免防侧滑的方法。2汽车侧滑产生的机理和解决方法2.1前轮侧滑前轮侧滑大都是由于前轮外倾角和前轮前束配合不当引起。为保证汽车转向车轮无横向滑移的直线滚动，要求车轮外倾角和车轮前束有适当配合，当车轮前束值与车轮外倾角匹配不当时，车轮就可能在直线行驶过程中不作纯滚动，产生侧向滑移现象。GB7258-2004《机动车运行安全技术条件》规定：“对前轴采用非独立悬架的汽车，其转向轮的横向侧滑量，用侧滑台检验时侧滑量应在±5m/km之间”。对于前轴采用独立悬架的汽车，其侧滑量也可以采用不大于5m/km的要求。如果让汽车驶过可以在横向自由滑动的滑板，由于存在上述作用力，将使滑板产生侧向滑动。检验汽车的侧滑量，可以判断汽车前轮前束和外倾这两个参数配合是否恰当（并不测量这两个参数的具体数值）。2.1.1前轮侧滑产生的机理转向轮正前束的作用正好与正外倾的作用相反。当转向轮具有正前束，汽车向前行进时，两前轮具有向内收缩靠拢的趋势;转向轮具有正外倾，轮胎相当于圆锥的一部分，向前滚动时将有向外张开的趋势。理想的情况是转向轮向外的张力与向内收拢的作用力互相抵消，保持车轮直线行驶。假定将两个只有前束而没有外倾的车轮用一根可以自由伸缩的轴连接起来，车轮向前滚动一段距离以后，由于前束的作用，两只车轮将向里收拢，互相靠近。但实际上汽车的前轴是不可能缩短的。如果将两前轮放在可以横向自由滑动的滑板上，由于作用与反作用的原理，滑板将会向外滑动。在此试验过程中，以下因素都会影响轮胎与滑板之间的作用力，也就影响侧滑量，要特别注意：（1）试验车的各系统零件要满足整车的出厂技术要求；（2）汽车通过侧滑板时的速度为3-5km/h，不能偏快；（3）避免轮胎上沾水、油或花纹中嵌有小石子；2.1.2前轮侧滑的解决方法在侧滑试验台上，滑板向外滑动的数值记为“+”，向内滑动记为“-”。当前束的作用大于车轮外倾的作用时，产生的作用力使滑板向外滑动，仪表显示数值的符号为“+”，当车轮外倾的作用大于前束的作用时，滑板向内滑动，显示数值的符号为“-”。根据仪表上显示数值的正负号，即可知道如何调整前束。通过调整前束，一般即可解决前轮侧滑问题。2.2后轮侧滑后轮侧滑大都是由于整车设计不当造成过度转向引起。汽车的稳态转向特性分为不足转向、中性转向和过多转向三种类型。这三种不同转向特性具有以下行驶特点:在方向盘保持一固定转角sw下，缓慢加速或以不同的车速等速行驶时，随着车速的增加，不足转向的汽车的转向半径R增大；中性转向汽车的转向半径维持不变，而过多转向汽车的转向半径则越来越小。操纵稳定性良好的汽车应具有适度的不足转向特性。一般来说汽车不应具有过多转向特性，也不应具有中性转向特性，因为中性转向特性在使用条件变动时，有可能会转变为过多转向特性。但是由于涉及到整车系统的设计问题，因此若不注意系统匹配，在汽车设计中很容易造成过多转向的特性，一般车辆在70km/h~100km/h转向时较容易发生后轮侧滑问题，若转向程度过于猛烈，汽车易发生侧滑甚至翻车。2.2.1侧滑产生的机理汽车稳态横摆角速度增益rswdö÷ø计算公式为：2222111rsuuwLLKumabuLkkdö==÷骣ø++-琪桫式中：221mabKLkk骣=-琪桫：稳定性因数（单位为22/sm）。rswdö÷ø：为横摆角速度增益（单位为1s-）；rw：为稳态时横摆角速度（单位为1().s-°）；δ：前轮转角（单位为）；u：车辆质心的速度（单位为m/s）；L：为车辆轴距（单位为m）；m：汽车质量（单位为kg）；a：质心至前轴距离（单位为m）；b：质心至后轴距离（单位为m）；1k：地面对前轮侧向反作用力与前轴中点侧偏角的比值（单位为N/rad）；2k：地面对后轮侧向反作用力与后轴中点侧偏角的比值（单位为N/rad）。汽车稳态横摆角速度增益与质心车速关系曲线如下：上图中：cru为临界车速，其值为1K；chu为特征车速，其值为1K；K：稳定性因数。根据汽车稳态横摆角速度增益rswdö÷ø的计算公式并结合上述曲线分析可知：中性转向：当K=0时，rswuLdö=÷ø，横摆角速度增益与车速成正比，为中性转向。一般在车辆低速行驶时，车辆无侧偏角，为中性转向。不足转向：当K＞0时，rswuLdöá÷ø，随着车速增加，rswdö÷ø值先逐渐增大，后逐渐减小。K值越大，横摆角速度增益越小，不足转向量越大。当特征车速1chKu时，横摆角速度增益最大为max1.2rswuLdö=÷ø。一般来说，乘用车的横摆角速度增益为0.16~0.331s-（在侧向加速度为0.4g，车速为80km/h时）。过多转向：当K＜0时，横摆角速度增益rswuLdöñ÷ø，随着车速增加，rswdö÷ø值逐渐增大，并在21Ku+=0，即在临界车速1cruK=-时，rswdö÷ø趋于无穷大，在接近该车速附近，只要微小的前轮转角，车辆便会产生极大的横摆角速度，这意味着汽车的转向半径极小，汽车易发生急转而侧滑甚至翻车。因此，整车K值的设定对汽车侧滑有着至关重要的作用。一般来说，在侧向加速度为0.3g时，乘用车的稳定性因数K值设定在0.02~0.003522/sm之间。2.2.2后轮侧滑的解决方法由于221mabKLkk骣=-琪桫,在不改变轮胎特性的情况下，即在k1和k2不变的情况下（一般该值比较大，小型轿车轮胎的K值约在-28000~-80000N/rad之间），令a＞b，即尽量使质心位于前后轴中点稍偏后位置，使K＞0，这样车辆将具备不足转向同时偏向中型转向的特性，避免产生侧滑现象。若质量调整比较困难，适当增加轴距可以改善整车质量的分布，从而改变质心的位置。一般情况下，在车辆设计时，要求在车辆空载时，质心至前轴距离a小于质心至后轴距离b，随着轴荷的增加，质心至前轴距离a逐渐接近质心至后轴距离b，并在接近满载时a＞b。在轴距L和汽车质量不能改变的的情况下，增大k1和k2的值，即采用侧偏刚度较大的轮胎，可以改善车辆的转向特性另外，汽车的转向特性与车身绕Z柱的转动惯量、悬架的侧倾刚度及汽车在运动时质量的偏移等都有很大的关系，由于比较复杂，在此不再赘述。3试验结果1）由某一车型的试验可知，通过调节前束，将前轮侧滑量由原来的5.2m/km调整为0.2m/km，结果表明，调整后的车辆，其滚动阻力降低了约30%，加速性能提高了约7.5%，等速行驶燃料消耗量降低了5%左右。同时通过路试发现，在相同里程情况下，轮胎的磨损也大大降低。2）由某一轴距为2320mm试制车型的蛇形绕桩试验可知，把约100kg的重物放置在行李厢处与放置在前排相比，原在70km/h~90km/h后轮容易发生明显侧滑的情况在一定程度上有了较好改善。4结束语通过对车辆产生侧滑机理的分析，得出了避免前后轮发生侧滑的措施，这对提高整车的操纵稳定性有较好的设计参考作用。参考文献1余志生.汽车理论（第2版）.北京：机械工业出版社，1999.