汽车前轮侧滑量计算方法的研究

刘陈光， 漆波， 王丽娜， 杨林

（南华大学 机械工程学院，湖南 衡阳421000）

0 引言

侧滑是指由于车轮定位参数不匹配，尤其是前束与车轮外倾角配合不佳，在汽车行驶过程中，车轮与地面之间产生一种相互作用力，这种作用力垂直于汽车行驶方向，使轮胎处于边滚边滑的状态［1］，即车轮发生了侧滑。它使汽车的行驶阻力变大，增加油耗和加速轮胎的磨损。另外，前轮侧滑量过大，将直接影响汽车操纵稳定性和直线行驶性能，表现为高速时方向发抖、发飘［2］。

现阶段调整前轮侧滑量的方法，就是调节前束角和外倾角的值，这是一种反复调整的过程，既费时又费力。那能不能有一种更为简便的方式呢？本文将对此问题展开研究。

文献［3］指出，外倾角一定时，改变前束值就会导致侧滑量的变化；前束一定时，改变外倾角也会导致前轮侧滑量的变化。前束值和外倾角的任何改变，都可以通过侧滑量显示。并指出侧滑量随前束线性变化且给出了线性公式。文献［4］中给出，若用Sa表示侧滑量，Sc表示汽车由车轮外倾角引起的滑动板的侧滑量，St表示由前轮前束引起的滑动板的侧滑量，那么Sa=Sc-St。文献［5］中指出，侧滑是前束和外倾两个参数匹配的结果。当车轮外倾角一定时，改变前束值就会导致侧滑量成正比变化。文献［6］指出，前轮前束角的作用是减小或消除汽车前进中，因前轮外倾角使前轮前端向外滚动所造成的不良后果，减少轮胎的磨损和滑动。文献[7]指出，合理选择车轮外倾角与前束，可使由外倾角与前束引起的侧偏相互抵消，达到减小轮胎侧向滑移的目的。据此，我们有理由相信汽车的前轮侧滑量与前束和外倾角有一定的函数关系。本文将就此关系展开研究。

1 模型仿真分析

1.11/2前悬架模型模型

基于ADAMS/view建立某车型的1/2前悬架模型［8］如图1所示。该模型是由前悬架系统和测试平台组成，包括主销、上下横臂、拉臂、转向拉杆、转向节和车轮。

图11/2前悬架模型

1.2 模型的仿真分析

根据该车型的设计参数，设置车轮前束角的静态初始值为0.2°，车轮外倾角为1°，对1/2悬架模型进行上下跳动极限为±100 mm的双轮同向跳动实验。经由ADAMS/postprocessing导出前束，外倾角，侧滑量随时间的变化数据，择其中11组，如表1所示。

表111组前束，外倾角，侧滑量随时间变化数据

利用综合优化软件包1stopt软件的遗传算法进行曲线拟合，其中：x为前束，（°）；y为外倾角，（°）；z为侧滑量，mm。拟合函数为

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

拟合的相关系数（R）为0.99997；决定系数（DC）为0.99994；均方差（RMSE）为0.07344；残差（SSE）为0.11。对拟合系数进行取整后得到拟合曲线

将公式输入到ADAMS中，输入公式为：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。

由公式得到的拟合曲线（实线）和模型实测的曲线（虚线）的对比如图2所示。

图2 两曲线对比图

从图6可以看出，拟合曲线和测量曲线的相差很小，可以用该拟合曲线来近似替代侧滑量的测量曲线数据。

2 对公式的说明

改变转向节的外点的z坐标（由-235mm改为-250mm）之后，悬架系统的初始前束角和外倾角就会随之改变。再经过以上步骤，得到的拟合曲线方程为

拟合的相关系数（R）为0.99997；决定系数（DC）为0.99995；均方差（RMSE）为0.07468；残差（SSE）为0.11711。

由于前束角x和外倾角y的取值较小，式（2）和式（3）的系数变化不大，故可知公式的系数是由悬架的性能参数决定，与前束角和外倾角的初始值无关。

3 拟合函数公式能解决的问题

已知：x（前束角）的变化范围是［-1°，1°］，y（外倾角）的变化范围是［-15°，15°］；前轮侧滑量不得超过5m/km［10］。可求得：

1）由于该函数是连续性函数，每一个（x，y）都对应一个函数值Z，即任给一个前束和外倾角的匹配角度，就能得出该匹配的侧滑量，进而判断前束和外倾角的匹配是否合理。

2）对该函数进行abs（Z）≤5 m/km，即让侧滑量在规定值内，就能求出前束角和外倾角的合理匹配值范围。

（3）式（2）的绝对值进行基于XUFX数学函数寻优进化算法-竞赛取冠算法的最小值寻优，经过300次迭代，寻优结果图如3所示。此时前束角和外倾角的最优匹配关系是：前束角为0.82°，外倾角为2.36°。

图3 寻优结果

4 结语

本文基于1/2前悬架模型的仿真分析数据，找到了一条拟合相关系数为0.9997的函数来表述侧滑量随前束和外倾角的变化关系且该函数的拟合系数只与悬架的性能参数有关，与前束角和外倾角的初始值无关。对函数取极值最优，得到前束和外倾角的匹配关系为前束角为0.82°，外倾角为2.36°，此时的侧滑量趋于0mm。由于轮胎尺寸大小不同，材料不同，气压不同，实际的合理匹配与拟合公式计算得到匹配关系可能有所不同，但此方法简单，利用软件容易求得，所得结果可供参考。

［1］ 王建强，苏建.汽车车轮侧滑量检测存在问题及其对策研究［J］.汽车技术，2004（7）：30-32.

［2］ 武深秋.影响汽车侧滑的因素［J］.交通与运输，2007（5）：66

［3］ 田国华，何勇.汽车前轮侧滑量及其允许值（下）［J］.交通标准化，1989（3）：22-24，6.

［4］ 陈宗鉴，陈复颂.汽车侧滑量的检测分析与调整［J］.汽车维护与修理 ，1996（9）：17-18.

［5］ 任剑.汽车侧滑量对汽车性能的影响［J］.山东交通科技，2005（4）：83，91.

［6］ 何丽华.基于ADAMS的双叉臂独立全悬架仿真分析［J］.现代机械，2012（5）：27-28，31.

［7］ 上官文斌，王江涛.全地形越野车前双横臂独立悬架与转向系统的设计分析［J］.汽车工程，2008（4）：345-348.

［8］ 李军，邢俊文，覃文洁.ADAMS实例教程［M］.北京：北京理工大学出版社，2002.

［9］ 马文烈，李芳根.车轮外倾角与前束合理匹配的研究［J］.拖拉机与农用运输车，2006（3）：51-52.

［10］ GB/7258-1997 机动车安全运行技术条件［S］.