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汽车专业毕业论文—车轮侧滑的检测诊断研究

汽车专业毕业论文—车轮侧滑的检测诊断研究

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本科毕业论文
题目 车轮侧滑的检测诊断研究

学 专 学

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车轮侧滑是指由于前束与车轮外倾角配合不当,在汽车行驶过程中,车轮与地面之 间产生一种相互作用力,这种力垂直与汽车行驶方向,让车轮处于边滚边滑的状态。本 文的目的是综述讨论车轮侧滑的影响因素及其检测原理及诊断分析。 本文首先对车轮侧 滑的基本概念和影响因素进行了阐述分析, 引入汽车侧滑试验台的测量原理对车轮侧滑 的机理进行分析。分析讨论侧滑量及其导致侧滑量出现的影响因素。最后讨论车轮侧滑 检测存在的问题以及对策和将车轮侧滑检测引入车辆年检的可能性。 车轮侧滑的影响因 素主要是车轮定位参数异常导致,特别是转向轮外倾角与前束不匹配。车轮侧滑量分析 得出各项车轮定位参数对车轮侧滑的影响是不同的, 各种车轮定位参数之间的不匹配也 会造成不同的侧滑量。对上述结果的分析,得出的结论与结果保持一致,车轮前束、车 轮外倾、 主销后倾、 车轮外倾与前束不匹配对车轮侧滑的影响有所差别, 并不完全一致。 对侧滑量进行分析时要有所区别对待。

关键词:车轮侧滑;车轮定位参数;侧滑量;侧滑试验台;

II

Abstract
Wheel sideslip refers to improper toe with wheel camber Angle mismate.When the car driving,it creates a force between the wheel and ground, the vertical force and the direction car driving, let the wheel is in a state of edge binding slip.The purpose of this article is to discuss the influence factors of wheel sideslip and wheel sideslip detecting principle and diagnostic analysis.Firstly, in this paper,analyzing the basic concept of wheel sideslip and influencing factors,accounting for car sideslip test-bed measuring principle,analyzing the mechanism of wheel sideslip.Then analyzing the influence factors of sideslip quantity and its cause sideslip quantity.Finally discussing the problems of wheel sideslip and the possibility of introducing wheel sideslip detecting vehicle annual inspection.The main factors of wheel sideslip are the wheel alignment parameters are abnormal,especially the steering wheel camber Angle and toe-in don't match.Analysis of wheel sideslip quantity learned that the wheel alignment parameters influence on wheel sideslip are different.Different wheel positioning parameters not matching can cause different side slip value of front wheel.Analyzing the above results,conclusion consistent with the results.Wheel toe-in, wheel camber, caster, the mismatching between wheel camber and toe have different influence on wheel sideslip.They need to be treated differently when analyzing the wheel sideslip quantity.

Key words:
Sideslip test-bed;

Wheel sideslip;

Wheel alignment parameters;

Sideslip quantity;

III

目 录
1 绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 1.2 1.3 2.1 2.2 2.3 车轮侧滑及对汽车性能的影响 ....................................................................... 1 车轮侧滑检现状 ............................................................................................... 1 本文研究的意义 ............................................................................................... 2 车轮外倾对车轮侧滑的影响 ........................................................................... 3 车轮前束对车轮侧滑的影响 ........................................................................... 5 车轮具有外倾与前束时侧滑情况分析 ........................................................... 7

2 车轮侧滑影响因素 ...................................................................................................... 3

3 汽车侧滑试验台的结构与工作原理 .......................................................................... 9 3.1 转向轮定位值引起的侧滑 ................................................................................. 9 3.1.1 前束引起的侧滑 ...................................................................................... 9 3.1.2 外倾角引起的侧滑 ................................................................................ 10 3.2 滑板式侧滑试验台的结构与工作原理 ........................................................... 10 3.2.1 侧滑试验台的结构 ................................................................................ 10 3.2.2 滑动板仅受到外倾角的作用 ................................................................ 12 3.2.3 滑动板仅受到前束作用 ........................................................................ 12 3.2.4 滑动板受到外倾角和前束角同时作用 ................................................ 13 4 车轮侧滑量的分析 ...................................................................................................... 15 4.1 前轮驱动车型检测结果分析 ........................................................................... 15 4.1.1 重心位置的影响 .................................................................................... 15 4.1.2 前驱动轴传动转向装置磨损间隙的影响 ............................................ 15 4.2 独立悬架车型检测结果分析 ........................................................................... 16 4.2.1 前束调整不当 ........................................................................................ 16 4.2.2 前轮外倾不正确 .................................................................................... 16 4.2.3 主销后倾及内倾不符合规定 ................................................................ 17 4.2.4 车轮外(内)倾角与前束匹配 ............................................................ 17 4.3 后轮侧滑量检测分析 ....................................................................................... 17 4.4 车轮侧滑检测存在的问题及对策 ................................................................... 17 4.4.1 存在问题 ................................................................................................ 17 4.4.2 对策 ........................................................................................................ 18 结 论 .............................................................................................................................. 20 参考文献 .......................................................................................................................... 21
IV

致 谢 .............................................................................................................................. 22

V

1

绪论
在现代社会,汽车已经成为人们生活、工作不可缺少的一种交通共工具。汽车在为

人们造福的同时,也带来了大气污染、噪声和交通安全等一系列问题。其中首屈一指的 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。

1.1 车轮侧滑及对汽车性能的影响
车轮定位主要包括主销内倾角、主销后倾角、车轮外倾角和前轮前束四个参数。从 上述定义来看,车轮定位参数值的大小体现了转向轮的定位角大小,特别是车轮前束与 车轮外倾角之间的匹配情况,直接影响了汽车行驶的稳定性与安全性。随着公路和城乡 道路的不断发展,现代轿车和轻型客车的车速不断提高,以及我国汽车保有量的不断的 增加,人们对汽车的乘坐舒适性和行驶安全性提出了更为严格的要求。为保证汽车直线 行驶,应使转向轮具有自动回正作用,这种自动回正作用是由转向轮定位角来保证的, 因此设计转向桥时应使主销和车轮在汽车的纵向和横向平面内都有一定的倾角即转向 轮定位参数,它包括主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和车轮前束。 车轮侧滑是指由于前束与车轮外倾角配合不当,在汽车行驶过程中,车轮与地面之 间产生一种相互作用力,这种力垂直与汽车行驶方向,让车轮处于边滚边滑的状态。其 主要危害有:汽车行驶时发生侧滑,会使汽车行驶阻力增加,对于汽车的动力学、燃油 经济性及制动性能都有不利影响;汽车侧滑量增大,对于汽车轮胎来说磨损加剧,同时 还会引起偏磨,导致汽车轮胎使用寿命下降;汽车侧滑量过大,对于汽车行驶的影响很 大、对于汽车操控稳定性有直接影响,如高速行驶时方向发抖、发飘。 不正常的转向轮定位特别是车轮外倾角和前束的匹配会引起转向沉重、 明显增加驾 驶员的劳动强度,造成行驶不稳定、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,同时会加剧转向机构和转向轮胎的磨损。加重转向轮外胎小轴承及紧固 螺母的负荷,降低其的使用性命。增加燃油消耗量,使动力性能下降等。资料统计表明 ,转向轮定位故障占整车的 30%左右,如此高的故障率应引起同行业的高度重视[1]。

1.2 车轮侧滑检现状
诊断和排除转向轮定位系统故障是一个既老又新的课题: 说其老就是由于从汽车诞 生之时起,该系统就是人们研究的对象:至于新就是到目前为止仍然存在大量的问题需 要研究和解决。随着车辆结构的变化和行驶速度的提高,新的问题也随之而来,特别是 车辆在高速公路上行驶时,若存在转向轮定位故障则可能引发交通事故。造成不必要的 人员伤亡和经济损失。 目前汽车转向轮定位参数检测己成为汽车综合性能技术状况检测 的重点检测项目之一。 目前国内检测车轮侧滑主要依靠单板或双板式的侧滑试验台。 由于在侧滑检测时受
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很很多因素的影响,因此经常出现车轮定位角在标注范围内,但是侧滑量超标或者车轮 侧滑量符合标准,但是出现前轮转向发飘、发抖,轮胎异常磨损的现象。对维修人员来 说,在故障排除过程中遇到很多问题无法用老方法解决。 如果让汽车行驶过可以横向自由滑动的滑板,由于存在前面提到的作用力,时滑板 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参数配合是否恰当, 而并不直接测量这两个参数的具体值。 转向轮正前束的作用是正好与正外倾的作用相反。当转向轮具有正前束,汽车向前 行驶时,两前轮具有向内收拢的趋势。转向轮具有正外倾,轮胎相当于圆锥的一部分, 向前滚动时有向外扩张的趋势。理想的情况是转向轮向外的张力与向内的作用力抵消, 保持汽车直线行驶。 假定将两个只有前束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后,由于前束的作用,两车轮将向里靠拢。但实际上汽车 的前轴不可能缩短的。如果将两前轮放在可以横向自由运动的滑板上,由于作用力和反 作用力的原理,滑板将向外滑动。侧滑是前束和外倾两个参数匹配的结果,因此另外参 数都合格时,侧滑合格。

1.3 本文研究的意义
根据现在车轮侧滑检测的现状, 有必要对车轮侧滑的检测与诊断做一个详细的探讨 与研究,系统的对车轮侧滑的概念、影响因素、检测诊断原理方法、侧滑试验台的原理 功用等做一个总结介绍,探讨车轮侧滑检测诊断的发展方向。以期能够对现阶段侧滑检 测诊断的不完善以及各种隐患的改进做出一些贡献。 现阶段车轮侧滑的检测诊断主要依 赖于侧滑试验台,主要是滑板式侧滑试验台,由于不同侧滑的试验台测量精度不同经常 导致同一车在不同的侧滑试验台上测得的数据不同, 不同的车型的侧滑数据标准也不一 致, 甚至出现了侧滑数据合格但是车辆本身仍存在异?;蛘咂当旧碚6嗷坎缓?格的现象。这都是需要研究探讨的问题。现阶段车辆年检并没有引入车轮侧滑检测,致 使很多车主并不重视车轮侧滑的问题和危害, 本文讨论了将车路侧滑检测引入车辆年检 的可能性及其利弊,对于提高车辆操控稳定性和道路安全隐患排除有一定的积极意义。

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2

车轮侧滑影响因素

2.1 车轮外倾对车轮侧滑的影响

图 2.1 轮外倾时的情况

图 2.1 为车辆运行过程中右前轮外倾时的受力情况。由于车轮外倾时车轮承受的重 力 Px 只与支反力 Px? 错开了一定距离,从而使车轮受到一力矩作用;为了保持平衡,必 须有一与该力矩大小相等方向相反的力矩同时作用于车轮。于是有下式成立,即: Pz R sinα ? F α Rcosα (2.1) 式中:α 为车轮外倾角,单位 °;Fα 为车轮外倾侧向力,单位 N;R 为车轮动力 半径,单位 m。 由此可见,车轮外倾产生了侧向力,称之为外倾侧向力。由于车轮动力半径、车轮 实际的接地点与轮胎的侧偏刚度有关,所以式(2.1)所表达的车轮侧向力与车轮外倾角的 关系和实际的侧向力与外倾角的关系有所不同。试验证明,实际的外倾侧向力与外倾角 关系为:
F α α ?k α

(2.2)

式中: kα 为倾刚度,单位 N/° 。 由于轮胎为弹性体,在外倾侧向力作用下轮胎底部与地面接触处将发生侧向变形。 图 2.2(a)中,aa 为右前轮侧向变形后轮胎接地印迹中心线,它与车轮 AA 中心线平行。 当车轮在路面滚动时, 轮胎接地印迹中心线 aa 将不再与 AA 平行, 而是偏移一定角度 β, 我们称之为外倾侧偏角; 如图 2.2 (b) 所示最先落地的轮胎印迹点离车轮中心线 AA 近, 侧向变形??;以后相继落地的轮胎印迹点离车轮实际行驶直线 AA 越来越远,侧向变形 大。侧向变形产生侧向应力,侧向应力与侧向变形成正比;当侧向应力大于或等于地面
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摩擦力时,轮胎开始滑移,称之为外倾侧滑。

(a)

(b)

图 2.2 倾侧向力作用下轮胎侧偏示意图

图 2.3 中,Y 轴代表轮胎侧偏变形量,X 轴代表轮胎接地印迹长度,OX 为车轮无 外倾时车轮印迹中心线,AC 为车轮在外倾侧向力作用下的静变形接地印迹中心线, β 为侧偏角。车轮滚动时在 A 点开始与地面接触,经过时间 t 到达 B 点之后轮胎变形产生 的侧向应力和侧向摩擦力相等,轮胎开始向 C 点滑移,滑移至 C 点后轮胎又将重复以 上变形滑移过程。外倾角加大,外倾侧向力也增大,轮胎侧向变形加剧,轮胎侧向应力 随之增大,从而加大了滑移区,最终导致轮胎表面参与滑移的面积增加,即增加了外倾 侧滑量。

B

图 2.3 偏过程中轮胎的变形滑移
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2.2 车轮前束对车轮侧滑的影响

图 2.4 模型轮胎及其接地压力分布

可以将轮胎简化成图 2.4 所示的模型,刚性带束 B 由胎体的弹簧 C 支承。此带束虽 在半径方向可以变形,但没有侧向弯曲。在带束的外侧有横弹性常数为 c 的弹性体 T。 其次在轮胎加载的情况下,轮胎接地印迹是宽度为 w,长度为 l 的矩形。接地压力分布 在横方向(Y 方向)时是均匀的, 在圆周方向(X 方向)成二次抛物线分布。 取接地前端为坐 标原点,设 x1 为离原点的距离, x1 处的接地压力为:

pc ? 4 p m

x1 x (1 ? 1 ) l l

(2.3)

式中:pm 为最大接地压力,N; p c 为轮胎接地点离原点 x1 处的接地压力,N。 若在整个接地印迹内对接地压力积分,并使之与垂直载荷相等,则得:

1 2 pm w ? Pz 3
于是:

(2.4)

3 Pz p m ? 2 wl
式中: Pz 为垂直载荷。

(2.5)

具有前束角的车轮在地面滚动时,车轮滚动方向与汽车行驶方向有一夹角 β,此角 度即为车轮前束角。由于车轮滚动方向与汽车行驶方向不一致,致使轮胎接地处产生侧
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向变形,如图 2.5 所示。轮胎胎面橡胶在接地前端 O 点开始和地面接触,OX 为车辆行 驶方向,OBC 表示轮胎侧向变形量。在 X 坐标轴,自 O 至 A 的区域内,轮胎与路面呈 粘着状态,不发生相对滑移,称为附着区。胎面橡胶的侧向剪切变形为 cx1tgβ ,侧向变 形产生侧向应力 f y 为:

f y ? cx1tgβ
在附着区内产生的侧向力 Fy 可以通过对正 fy 在附着区内积分求得:
F y cw =

(2.6)

?

lh

0

x1tgβ dx 1

(2.7)

应力 f x 随着 x1 增大,在到达点 A 之后轮胎侧向应力与地面附着力相等,胎面橡胶 与地面发生相对滑移,我们称此滑移为前束侧滑。从此轮胎接地点进入滑移区。OA 的长 度 l h 由式(2.3)和式(2.6)求得:
4 p mμ s lh l (1 ? h ) ? clh tgβ l l

(2.8)

式中:μ s 为最大摩擦系数。 于是由式(2.8)得:
l h ? l (1 ? cwl 2 tgβ ) 6 μ s Pz

(2.9)

图 2.5 前束轮胎的轮胎变形情况

滑移区内的的滑动摩擦系数μ d 随侧向滑动速度 V ? 变化,可由下式求得:
6

μ d ?μ s ? aV ?

(2.10)

式中: a 为修正系数。 在滑动区内滑动速度平均值可以近似按下式求:
V ? ? Vtgβ

(2.11)

式中:V 为汽车直线行速度,km/h。 于是滑动摩擦系数为:
μ d ? μ s ? a V tβ g

(2.12)

此时轮胎侧向应力 f dy 为:
f dy ? p cμ d

(2.13)

在滑移区内产生的侧向力 Fdy ,可以通过对 f dy 在滑移区内积分求得:

Fdy ? 4 p m w ?

l

lh

x1 x (1 ? 1 ) μ d dx 1 l l

(2.14)

将 Fy ? Fdy 称之为前束侧向力,并用 Fβ 以表示,则有下式成立,即:

Fβ ? Fy ? Fdy ? cw ? x 1tgβ dx1 ? 4p mw ?
0

lh

l

lh

x1 x (1 ? 1 ) μ ddx 1 l l

(2.15)

车轮接地点通过滑移区之点后滑移结束,新的侧偏和滑移又将开始。 可见,只有前束角的车轮在地面上滚动时,也在接地处与地面发生相对滑移,并产 生前束侧向力;不过,前束侧向力与外倾侧向力方向相反,使得前束侧滑与外倾侧滑的 方向也相反。前束角加大,前束侧向力也随之加大,导致前轮侧滑增大。

2.3 车轮具有外倾与前束时侧滑情况分析
通过上述分析我们知道,前束侧向力与外倾侧向力方向相反,前束侧滑与外倾侧滑 的方向相反。当车轮通过可以左右自由滑移的滑板时,外倾角的存在使滑板承受向内的 外倾侧向力,滑板向内侧滑移;前束角的存在使滑板承受向外的前束侧向力,滑板向外 侧滑移;若规定滑板向外滑移侧滑量为“负” ,向内滑移侧滑量为“正” ,当前轮同时具 有外倾角和前束角时,车轮总的侧滑量 H 可由下式确定,即:

H?

S1 ? S 2 L

(2.16)

式中: H 为侧滑量,m/Km; S 1 为外倾角引起的滑板侧滑距离,mm; S 2 为前束角

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引起的滑板侧滑距离,mm;L 为滑板长度,m。 由式(2.16)可以推出,若 H <0,说明前束角相对偏大; H >0,说明外倾角相对偏大;
H =0,说明外倾角与前束角达到理想匹配状态。

需要指出,车轮外倾角与前束角在车辆使用中随车辆使用条件不同而有所不同,所 以,在实际工作中不可能使二者达到上述理想的匹配状态,但是,我们可以通过合理检 测、适当调整使其达到最佳匹配状态,即前轮侧滑量达到最小值。 综上所述,外倾侧向力的大小与外倾角和车轮侧倾刚度成正比;外倾侧向力使车轮 滚动时在接地处产生侧偏,侧偏产生侧向应力;当侧向应力大于地面附着力时,轮胎相 对地面产生向内的侧滑,即外倾侧滑;外倾角加大,外倾侧滑随之增加。前束角的存在 使车轮的滚动方向偏离车辆直线行驶方向, 使轮胎在接地处发生侧偏, 并产生侧向应力; 侧向应力在轮胎接地印迹内的积分即为前束侧向力, 前束侧向力的大小与轮胎所承受的 垂直载荷、前束角、轮胎接地印迹、轮胎横向弹性系数、地面滑动摩擦系数有关。当前 束侧向力大于地面附着力时,车轮产生向外的侧滑,即前束侧滑。当车轮同时具有外倾 角前束角,且大小与车辆技术状况相匹配时,可以使外倾侧向力与前束侧向力最大限度 地相互抵消,前轮侧滑量达到最小值[2][3]。

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汽车侧滑试验台的结构与工作原理
汽车侧滑检测方式有静态检测和动态检测两种。 静态检测是利用车轮外倾角仪和前束尺测量车轮在静止状态下的定位参数, 多用于

汽车维修厂。 动态检测是指汽车在行驶状态下测量转向轮向内或向外的侧滑量, 用于汽车定期检 测,主要确定转向系统技术状态是否正常。 动态检测在侧滑检测台上进行:让汽车行驶过可以在横向自由滑动的滑板上,当车 辆通过检验台时,滑板向内移动,则测量值为负;滑板向外移动,则测量值为正。 《机 动车运行安全技术条件》规定:汽车转向轮横向滑移量,用汽车侧滑试验台检测时应不 大于 5m/km[4]。

3.1 转向轮定位值引起的侧滑
3.1.1 前束引起的侧滑
转向轮有了前束后,在滚动过程中向内收拢,只是由于转向桥不可能缩短,因此, 在实际滚动过程中才不至于真正向内滚拢。 但由此而形成的这种内向力势必成为加剧轮 胎磨损的隐患。 又假设让两个只有前束而没有外倾的转向轮向前驶过,如图 3.1 所示的滑动板,也 可以看到左右转向轮下的滑动板在转向轮内向力的反作用力的推动下,出现图 3.1 中虚 线所示分别向外侧滑移的现象。其单边转向轮的外侧滑量 S t 为:
L' ? L St ? 2

(3.1)

图3.1 由车轮前束引起滑动板的侧滑

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3.1.2 外倾角引起的侧滑
转向轮外倾角的存在,在滚动过程中车轮将力图向外张开,只是由于转向桥不可能 伸长,因此,在实际滚动过程中才不至于真正向外滚开。但由此而形成的这种外张力势 必成为加剧轮胎磨损等的隐患。 假设让两个只有外倾而没有前束的转向轮同时向前驶过两块相对于地面可以左右 滑动的滑动板,就可以看到左右转向轮下的滑动板在转向轮外张力的作用力的推动下, 出现如图 3.2 中虚线所示,将分别向内侧滑移。其单边转向轮的内侧滑量 Sc 为:
S 'c ? L' ? L 2

(3.2)

侧滑试验台就是应用上述滑板原理来检测出转向轮的侧滑量的。

图3.2 由车轮外倾角引起滑板的侧滑

3.2 滑板式侧滑试验台的结构与工作原理
3.2.1 侧滑试验台的结构
汽车侧滑检验设备按其测量参数可以分为两类: 一类是测量车轮侧滑量的滑板式侧 滑试验台,另一类是测量车轮侧向力的滚筒式侧滑试验台。上述两种试验台都属于动态 侧滑试验台。 滑板式侧滑试验台, 按其结构又可分为单板式侧滑试验台和双板式恻滑试验台两种 形式。前者只有一块侧滑板,检验时汽车只有一侧车轮从试验台上通过,后者共有左右 两块侧滑板,检验时汽车左、右车轮同时从侧滑板上通过。它们一般均由测量装置、指 示装置和报警装置等组成,下面主要介绍双板式侧滑试验台。 (1)测量装置 测量装置由框架、左右两块滑动板、杠杆机构、回位装置、滚轮装置、导向装置、 锁止装置、位移传感器及信号传递装置等组成。该装置能把前轮侧滑量测出并传递给指
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示装置?;宓南虏孔坝泄雎肿爸煤偷枷蜃爸?,两滑动板之间连接有曲柄机构、回位 装置和锁止装置。在侧向力作用下,两滑动板只能在左右方向上作等量同向位移,在前 后方向上不能位移。 按滑动板位移量传递给指示装置方式的不同,测量装置可分为机械式和电测式两 种?;凳讲嗷匝樘?,不便于远距离传输,近年来已很少使用。 电测式测量装置是把滑动板的位移量通过位移传感器变成电信号, 再经过放大与处 理而传输给指示装置的一种结构形式,可以借助于导线,将测量结果长距离传输,或与 控制单元接通,处理十分方便。 (2)指示装置 指示装置有指针式和数字式。指针式指示装置如图 4.3 所示,指示装置能把测量装 置传递来的滑动板侧滑量,按汽车每行驶 1km 侧滑 lm 定为一格刻度,所以每一格代表 汽车每行驶 1km 侧滑 lm。根据指针偏向 IN 或 OUT 的方向确定出侧滑方向。IN 表示正 前束,OUT 表示负前束。

图3.3 指针式指示装置 1-指针式表头;2-报警用蜂鸣器或信号灯;3-电源指示灯;4-导线;5-电源开关

近年来国内各厂家生产的侧滑试验台采用数字式指示装置, 多以单片机进行数据采 集和处理,因而具有操作方便、运行可靠、抗干扰性强等优点,同时还能对检测结果进

图3.4 数字式指示装置 1-电源接通键;2-电源断开键;3-数码显示器;4-电源指示灯;5-打印键;6-复位键;7-报警 灯

行分析、判断、存储、打印和数字显示等功能。当滑动板侧滑时通过位移传感器转变成
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电信号,经过放大与信号处理后成为 0~5V 的模拟量,再经 A/D 转变成数字量,输入 微机运算处理,然后显示出检测结果或由打印机打印出检测结果。数字式指示装置如图 3.4 所示。

3.2.2 滑动板仅受到外倾角的作用
这里以右前轮为例,先讨论只存在车轮外倾角(前束为零)的情况。具有外倾角的车 轮,其中心线的延长线必定与地面在一定距离处有一个交点 O,此时的车轮相当于一圆 锥体的一部分如图3.5所示,在车轮向前或向后运动时,其运动形式均类似于滚锥。

图 3.5 具有外倾角的车轮在滑板上滚动的情况

从图 3.5 可以看出,具有外倾的车轮在滑动板上滚动时,车轮具有向外侧滚动的趋 势,由于受到车桥的约束,车轮不可能向外移动,从而通过车轮与滑动板间的附着作用 带动滑动板向内运动, 运动方向如图 3.5 所示。 此时滑动板向内移动的位移量记为 Sa(即 由外倾角所引起的侧滑分量)。按照约定,具有外倾的车轮,由于其类似于滚锥的运动 情况,因而无论其前还是后退时所引起的侧滑分量均为正。反之,内倾车轮引起的侧滑 分量为负。

3.2.3 滑动板仅受到前束作用
这里仅讨论车轮只存在前束角,而外倾角为零时的情况,前束是为了消除具有外倾 角的车轮类似于滚锥运动所带来的不良后果而设计的具有前束的车轮在前进时, 由于车 轮有向内滚动的趋势,但因受到车桥的约束作用,在实际前进驶过侧滑台时,车轮不可 能向内侧滚动,从而会通过车轮与滑动板间的附着作用带动滑动板向外侧运动。此时,
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车轮在滑动板上做纯滚动,滑动板相对于地面有侧向移动,其运动方向如图 3.6 所示, 此时测得的滑动板的横向位移量记为 S t (即由前束所引起的侧滑分量)。遵照约定,前 进时,由车轮前束引起的侧滑分量 S t 小于或等于零。反之,汽车前进时,由车轮前张(负 前束)引起的侧滑分量 S t 大于或等于零。 当具有前束的车轮后退时,若在无任何约束的情况下,车轮必定向外侧滚动,但因 受到车桥的约束作用,虽然其存在着向外滚动的趋势,但不可能向外侧滚动,从而会通 过其与滑动板间的附着作用带动滑动板向内侧移动,其运动方向如图 3.6 所示。

图 3.6 具有前束角的车轮在滑板上滚动的情况

此时测得滑动板向内的位移量记为 S t ,遵照约定,仅具有前束角的车轮在后退时, 通过侧滑台所引起的侧滑分量 S t 大于或等于零。反之,仅具有前张角的车轮在后退时, 通过侧滑台所引起的侧滑分量 S t 小子或等于零。 综上可知,仅具有前束的车轮,在前进时驶过侧滑台时所引起的侧滑分量为负值, 在后退时驶过侧滑台所引起的侧滑分量为正值。反之,仅具有前张的车轮,在前进时驶 过侧滑台时所引起的侧滑分量为正值,在后退时驶过侧滑台所引起的侧滑分量为负值。

3.2.4 滑动板受到外倾角和前束角同时作用
汽车转向轮同时具有外倾角和前束角, 在前进时由外倾所引起的侧滑分量 S a 与由前 束所引起的侧滑分量 S t 的方向相反,因而两者相互抵消。在后退时两者方向相同,两分 量相互叠加。 在外倾角及前束值不大的情况下, 可以认为 S a 和 S t 在前进和后退的过程中, 侧滑分量数值不变。设车轮在前进时通过侧滑台所产生的侧滑量为 A,在后退时的侧滑
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量为 B,则可得到下述结论(在遵循上述对侧滑量的符号约定的条件下):B 大于或等于 零,且 B 大于或等于 A 的绝对值。 另外,如果我们假设前进时的侧滑量就是 S a 和 S t 间的简单叠加(或抵消)关系,则 还可以得出下列结论: (1)若前进时的侧滑量 A 大于一定的正数,后退时的侧滑量 B 大于另一正数,则侧 滑量主要是由外倾所引起的。 (2)前进时的侧滑量 A 小于一定的负数,后退时的侧滑量 B 大于某一正数,则侧滑 量主要由前束所引起。 (3)外倾角引起的侧滑量 S a =(A+B)/2; 前束所引起的侧滑量 S t =(B-A)/2。 遵循上述分析与讨论的方法, 我们可以得到其余三种配合情况下侧滑台板的运动规 律,从车轮外倾、车轮内倾、车轮前束和前张四个因素中判断出是哪个因素主要引起车 轮侧滑的故障。因此,可有效地指导维修人员调整车轮前束及车轮外倾角。侧滑是四个 参数匹配的结果,因而参数都合格时,侧滑合格;但反之,当侧滑合格时,并不一定能 保证参数是合格的。 侧滑量只是综合表征前轮外倾角和前束是否处于最佳组合状况的方 法,而不能判别外倾和前束是否超限,更与主销倾角无关。实践表明,仅靠高速前束达 到侧滑量限值的要求,不一定能确保车辆的稳定行驶。要使车辆安全稳定行驶还需要进 行综合检测,全面达标[5]。

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4 车轮侧滑量的分析
4.1 前轮驱动车型检测结果分析
在汽车综合性能检测工作中由于汽车驱动形式的不同其侧滑量检测合格率差异较 大,一般前轮驱动的侧滑一次合格率明显低于后桥驱动车型,表 4.1 是某市综合性能检 测站 2004 年部分月份实际检测数据。
表 4.1 某市综合监测站监测数据

日期(年、月) 侧滑量一次检测合格率(辆) 前驱 2004.5 2004.6 159 162 前驱 852 812

前轮驱动车辆 一次合格率 42.2 39.6

后轮驱动车辆 一次合格率% 88.9 90.1

从这一结果我们分析认为前轮驱动车型的侧滑量除受主销后倾主销内倾前轮外倾 以及前轮前束四项前轮定位参数影响外还受一些理论上可忽略但实际不能忽略的特殊 因素的影响主要有以下两点。

4.1.1 重心位置的影响
为了使汽车获得足够的附着力以保证足够的驱动力厂家在设计前轮驱动汽车考虑 重量分配时重心前移使前轴为主要承载轴由于前驱动车型的设计特点相对于同等质量 的后驱动车型来说作为主要承载轮的前轮受垂直载荷要大所受侧向力也因此与相同整 车质量的后驱动车型比较前驱动车型侧滑量比较容易超出标准。

4.1.2 前驱动轴传动转向装置磨损间隙的影响
表4.2 驱动形式对前轮侧滑量的影响

车型 H 桑塔纳 桑塔纳 桑塔纳 桑塔纳 夏利 夏利 夏利 BJ2020SAJ -4.0 -4.5 -4.5 -4.5 5.5 5.2 6.0 5.2

前轮总侧滑量 H′ -4.7 -5.0 -6.0 -5.0 6.0 5.9 6.8 4.0 △H 0.7 0.5 1.5 0.5 0.5 0.7 0.8 1.2 H -0.8 -1.0 -1.7 -1.5 8.8 8.5 9.4 9.2

单轮侧滑量 H′ -5.5 -6.2 -7.2 -3.7 11.0 10.5 11.0 4.8 △H 4.7 5.2 5.5 5.2 2.2 2.0 1.6 4.4

后驱动车型前轮是被动轮,前进的动力是由车身通过悬架机构传递的,轮毂轴承的
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轴向间隙和主销连接中的径向间隙,只要注意检查调整,对于侧滑影响不大。前驱动车 型前轮为主动轮,驱动力传递是直接通过前轴的传力机构完成的,传力转向装置中各传 动副、支承轴承、止推垫片都会由于驱动力变化产生磨损,而出现轴向和径向间隙,可 是驱动力必须消除这些间隙后才能传递到轮毂上, 因此在传力的同时就使传动轴产生径 向跳动和轴向串动。结果必然在车轮上产生轴向力,从而造成车辆侧滑。 表 4.2 是车辆在前轮驱动和前轮不驱动情况下侧滑检测试验结果,由此可见前轮驱 动和不驱动对侧滑结果有较大影响。

4.2 独立悬架车型检测结果分析
在实际检测过程中,独立悬架车型的前轮侧滑一次性检验合格率比非独立悬架车型 低很多, 根据某市 A 级检测站提供的检测数据整体前桥汽车前轮侧滑量一次检测合格率 在 85%左右,而独立悬架汽车只有 55%左右。其中不合格车辆中,一部分是因为维修调 整不当使前轮定位参数误差较大出现侧滑超标,另一部分车辆定位参数基本正确,但侧 滑量也不合格,而使用中却方向稳定,胎面磨损正常,经调整后侧滑量合格,而使用中 方向发飘,短时间使用即出现胎面异常磨损等不正常情况[6]。

4.2.1 前束调整不当
有部分侧滑不合格的汽车前轮倾角等参数均在要求范围内,但前束值有较大差别。 按照要求,独立悬架的汽车前束调整(以丰田轿车、面包车为例)的正确步骤是: (1) 在平整地面将前轮定好位置, (2)慢慢将汽车推动数米, (3)在左右轮胎上做测量标记 并进行测量, (4)再慢慢使汽车前进,直到测量标记转到轮胎前面适当高度进行测量, 根据两次测量结果算出前束值。 值得注意的是如果汽车向前移动太远,必须重新进行。实际上有些维修人员调整前 束时按照传统的非独立悬架的方法调整,即将前桥顶起旋转车轮进行调整,或者不顶前 桥推车测量即随便向前向后移动汽车来对标记,此两种做法都无法取得正确的前束值, 这样调整后的结果就是侧滑就不会合格,同时由于独立悬架的车型比较多,不同车型前 束标准相差太大,像轿车许多是取零甚至负前束,而微型车辆的前束有些达 14mm,因 为修理人员不了解而误调前束是侧滑超标的一个重要原因。

4.2.2 前轮外倾不正确
外倾过大则轮胎外侧胎肩过度磨损,外倾过小则轮胎内侧胎肩过度磨损,不相等的 外倾将使前轴单边拖拉,既造成轮胎的偏磨又使汽车在高速行驶时造成前轮摇摆,同时 也是侧滑量超标的一个不可忽视的原因。 而造成前轮外倾不合乎规定的原因有前桥导臂 轴承铜套磨损,上导臂连接处调整不当,转向节支臂弯曲下导臂与转向支臂连接处轴承 松动及前桥半轴变形,轮辋边缘变形,轮胎尺寸不一等,一般左右轮外倾值相差不能大 于正负 30′。
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4.2.3 主销后倾及内倾不符合规定
主销后倾及内倾都有使车轮自动回正的作用,对侧滑量的影响也很大,不容忽视, 独立悬架汽车的上下导臂连接处调整不当和轴承磨损间隙过大等都可能造成主销内倾 特别是后倾的失常现象。个别车维修时装错了楔形垫,也会造成倾角不符合规定。

4.2.4 车轮外(内)倾角与前束匹配
前束的作用是消除由于前轮外倾而引起的横向摆动,减少轮胎磨损,也减少检测时 的侧滑。一定的前轮外倾角要与一定的前束对应才能消除侧滑,从独立悬架前桥的结构 看,车轮与车架之间的连接零件教多,铰接点也多,且受一定的重力、冲击力,所以较 易磨损变形而使前轮定位参数有较大的改变,同时,外倾角也发生变化,如果不根据实 际前轮外倾角来适当调整前束值容易引起侧滑超标[6]。

4.3 后轮侧滑量检测分析
除一部分汽车的后轮有前束和外倾(如上海桑塔纳汽车)外,相当一部分汽车的后 轮是没有定位的。对于后者,可用侧滑试验台按下列方法检测后轴是否弯曲变形和轮毂 轴承是否松动。 (1)使汽车后轮从侧滑试验台滑动板上前进和后退驶过,如两次侧滑量读数均为 零,表明后轴无任何弯曲变形。 (2)如两次侧滑量读数不为零,且前进和后退驶过侧滑板后,侧滑量读数相等而 侧滑方向相反,表明后轴在水平平面内发生弯曲。 a.若前进时滑动板向外滑动,后退时又向内滑动,说明后轴端部在水平平面内向前 弯曲; b.若前进时滑动板向内滑动, 后退时又向外滑动, 说明后轴端部在水平平面内向后 弯曲。 (3)如两次侧滑量读数不为零,且前进和后退驶过侧滑板后,侧滑量读数相等而 侧滑方向相同,表明后轴在垂直平面内发生弯曲。 c.若滑动板向外滑动,说明后轴端部在垂直平面内向上弯曲; d.若滑动板向内滑动,说明后轴端部在垂直平面内向下弯曲。 (4)后轮多次驶过侧滑试验台滑动板,每次读数不相等,说明轮毂轴承松动。 对于后轮有定位的汽车,仍可按上述方法检测后轴是否变形和轮毂轴承是否松动, 只是在检测结果中减去定位值,剩余值即为后轴弯曲变形造成的。

4.4 车轮侧滑检测存在的问题及对策
4.4.1 存在问题
1)检测设备的不统一性。目前常使用的侧滑台有单板式和双板联动式两种。在相
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同测试条件下,同一辆车在单板式侧滑台上的检测结果往往大于双板式的检测结果。 2)检测设备功能少、误差大。多数检测设备仅具有指示车轮侧滑量大小的功能, 而不能对车轮的定位状态给予定性的描述。另外,仪器的制造精度低、抗干扰性差等也 会造成测量误差。 3)检测结果离散性大。侧滑检测中常出现同一辆车在同一侧滑台上检测时数据离 散性非常大的情况。这是因为车轮侧滑量检测受多种因素影响,尤其是测试条件 (车速 高低、是否匀速等)的不一致导致了检测数据的离散性。 4)某些进口车(尤其高档车)合格率低。每种车的结构尺寸和车轮定位参数是根据它 们通常行驶条件(高速)确定的,而检测条件是按统一的标准(3~5 km/h 的低速下测试) 规定,所以一些进口车(甚至新车)用侧滑台检测时会出现侧滑量不合格、而汽车本身并 没有任何故障现象的情况[8]。 5)侧滑量合格而汽车仍存在故障现象。尽管检测时侧滑量在国家标准范围内,但汽 车仍存在跑偏、磨胎等故障现象。上述现象多数情况是因为汽车还存在轮胎不平衡等其 它故障。 6)汽车车轮定位合格而侧滑不合格。用四轮定位仪对汽车车轮的定位状况进行检测 时,定位参数均在合格范围内,但用目前的侧滑台对车轮侧滑量检测时却不在标准范围 内口。这是因为:侧滑台是动态的、定性的判断,而四轮定位仪是静态、定量诊断。用 四轮定位仪检测时,虽然每一项车轮定位参数均在生产厂家推荐的范围内,但汽车经过 长期使用,已经破坏了各定位参数之间的最佳匹配关系,表现出的侧滑量就不合格。

4.4.2 对策
1.稳定检测条件 由上述分析可知,检测时行车状态稳定性是保证检测准确性和有效性的重要条件。 检测车轮侧滑量时不仅要严格按国家有关标准执行,同时必须按下列要求进行。对同一 辆车进行重复检测时,每次检测的车速必须保持相对的稳定,车速应控制在 3~5km/h. 汽车通过侧滑台时应避免加速或减速行驶,以保证汽车行驶状态的稳定性。必须保证汽 车直线驶过侧滑台,避免打转向盘。 汽车本身条件必须符合 GB7258—2012 规定要求, 如轮胎气压正常、干燥等。 2.合理制定检测标准 目前国家规定的用统一检测条件、 同一检测标准对各种类型车辆进行检测和判定具 有一定的局限性,修改标准中的有关条款和执行方法是完全必要的。对检测标准的合理 制定提出如下建议。不同类型的车辆采用各自相应的标准。用侧滑量和其他检测参数综 合评价汽车技术状况。 3.完善检测项目 目前国内的车轮侧滑检测主要都是检测前轮的定位及侧滑量,对于具有独立悬架
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的后轮侧滑检测检测几乎处于无视状态。但是,现在具有独立悬架的汽车越来越多,后 轮的定位参数异常导致的侧滑已经不能忽视, 必须将有独立悬架的后轮侧滑检测列入车 轮侧滑检测项目之中。 提高侧滑台检测水平 1)结构上,通过安装侧向力传感器及控制机构,实现既可单轮侧滑量和侧向力的 检测又可双轮检测。 2)方法上,综合分析车轮前进和倒退情况下侧滑量的大小和方向,定性判断造成 车轮侧滑的主要原因,即判断出侧滑量是由外倾引起还是前束引起,为快速维修提供服 务。 3)设备上,提高机械加工精度,使用高精度的传感器,提高电路抗干扰性能。

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本文主要内容是针对车轮侧滑的检测与诊断的基本概念、原理、分析方法等进行介 绍。 分析了影响车轮侧滑的主要因素、 介绍了汽车侧滑试验台的测量原理和存在的问题、 分析了车轮侧滑量,以及对车轮侧滑检测存在的一些问题进行了简单介绍。 车轮侧滑检测与诊断现阶段主要测量方式还是依靠侧滑试验台进行, 静态测量方式 简单方便,但是精确度不够。动态测量以侧滑试验台为基础,测量结果准确度高,但是 操作比较复杂,需要专门的试验台进行。影响车轮侧滑的主要原因是车轮定位参数的异 常,特别是前轮外倾角与前束的不匹配引起的。两参数本身异常也会引起车轮侧滑。因 此在对所测得的侧滑量进行分析时,往往首先考虑的就是外倾与前束问题,当然并不是 不考虑其他因素。转向轮侧滑是车轮侧滑主要形式,以前轮转向为例,后轮侧滑也是存 在的,有后轮定位的汽车,测量方式和前轮侧滑测量方式一致,没有后轮定位的车辆, 后轮出现侧滑的主要原因是后轴发生了形变,这与前轮侧滑有所不同。现阶段车轮侧滑 的检测诊断仍然存在一些问题,比如检测不规范、各车系检测数据不统一、检测设备不 统一等。 本文的创新点在于系统全面的讲解了车轮侧滑检测与诊断的各项理论,由浅入深。 对影响车轮侧滑的因素上给予了详细解说以及公式论证, 在车轮侧滑量分析上给予了特 例说明。当然,也有不足之处。在对于后轮侧滑的讲解上本文没有做到尽善尽美,全文 的条理不是很完善。因参考的文献很多内容大同小异导致论文内容略显单薄。 对于车轮侧滑的监测与诊断,现阶段接测设备的智能性不足,大多数的检测系统自 学能力不强,很多依赖于人工数据,没有变通能力。而侧滑试验台的应用成本较高,在 很多汽车修理厂中没有装备, 导致大多数汽车修理厂在对于车轮侧滑的检测上依赖于静 态检测,测量数值不准确、误差较大,对于汽车的性能调整有影响。未来汽车车轮侧滑 的检测与诊断应主要依靠仪器测量, 提高侧滑试验台等仪器的精确性以及降低成本都是 非常重要的。

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本论文是在我尊敬的武汉科技大学赵英勋教授的悉心指导下完成的。 赵老师严谨的 治学风范、忘我的工作热情、一丝不苟的工作态度、以身作则的工作方式以及独特的人 格魅力一直深深地感染和激励着我。无论是在学习,还是生活中,赵老师都是我学习的 榜样和楷模,他给了我许多人生最有益的启迪,使我受益匪浅,终生难忘。在此向赵老 师致以深深的敬意和衷心的感谢!

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