CN103253272B - 一种汽车极限工况下轮胎侧偏角测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车极限工况下轮胎侧偏角测试方法，其特征是：设置包括拉线位移传感器、GPS基站、GPS移动站的测量系统；拉线位移传感器用于测量车轮平面pp与汽车车身纵轴线之间的夹角α₃；GPS基准站用于实时发送载波相位差分RTK改正数，GPS移动站通过接收的载波相位差分RTK改正数，计算汽车左前轮中心点的速度方向与汽车车身纵轴线之间的夹角α₁，α₃与α₁之差即为轮胎侧偏角。本发明采用拉线位移传感器和GPS设备组成测量系统，可以精确测量极限工况下的汽车轮胎侧偏角，操作简便、成本低廉。

Description

一种汽车极限工况下轮胎侧偏角测试方法

技术领域

本发明属于汽车控制和检测领域，更具体的说是涉及一种汽车极限工况下轮胎侧偏角测试方法

背景技术

汽车在行驶过程中，由于路面侧向倾斜、侧向风或曲线行驶时汽车受到离心力等作用，车轮中心受到悬架对其作用的侧向力F_y，相应的在地面上产生地面侧向反作用力F_Y，即侧偏力。在侧偏力作用时，车轮行驶的速度方向偏离车轮旋转平面，车轮接触印迹中心线不再与车轮平面平行，两者之间的夹角称为轮胎侧偏角，其中，侧偏力与轮胎侧偏角之间的关系称为轮胎的侧偏特性。

橡胶轮胎的侧偏特性直接影响整车转向特性和操纵稳定性，是汽车动力学稳定性控制的基础。左右侧车轮决定了车轴的侧偏特性，前后轴侧偏特性组合决定了整车的转向特性，包括过多转向、不足转向和中性转向。良好操纵稳定性的汽车应具有适度的不足转向特性，但汽车瞬态转向特性与行驶工况有关，如侧向加减速、纵向加减速、车厢侧倾等，这些因素造成当汽车制动、加速和转向时，整车质量向前轮、后轮和外侧车轮转移，从而，进一步恶化了轮胎的侧偏特性。广义上说，决定整车转向特性的车轮侧偏角，除了上述侧偏角之外，还包括悬架变形转向和车厢侧倾转向。所以准确获取实车行驶工况下的轮胎侧偏角是比较困难的，特别是在大方向盘转角时加速、制动的极限工况下，悬架非线性程度增加，测量条件进一步恶化。

在高附着路面，轮胎侧偏特性在轮胎侧偏角较小时（小于8°），侧偏力和轮胎侧偏角之间近似线性关系，在轮胎侧偏角大于10°时，非线性关系明显。在低附着路面，对应的轮胎侧偏角更小，这种结论仅限于汽车垂直载荷和轮胎姿态恒定的情况，而在实际行驶中，汽车垂直载荷和轮胎姿态恒定是不能满足的。现有技术中，对轮胎侧偏角的获取有基于动力学模型的观测和基于实际传感器的测量两种方法。

基于动力学模型的观测方法在实际动力学稳定性控制中广泛采用。汽车轮胎侧偏角的估算属于汽车状态估计，常用的有卡尔曼滤波、滑模观测器、自适应观测器等。美国斯坦福大学基于轮胎回正力矩设计非线性观测器来估计轮胎侧偏角。轮胎侧偏刚度的估计方法主要有最小二乘直接方法、加速度变化率方法等。这些方法主要根据整车运动参数推测计算车轮姿态，由轮胎侧偏刚度和小侧偏角之间的关系导出轮胎侧偏角。这些方法在汽车大方向盘转角时的加速和制动工况时，数据收敛速度和精度受到影响，因此不再适用。

基于实际传感器的测量方法，目前主要是基于装在车轮上的双向光学速度传感器，最典型的是Datron-kistler公司的SFII。其成本昂贵，测量信息单一。其他基于GPS的测量方法，一般只能直接获取到车身侧偏信息，在极限工况下对轮胎侧偏角的导出误差明显。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种测试精度高、操作简便、能够获取较多的汽车运动参数且成本相对较低的汽车轮胎侧偏角测试方法。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明汽车极限工况下轮胎侧偏角测试方法，其特点是：设置包括拉线位移传感器、GPS基站、GPS移动站的测量系统；

所述拉线位移传感器的传感器金属头安装在汽车前轴上距离汽车左前轮中心C点为e的位置处，所述拉线位移传感器的接线端安装在汽车左转向节臂上距离汽车左前轮中心C点为d的位置处，由所述拉线位移传感器实时测量所述传感器金属头与所述接线端之间的距离f；

所述GPS基准站与汽车的有效距离为30公里，所述GPS基准站实时发送载波相位差分RTK改正数；

所述GPS移动站包括主天线和副天线；所述主天线安装在汽车质心所在的垂直于路面的直线与车顶的交点A处，所述副天线安装与主天线之间距离为a的车顶尾部B处，所述A与B的连线平行于汽车车身纵轴线；所述GPS移动站实时接收所述载波相位差分RTK改正数，并通过所述载波相位差分RTK改正数实时计算所述主天线沿水平面的移动速度u_A、所述副天线沿水平面的移动速度u_B、以及u_A方向与正北方向的夹角u_B方向与正北方向的夹角；

汽车行驶过程中轮胎侧偏角α由式（1）计算获得： 

α=α₃-α₁      （1）

式(1)中α₃为车轮平面pp与汽车车身纵轴线之间的夹角，α₁为汽车左前轮中心C点的速度方向与汽车车身纵轴线之间的夹角；

所述α₃由式（2）计算获得： 

所述α₁的计算方法如下：

a、由式（3）计算质心侧偏角β：

式(3)中v为汽车车身纵轴线与正北方向的夹角；

b、由式（4）计算汽车横摆角速度ω_r：

${\mathrm{\ω}}_r=\frac{180(v_2-v_1)}{\mathrm{\πa}}---\left(4\right)$

式(4)中v₁为u_A沿垂直于汽车车身纵轴线方向的分速度，v₂为u_B沿垂直于汽车车身纵轴线方向的分速度；

c、由式（5）计算汽车左前轮中心C点的速度方向与A、C两点连线的夹角γ₁：

${\mathrm{\γ}}_1=\arctan \left(\frac{v_C^{\′\′}}{v_C^{\′}}\right)---\left(5\right)$

式（5）中v″_C由式（6）计算获得： 

$v_C^{\′\′}=u_A\·\sin (\mathrm{\γ}-\mathrm{\β})+\frac{{\mathrm{\ω}}_r\·\mathrm{\πb}}{180}---\left(6\right)$

式（6）中b为A、C两点间距离；γ为汽车车身纵轴线与A、C两点连线之间的夹角；

式（5）中v′_C由式（7）计算获得： 

v′_C=u_Acos(γ-β)   （7）

d、由式（8）计算α₁：

α₁=γ-γ₁   （8）

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明采用拉线位移传感器和GPS设备组成测量系统，可以获得更多的汽车行驶参数，使得测量结果更为准确；

2、本发明采用GPS设备和拉线位移传感器组合使用的方法，操作简便、成本低。

附图说明

图1a为本发明中汽车轮胎受力示意图；

图1b为汽车轮胎侧偏角定义示意图；

图2为本发明中汽车轮胎侧偏角测量示意图；

图3为本发明中车轮平面与汽车车身纵轴线之间夹角α₃测量示意图；

图4为本发明中汽车质心侧偏角β测量示意图；

图5为本发明中汽车横摆角速度ω_r计算示意图；

图6为本发明中汽车左前轮中心点的速度方向与汽车车身纵轴线之间夹角α₁计算示意图；

图中标号：1拉线位移传感器；2汽车左转向节臂；3汽车前轴；4汽车后轴；5主天线；6副天线；7汽车左前轮中心点C；8GPS基站；9汽车车身纵轴线；10车轮平面pp。

具体实施方式

如图1a，汽车在行驶过程中，由于路面侧向倾斜、侧向风或曲线行驶时汽车受到离心力等作用，车轮中心受到悬架对其作用的侧向力F_y，相应的在地面上产生地面侧向反作用力F_Y，即侧偏力。图1b所示的是车轮平面pp与车轮中心的速度方向之间的夹角为汽车的轮胎侧偏角。

如图2所示，本实施例中一种汽车极限工况下轮胎侧偏角测试方法，其特点是：设置包括拉线位移传感器1、GPS基站8、GPS移动站的测量系统；

如图3所示，为了测量方便，拉线位移传感器1的传感器金属头安装在汽车前轴3上距离汽车左前轮中心C点7为e的位置处，汽车前轴3平行于汽车后轴4，拉线位移传感器1的接线端安装在汽车左转向节臂2上距离汽车左前轮中心C点7为d的位置处，拉线位移传感器1实时测量传感器金属头与接线端之间的距离f；

如图2所示，x_Go_Gy_G为东北天水平直角坐标系,y_G轴指向正北方向，x_G轴指向正东方向。GPS基准站8与汽车的有效距离为30公里，GPS基准站8实时发送载波相位差分RTK改正数；载波相位差分RTK改正数在GPS基准站8中自动计算完成并发射出来。

GPS移动站包括主天线5和副天线6，GPS主天线5安装在汽车质心所在的垂直于路面的直线与车顶的交点A处，副天线6安装与主天线5之间距离为a的车顶尾部B处，A与B的连线平行于汽车车身纵轴线9；GPS移动站实时接收GPS基准站8实时发送的载波相位差分RTK改正数，并通过载波相位差分RTK改正数实时计算主天线5沿水平面的移动速度u_A、副天线6沿水平面的移动速度u_B、以及u_A方向平与正北方向的夹角u_B方向与正北方向的夹角

汽车行驶过程中轮胎侧偏角α为汽车左前轮中心C点7的速度方向与车轮平面pp10之间的夹角，轮胎侧偏角α由公式（1）计算获得：

α=α₃-α₁    （1）

式中α₃为车轮平面pp10与汽车车身纵轴线9之间的夹角，式中α₁为汽车左前轮中心C点7的速度方向与汽车车身纵轴线9之间的夹角；

式（1）中α₃由公式（2）计算获得： 

式（1）中α₁由汽车的质心侧偏角和汽车的横摆角速度推算获得，计算方法如下：

a、如图4所示，由式（3）计算质心侧偏角β：

式中v为汽车车身纵轴线9与正北方向的夹角；

b、如图5所示，由式（4）计算汽车横摆角速度ω_r：

${\mathrm{\ω}}_r=\frac{180(v_2-v_1)}{\mathrm{\πa}}---\left(4\right)$

式中v₁为u_A沿垂直于汽车车身纵轴线9方向的分速度，v₂为u_B沿垂直于汽车车身纵轴线9方向的分速度；

c、如图6所示，由式（5）计算汽车左前轮中心点7的速度方向与A、C两点连线的夹角γ₁： ${\mathrm{\γ}}_1=\arctan \left(\frac{v_C^{\′\′}}{v_C^{\′}}\right)---\left(5\right)$

根据刚体运动学理论，平面图形绕基点转动的角速度和角加速度与基点的选择无关。所以，C点同A点具有相同的角速度，其中，v″_C是C点的速度在AC垂直方向上的投影。

式（5）中v″_C由式（6）计算获得： 

$v_C^{\′\′}=u_A\·\sin (\mathrm{\γ}-\mathrm{\β})+\frac{{\mathrm{\ω}}_r\·\mathrm{\πb}}{180}---\left(6\right)$

式（6）中b为A、C两点间距离；γ为汽车车身纵轴线（9）与与A、C两点连线之间的 夹角；

汽车在行驶的过程中，由于悬架的刚度很大，因此，汽车可以看成一个做平面运动的刚体，根据刚体运动学理论，GPS移动站主天线5处的A点和汽车左前轮中心C点7是刚体上的两点，它们之间的距离保持不变为b，所以两点的速度在AC方向上的投影值是相同的，其中v′_C是C点的速度在AC方向上的投影。

式（5）中v′_C由式（7）计算获得： 

v′_C=u_Acos(γ-β)    （7）

d、由式（8）计算α₁：

α₁=γ-γ₁   （8）

实际道路试验现场进行GPS天线安装时,AB不一定平行于汽车车身纵轴线，需要对初始安装误差角进行补偿。试验前需要以尽量高的车速(大于25km/h)直线行驶一短时间,取此段时间的数据解算得到AB初始安装误差角。

本实施例采用拉线位移传感器和GPS设备组成测量系统，可以获得更多的汽车行驶参数，使得测量结果更为准确，且操作简便、成本低。

Claims (1)

1.一种汽车极限工况下轮胎侧偏角测试方法，其特征是：设置包括拉线位移传感器(1)、GPS基站(8)、GPS移动站的测量系统；

所述拉线位移传感器(1)的传感器金属头安装在汽车前轴(3)上距离汽车左前轮中心C点(7)为e的位置处，所述拉线位移传感器(1)的接线端安装在汽车左转向节臂(2)上距离汽车左前轮中心C点(7)为d的位置处，由所述拉线位移传感器(1)实时测量所述传感器金属头与所述接线端之间的距离f；

所述GPS基准站(8)与汽车的有效距离为30公里，所述GPS基准站(8)实时发送载波相位差分RTK改正数；

所述GPS移动站包括主天线(5)和副天线(6)；所述主天线(5)安装在汽车质心所在的垂直于路面的直线与车顶的交点A处，所述副天线(6)安装在与主天线(5)之间距离为a的车顶尾部B处，所述A与B的连线平行于汽车车身纵轴线(9)；所述GPS移动站实时接收所述载波相位差分RTK改正数，并通过所述载波相位差分RTK改正数实时计算所述主天线(5)沿水平面的移动速度u_A、所述副天线(6)沿水平面的移动速度u_B、以及u_A方向与正北方向的夹角u_B方向与正北方向的夹角

汽车行驶过程中轮胎侧偏角α由式(1)计算获得：

α＝α₃-α₁          (1)

式(1)中α₃为车轮平面pp(10)与汽车车身纵轴线(9)之间的夹角，α₁为汽车左前轮中心C点(7)的速度方向与汽车车身纵轴线(9)之间的夹角；

所述α₃由式(2)计算获得：

所述α₁的计算方法如下：

a、由式(3)计算质心侧偏角β：

式(3)中ν为汽车车身纵轴线(9)与正北方向的夹角；

b、由式(4)计算汽车横摆角速度ω_r：

式(4)中v₁为u_A沿垂直于汽车车身纵轴线(9)方向的分速度，v₂为u_B沿垂直于汽车车身纵轴线(9)方向的分速度；

c、由式(5)计算汽车左前轮中心C点(7)的速度方向与A、C两点连线的夹角γ₁：

式(5)中v″_C由式(6)计算获得：

式(6)中b为A、C两点间距离；γ为汽车车身纵轴线(9)与A、C两点连线之间的夹角；

式(5)中v′_C由式(7)计算获得：

v′_C＝u_Acos(γ-β)        (7) 

d、由式(8)计算α₁：

α₁＝γ-γ₁          (8)。