一种汽车车轮外倾侧向力模拟装置及使用方法

摘要

本发明提供一种汽车车轮外倾侧向力模拟装置，其特征在于：包括平台，丁字尺，定位块和模拟车轮，连接定位块和模拟车轮的平行四边形杆架以及用于固定定位块的四个挡块，定位块和模拟车轮中间有孔并分别装在平行四边形杆架的前轮轴和后轮轴上，模拟车轮能够绕着后轮轴自由转动，并且有挡圈来限制模拟车轮相对于后轮轴的轴向运动，平台上有前后方向的竖线。运动前，把定位块固定在丁字尺上，模拟车轮放置在平台上，把丁字尺靠着平台的直边，通过挡块、定位块和平行四边形杆架带动模拟车轮向前运动，模拟车轮在前进运动时，侧向运动情况通过和竖线对比明显表现出来，说明外倾侧向力情况。本发明具有结构简单，使用方便，效果明显的优点。

说明书

技术领域

本发明提供一种汽车车轮外倾侧向力模拟装置及使用方法，尤其涉及车辆工程专业汽车理论、汽车构造等课程实验教学技术和科学技术研究中关于汽车轮胎外倾特性的实验技术领域。

背景技术

汽车车轮，尤其是转向轮，一般存在不同程度的定位参数，车轮外倾角是其中参数之一。目前高等学校车辆工程专业教学过程中，汽车车轮外倾角是汽车理论、汽车构造等专业课程教学的必修内容。车轮有外倾角后产生外倾侧向力是被实践证明的现象，但是关于外倾侧向力的产生却存在不同的解释。由清华大学余志生主编，机械工业出版社2009年出版的《汽车理论》第5版一书(以下简称为引文1)中这么解释：见图1，当汽车直线行驶时，车轮1有外倾角                                                ,具有绕其旋转轴线2与地面3的交点滚动的趋势，若不受约束，将偏离正前方而向外滚动；实际上，由于前轴的约束车轮只能够向前行驶。因此，车轮中心必须作用有一侧向力，把车轮拉回至向前滚动方向。与此同时，车轮接地面中产生一与方向相反的作用力，这就是外倾侧向力。这种观点认为车轮外倾是产生外倾侧向力的充分条件，所查阅的多数的资料都持这种观点。由(日)安部正人著、陈辛波译，机械工业出版社1998年出版的《汽车的运动和操纵》一书中，介绍了Fiala的观点，认为外倾侧向力是由于外倾运动的车轮受到压缩和地面约束产生侧向的变形引起的，车轮外倾是产生外倾侧向力的必要条件，不是充分条件。对外倾侧向力产生机理的认识还会影响到汽车设计过程中车轮前束角的取值大小。在实际教学过程中，也有人提出对引文1观点的质疑。理论分析是研究这个问题的方法之一，但是关于轮胎的模型一般都比较复杂，不利于学生快速接受；而且为了能够进行理论分析，都具有一些简化的、假设的条件，这些条件会影响到理论分析的结果；实验是研究这个问题的重要方法，但是采用实际车辆进行实验，由于目前汽车都是采用弹性的轮胎，因此车轮外倾角和车轮的弹性变形是同时存在的，无法区分两者的二者的影响，所以设计一种实物装置进行模拟实验是一种有效的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种简易易用、能够检验引文1中关于车轮外倾与外倾侧向力关系的汽车车轮外倾侧向力模拟装置及使用方法。其技术方案为：

一种汽车车轮外倾侧向力模拟装置，其特征在于：包括平台，丁字尺，定位块和模拟车轮，连接定位块和模拟车轮的平行四边形杆架以及用于固定定位块的四个挡块，定位块和模拟车轮中间有孔并分别装在平行四边形杆架的前轮轴和后轮轴上，模拟车轮能够绕着后轮轴自由转动；在后轮轴的模拟车轮两侧各装有一个挡圈，用来限制模拟车轮相对于后轮轴的轴向运动。

所述的汽车车轮外倾侧向力模拟装置，平行四边形杆架由前轮轴、后轮轴和两个连杆通过四个销铰接，连杆与前轮轴之间的夹角能够自由变化。

所述的汽车车轮外倾侧向力模拟装置，平台最少有一条直边，平台上画有与直边平行的竖线。

所述的汽车车轮外倾侧向力模拟装置，丁字尺的竖板的板内边是直的，丁字尺的横板上画有与板内边垂直的横线。

所述的汽车车轮外倾侧向力模拟装置，模拟车轮采用钢铁材料制成。

所述的汽车车轮外倾侧向力模拟装置，模拟车轮的形状是圆锥台；定位块的形状是在模拟车轮形状的基础上，在圆锥面上削去厚度h，形成平面，厚度h＝横板的厚度。

一种汽车车轮外倾侧向力模拟装置的使用方法，其步骤为：

1）平台水平放置，把丁字尺的板内边靠着平台的直边放置在平台上；

2） 把定位块放置在横板上，平面与横板接触，把模拟车轮放置在平台上，前轮轴的轴线与横线在同一平面内，连杆的轴线与竖线在同一平面内，使得平行四边形杆架成为矩形杆架；然后用四个挡块挡在定位块与横板接触的前、后、左、右四个位置，使定位块在丁字尺上位置固定；

3）保持平台的直边和丁字尺的板内边靠在一起，用手推动丁字尺在平台上移动，丁字尺通过挡块、定位块、平行四边形杆架带动平台上的模拟车轮往前运动；平台上的模拟车轮受到连杆的作用力是沿连杆的轴线方向，如果还受到外倾侧向力的作用，在前进时会使平行四边形杆架发生变形，该变形通过连杆和竖线的对比就能够表现出。

 其工作原理为：如果认为车轮外倾是产生外倾侧向力的充分条件，则刚性车轮外倾时也会产生外倾侧向力，刚性车轮的外倾效果和圆锥台的运动原理是一样的，采用钢铁制成的模拟车轮，受载荷很小，相对于具有弹性轮胎的汽车车轮来讲，变形可以忽略不计，可以近似认为是刚体，其前进运动时应该也产生外倾侧向力，因此应该有侧向运动或者侧向运动的趋势；模拟车轮受到的外倾侧向力通过挡圈传递到后轮轴，铰接的平行四边形杆架在外倾侧向力的作用下就发生侧向变形，该变形通过和前后方向的竖线进行对比，就能够直观的显示出来。采用丁字尺和平行四边形杆架作为驱动模拟车轮的装置，主要就是实现上述两个目的：一是提供模拟车轮前进的动力，二是不约束模拟车轮的侧向（左右方向）移动。为了使得模拟车轮运动方向不受重力的影响，平台要水平放置。由于定位块放在丁字尺上，所以定位块和丁字尺接触的部分要削去字尺板厚度的材料，这样能够保证平行四边形杆架的两个轮轴互相平行。推动丁字尺前进时，丁字尺是通过和定位块接触的静摩擦力来传递力，采用四个挡块对定位块进行进一步的限位，保证运动过程中定位块相对于丁字尺位置不变。横板的横线主要是辅助定位块初始位置定位。

本发明具有结构简单，使用方便，效果明显的优点。

附图说明

图1是引文1中关于车轮外倾角和外倾侧向力的关系图；

图2是模拟装置的总体结构示意图；

图3是定位块的轴向视图；

图4是对应图3的左侧视图。

图中： 1、车轮  2、旋转轴线    3、地面    4、挡块  5、定位块  6、前轮轴  7、销  8、横线  9、连杆  10、模拟车轮  11、直边  12、板内边  13、横板  14、竖板  15、丁字尺  16、竖线  17、平台  18、圆锥面  19、平面     20、后轮轴  21、挡圈。

具体实施方式

在图2所示的实施例中：包括平台17，丁字尺15，平台17和丁字尺15可以采用手工机械制图时的图板和丁字尺，定位块5和模拟车轮10，连接定位块5和模拟车轮10的平行四边形杆架以及用于固定定位块5的四个挡块4，定位块5和模拟车轮10中间有孔并分别装在平行四边形杆架的前轮轴6和后轮轴20上，模拟车轮10能够绕着后轮轴20自由转动；在后轮轴20的模拟车轮10两侧各装有一个挡圈21，用来限制模拟车轮10相对于后轮轴20的轴向运动。平行四边形杆架由前轮轴6、后轮轴20和两个连杆9通过四个销7铰接，连杆9与前轮轴6之间的夹角能够自由变化。平台17最少有一条直边11，平台17上画有与直边11平行的竖线16。丁字尺15的竖板14的板内边12是直的，丁字尺15的横板13上画有与板内边12垂直的横线8。模拟车轮10采用钢铁材料制成。模拟车轮10的形状是圆锥台；定位块5的形状是在模拟车轮10形状的基础上，在圆锥面18上削去厚度h，形成平面19，厚度h＝横板13的厚度。

使用方法步骤为：

1）平台17水平放置，把丁字尺15的板内边12靠着平台17的直边11放置在平台17上；

2）把定位块5放置在横板13上，平面19与横板13接触，把模拟车轮10放置在平台17上，前轮轴6的轴线与横线8在同一平面内，连杆9的轴线与竖线16在同一平面内，使得平行四边形杆架成为矩形杆架；然后用四个挡块4挡在定位块5与横板13接触的前、后、左、右四个位置，使定位块5在丁字尺15上位置固定；

3）保持平台17的直边11和丁字尺15的板内边12靠在一起，用手推动丁字尺15在平台17上移动，丁字尺15通过挡块4、定位块5、平行四边形杆架带动平台17上的模拟车轮10往前运动；平台上的模拟车轮10受到连杆9的作用力是沿连杆9的轴线方向，如果还受到外倾侧向力的作用，在前进时会使平行四边形杆架发生变形，该变形通过连杆9和竖线16的对比就能够表现出。

在图3和图4所示的实施例中：两个视图表示了定位块5的形状，双点划线表示圆锥面18切削之前的轮廓，相当于模拟车轮10的轮廓，同时也表示模拟车轮10的锥顶角为10°；厚度h表示切削的位置和方向。