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第六章
车轮，制动器和拖车—联轴器
静力学基本原理；牵引力和稳定性；车轮和轮毂；商用车轮毂标准；制动系；制动性能/噪声分析；防抱死/防滑系统；商用车盘式制动器；商用车/汽车电子制动器启动；自动制动；制动回路系统；挂车制动的适应性；牵引车-拖车联轴器；拉杆与列车
静力学基本原理
摩擦力是关于牵引和制动静力学分析中的一个关键因素，影响到自由转动、被驱动和被制动的车轮——这将只是纯滑动而没有回转摩擦力使之滚动。在制动过程中也一样，在制止车轮的旋转和制止汽车向前运动的制动力之间在水平方向上有一个很重要的区别。
利物浦大学的研究表明，当一个物体在支撑物上滚动时会在接触区产生力；这些力会阻碍物体的运动并且构成滚动阻力——当考虑一个加载了刚好足够构成滚动条件的法向力n和水平力P的自由滚动的物体时（图1）。接触区的主要部分会产生增长的压缩，而后部分的压缩会减小。这导致在接触区的前部分会产生表面物质的堆积而后部分会逐渐变平，并且取代了反力r到B点。P,n,r这三个力可以看作静力平衡，并且都通过公共点O。我们认为在B点这些力矩有如下关系：
因此滚动阻力，或滚动摩擦力，p=n/r times; AB，式中AB被称为滚动阻力系数，即=pr/n。这简单的分析提供了一种表示滚动摩擦力的方法，尽管还没有机构证实了它的存在性。
现在普遍认为，在材料表现出弹性的情况下，由于表面材料的正向压缩、回弹卸载循环和表面的不规则性，滚动阻力由迟滞损失产生。由此可以得出结论，滚动阻力取决于弹性滞后和物体表面的粗糙度。
图1：滚动物体的受力
在机动车行驶的车轮上，大切向力在车轮与地面的接触部分传递。通过分析一个弹性球体，如图2建立x,y,z坐标系，球体沿x轴方向滚动在一个弹性轨道上，并且受到切向力，这些力可以被分解为分力、和一个转矩。这些力和力矩明显的物理效应就是让简单的直线运动产生差异，如图2b和c中所示。这可以通过分析接触体的弹性性质来解释；局部微滑移区可以和接触区内的无滑动区（棒状区域）共存。因此，图2a中表面力的作用是在接触区内产生弹性应变。这些应变在球体和轨道之间产生附着和滑动的模式，如接触圆的平面图所示。
图2：弹性球体滚动在弹性轨道上
牵引力和稳定性
在轮胎——地面接触处产生的纵向牵引力（或制动状态下的减速力）和侧向转弯力之间的基本权衡是轮式车辆的牵引力和稳定性之间的平衡中心。
车辆上受到的路面外倾力或横向风力会破坏用于牵引（或制动）的轮胎摩擦力，因此在性能模拟计算中需要了解相互作用力的大小。将车辆简化为刚性矩形框架模型，车轮布置在不能专项的各个角，这样有助于直观的分析车辆的受力系统。如图3所示，为了用于模拟，侧向力可认为和滑移角成比例关系，并且坐标轴系可以在地面表示。基于Rocard的分析，从20实际50年代开始就使用这种简化方式来获得车辆稳定性的表达方式，从中可以检查理想化车辆模型从直行到转动的振荡运动情况。这些由Steeds描述，他重新整理排列这些以定义车辆从稳定状态变为不稳定状态的临界速度：
=
式中，是不同车轮的转向力系数，M是过重心G方向的车辆质量。
从中可以看出，如果比大，车辆会在任何速度下保持稳定状态。因此，选择前后车轮相对于车辆质心的转向力是稳定性问题的基础。由于牵引力（或制动力）对可用侧向力的平衡不利，因此在设计中必须加以考虑。美国康奈尔大学航空航天实验室的先驱研究员已经从更复杂的车辆模型中获得了悬架弹簧和车身滚动对这些关系的影响。
当车轮转向时，相对于车辆（路径）的纵向轴线和相对于轮胎的平面（横向）产生的横向力也存在差异，如图4。沿Y轴的是横向力，包括因滑移角和外倾角而产生的力。
图4：侧向和中心力
垂直于车辆运动（路径）的力现在是指牵引力作用的中心力，并且两轴系统用于分别描述车轮和车辆。牵引力决定车辆是否能以恒定的速度转弯（稳态操纵）并且有效的产生切向加速度。如前一章所述，Dixon研究了轮胎和地面之间的摩擦产生机制，并且他已经注意到了滑移速度和温度的依赖性，以及量化温度变化产生的影响的难度。摩擦的速度依赖性被解释为它们是适用于轮胎足迹的非滑动部分的“静态”共同效应，以及适用于滑动部件的较低的“动态”部分。在高滑移角度，滑动部分将具有减小的系数，使得转弯力处于适度的倾斜角度，然后脱落一次，但是随着相对滑动速度的降低，其下降将不如锁定车轮制动的显着。
混合的纵向和横向力实际作用很大，特别是在稳定性影响至关重要的事故避免机动中。
另外还有空气动力学稳定性的概念，升力和俯仰力矩从前后车轮传递载荷。 从空气动力学稳定性的角度简化考虑，假定压力中心处于与重心相同的高度并且侧向风力只产生横摆力矩。纵向力，侧向力和横摆力矩可以垂直组合，以产生可以水平地穿过风压中心的单一空气动力，如图5所示。由此可以定义侧向推力系数：
=
式中，是风的作用角度。图6表示了细度比l/d=6的流线型车体的测量结果，使得偏航力偶=
对于如此长的流线型车身，压力中心位于车头的前方，很小的侧向力就可以对行驶方向产生相当大的干扰。虚线表示，矩形截面蹲体的侧向力系数相当高。Cs值限于1.0适用于地面车辆——涉及很大的侧向力。因此，将压力中心限制在靠后的位置对于超流线型车身的汽车是很重要的。这些是通过后翅片实现的，如图7，其压力中心位于距离前缘1/3的后翅片总长度。可以通过花费一定的时间找出侧向合力的作用点。Howell详细研究了车辆在复杂风向中的响应。
稳定性的图示法
Taborek认为，在车辆惯性力作用下的稳定性曲线表明，作用在转向轮上的牵引力和制动力应该与其他通过车辆质心的运动影响力平衡。所有这些增加或减少车辆离心力的侧向力分量。车轮上的侧向力分配是方向稳定性的关键因素——哪个车轮最先开始侧滑决定了安全机动性。他用图示法表示矢量分析以确定分布情况。图8表示了典型车辆通过曲线的加速运动，例如，离心力为C=340lbf，总滚动阻力为R=W=80lb（356N），加速度为a=3ft/s(0.9m/s)。因此惯性力R=（W/g）a=375lb（1.76kN）。图中绘制了后轮驱动、前轮转向和前轮驱动相同的向量。与没有牵引力的自由车辆的情况相比，外力都产生增加后驱车侧向反力的侧向分力，然而，在前驱车上，牵引力显著降低侧推力。
车轮和轮毂
由轻型，批量生产的车辆使用的车轮和轮毂通常涉及通过圆锥滚子或角接触球轴承支撑在轮毂上的压制和滚动形式的钢制车轮。当车辆体积非常大时，还可以将其他车轮悬架部件集成到轮毂结构中，甚至将制动器的部件集成到车轮中。车轮和轮毂的设计根据车辆的使用情况在设计上也差异很大，比较赛车轮/轮毂组件和商业车辆的可以看出，如图9所示。
轮胎的设计和规格将在后面的章节中讨论，控制轮辋的尺寸，如果为特定的轮胎尺寸设计了新车轮，请参考相应的国家标准。对于商用车辆，根据所选择的结构类型可以获得各种标准轮辋设计替代方案，如图10所示。选择车轮结构的一个关键因素是将车轮固定在轮毂一处，受其他考虑因素的影响。固定件对于车轮的精确对中也是至关重要的，并且大多数是锥形座螺栓类型，如图11所示，BS AU 50给出了在任何装置上混合球形和锥形座和螺栓的强烈警戒。许多商用车轮子使用插口定心，在这种情况下，将使用平头螺栓孔和扁平螺母。
车轮几乎总是设计成如图12所示带有下落中心轮圈的类型。虽然这体现出了常见的双峰结构，对于车轮直径D，中心孔径N，钻孔直径L和轮辋宽度M，使用其他可以给制动器提供更多空间并且可以使用扁平轮胎的变形。图13中显示的Dunlop Denloc和Michelin TR rim的结合就是这种类型的轮胎；固特异的“不对称”边缘是另一种变形。大陆Conti系统（图14）也接近生产验收，表示允许非正常轮胎轮廓的完全平整性能——这可能会导致“备胎”的完全停产。
车轮设计也因物料的使用和制造过程而异。对于商用车，具有铸造轮的Trilex系统包括轮辋和轮辐。可拆卸的轮圈通过夹子和螺丝连接到轮辐。另一种形式是图15所示的Monoflex 15度锥形胎圈座，带有或者没有轮辋偏移。对于更传统的商用车车轮，图16中展示了三种主要类型的商用车传统的可用尺寸指南。
对于那些想要设计特殊车轮的人来说，在确定轮辋应力时，考虑轮辋微元长度上的力（图17）是有用的。由立体和固体力学理论得出的应力式如下：
6P.l/ (P/h).
由于Svenson的工作考虑了在轮胎/地面接触片处施加水平和垂直力的应力，由此导出了静态应力值的动态分解式：1 2.6C/P， 式中C是轮胎的回弹率。
简单理论难以计算复杂形状的常规压制轮盘上的应力，在MIRA进行的经验表明，施加在轮盘上的弯矩不仅通过侧向重量传递而增加，而且还通过前后重量转移，车身侧倾和轮胎变形增加，如图18所示。分析表明短轴上的扭矩为：
静态和
转向
车轮上的力矩为：
静态
转向
通过细致的轮盘设计，米其林的工作已经显示出可以大幅减轻重量的潜力。 一个研究方法导致了所谓的Roue Globate设计，其中制动鼓与盘成一体，如图19所示。
轮毂和轴承配置
图20比较了前轮毂的传统滚子和滚珠轴承配置，在批量制造车辆的情况下，趋向于让位于如图21所示的紧密联接的轴承配置；这些可以更快地组装，并且承诺为了车的使用寿命做免费维护。第二代双向横轴接触（DRAG）轴承可以包含整个轮缘（如图22），用于车轮和制动盘等附件。更进一步的开发采用了可拆卸的内滚道，以便将球的组装简化为另外“固化”的内外圈。这种方法以另一种形式应用于赛车轮毂——如图23所示的约十年前Lotus FI的配置。一个特别有趣的发展是在Fiat Panda上使用的SKF“轮毂单元”概念轴承， 图24，其中内圈和外圈都与轮缘和悬架系统联成一体。
紧耦合圆锥滚子系统的一个特别优点是避免了传统设计的轴承间隔件，不过这可能导致误差堆积的问题。所谓的Timken Set-Right系统在使用中不需要调整，而图25所示的TDOUP封装轴承概念只使用了一个外部双轨道。该组件有完整的密封件并预先填充了润滑脂。
新型轮毂设计的评估通常基于仿真之前的使用情况的程序化实验室测试。这些数据库是由MIRA进行大量道路测试测量建立的。在以0.6g的加速度转弯实验中，当轴向和径向载荷分别为5和8kN时，中型车辆短轴上的典型弯矩已经被测定为800Nm。转向力和轴承载荷的关系取决于合力和车轴重量的位置，图26中由RHP显示了一个2升的汽车在一定范围的横向加速度内、不同轴重情况下的轮毂轴向载荷。
RHP表明球轴承疲劳寿命的ISO公式是基于“等效”负载的反立方体。从该表达式可以计算出疲劳磨损区域，并且绘制出如图所示的分布图，其中将注意到在正加速度g情况下等效载荷如何快速的增加。图表下的面积代表总疲劳寿命。如果轴承在0g（直线行驶）时显示等效载荷为1,0.8g时显示等效载荷为7，那么负载比7:1成为疲劳磨损比7:1或343:1，意味着0.8g的加速度转向行驶一英里的轴承疲劳和直线行驶343英里是一样的。
通过选择操作条件和预期的驾驶员行为来确定安全系数。鉴于基准是中等水平驾驶员在多种道路上驾驶轻装的车辆，则在极端情况下进行分解，如下：仅考虑快速驾驶员；假设全部寿命都使用在没有堵塞的城镇道路上；假设车辆完全装载到0.2g，中间载荷在0.2g至0.5g之间；假设车辆偶尔轻载时会有0.8g。
Timken公司的工程师声称，最新的圆锥滚子轴承的疲劳寿命更长，当给定了承载滚珠轴承座时可以减小轮毂的封装尺寸。图27中的表格显示了一种现代汽车典型的寿命周期。虽然现有的圆锥滚子和滚珠轴承设计表现出了相似的性能和尺寸大小，但Timken公司声称最新的锥形设计具有成型辊和沿着接触长度均匀分布应力的轨道部分，这些可以增加锥形布置的寿命。
商用车车轮螺母标准
道路运输工程师协会等人多年来对商用车辆车轮的固定问题的担忧导致了英国螺栓标准规范的出版。
这个最新标准适用于采用18,20,22和24mm螺柱的插口定位轮的紧固件，其使用六角螺母和平板式固定式垫圈（A型），锥形固定件为7/8和一英寸BSF（B型），也是18,20和22 mm尺寸的球面螺母。已经符合了英国材料和硬度的标准；成型，表面处理和螺纹形式，平座和锥形螺母应符合图28和29的公差要求。对于球面螺母，轴螺纹和球体应满足 0plusmn;0.5mm的同心度。对于锥形和球面螺柱，应用图30/31中的公差要求。为了符合标准，测试必须在特定的加载条件下进行，包括某些类别的楔形测试以模拟偏移量。
根据开放和埃克塞特大学的研究员的研究，为确保轮轴螺栓系统整体的结构完整性，需要对整个组件作为关节的机械分析，这意味着需要了解各个部件的工作过程，其中之一是螺纹紧固件或螺栓，或在某些设计中，通常使用十个螺栓的对称阵列来固定车轮（车轮载荷较低时使用6或8个）。在预加载的组装过程中，螺栓紧固过程中感应到的张力的大小决定了在正常运行过程中经受的附加工作载荷下组件的行为。过小的预加载会导致车轮磨损和随之而来的损坏，或螺母松开导致车轮损失，或在接头分离中导致螺栓本身过载。另一方面，过高的预加载也可能导致故障，例如当叠加操作负载时会大大超过螺栓防护载荷，引起
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