輪胎性能對車輛操縱穩定性影響的仿真研究*

陳煥明，郭孔輝

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022； 2.青島大學機電工程學院，青島 266071)

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2015087

輪胎性能對車輛操縱穩定性影響的仿真研究*

陳煥明1，2，郭孔輝1

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022； 2.青島大學機電工程學院，青島 266071)

本文中進行整車動力學仿真，以研究輪胎性能對車輛操縱穩定性影響。首先，對3組輪胎進行輪胎力學性能試驗，利用所獲得的力和力矩數據建立Unitire輪胎模型。然后，用CarSim軟件進行車輛動力學建模、仿真和試驗驗證。最后，利用所建車輛模型進行穩態回轉試驗、轉向盤角階躍試驗和雙移線試驗，對試驗數據進行分析，并客觀評價了輪胎性能對車輛操縱穩定性影響。

輪胎模型；車輛操縱穩定性；開閉環仿真；客觀評價

前言

輪胎作為車輛與地面間唯一的傳力介質，其力學性能對于車輛動力學性能有重要的影響。輪胎經濟性和耐久性有較完善的客觀評價標準。關于輪胎對車輛操縱穩定性的影響，由于缺少統一標準，并且不同的車輛對于輪胎的要求也不盡相同，僅局限于輪胎性能很難對操縱穩定性做出評價[1-2]。

車輛操縱穩定性評價主要有客觀評價和主觀評價兩種方法。客觀評價是通過標準實驗得到汽車狀態量，再計算汽車操縱穩定性的評價指標，這可通過實車試驗和模擬仿真完成。在車輛開發初期可通過車輛動力學仿真進行車輛操作穩定性研究[3-9]。主觀評價包括駕駛員-汽車-環境閉環系統的特性分析，對汽車的操縱穩定性進行研究和評價。通常是由有經驗的、專業的試車員駕駛汽車行駛一段特定路程，進行特定操縱后定性描述汽車各方面的特性[10-11]。

國內外的研究已經注意到了輪胎和車輛性能之間的關系。文獻[12]中只對輪胎和車輛性能的關系作了闡述，沒有給出具體定性或定量描述。文獻[1]中也對輪胎與車輛的匹配作了相關的研究。文獻[2]中利用開環實驗對5組輪胎的性能進行了評價。

本文中擬采用開閉環結合的方法開展輪胎性能對車輛操縱穩定性影響的仿真研究。

1 輪胎模型

在車輛動力學仿真建模過程中輪胎模型的準確性非常重要。目前有幾種輪胎模型，如Unitire、Magic Formula、Pacejka89、Pacejka94、PAC2002和Fiala等輪胎模型。本文中采用郭孔輝及其團隊開發的Unitire模型。

采用3組不同性能的輪胎，見表1。對輪胎進行力學特性試驗，得到性能數據，輪胎純側偏和純側傾工況下的輪胎力學特性如圖1～圖4所示。利用試驗數據擬合得到Unitire模型。

表1 輪胎型號

2 車輛模型與驗證

2.1 車輛模型

利用車輛動力學仿真軟件CarSim建立車輛仿真模型。它包括車輛的各個子系統，如車體、懸架、轉向、制動和動力傳動系統等[13]。其中懸架、轉向制動和動力傳動系統的性能數據皆來自試驗數據。車輛車體主要參數如表2所示。

表2 車輛參數

2.2 試驗驗證

在某試驗場進行蛇形試驗，試驗數據與仿真數據的對比如圖5所示。可以看出，仿真數據和試驗數據峰值均超過0.8g，兩者間最大差值為4.87%，說明所建模型正確，可用于車輛操縱穩定性仿真。

3 仿真試驗

目前國內外有很多關于車輛操縱穩定性評價的試驗標準，但并沒有公認的可以完全反映車輛操縱穩定性評價的試驗流程，各大汽車公司對自己的評價體系也諱莫如深[9]。本文中選用開閉環結合的方法進行車輛操縱穩定性評價，開環評價選用穩態回轉試驗和轉向盤階躍輸入試驗，閉環試驗選用較為典型的雙移線試驗。

3.1 穩態回轉試驗

參照GB/T 6323—2014[14]，分別對3組輪胎進行穩態回轉試驗。根據QC/T 480—1999[15]，分別按中性轉向點的側向加速度值an、不足轉向度U、車廂側傾度Kφ進行評分，如表3所示。評分結果顯示，輪胎C的各項評分最均衡，綜合得分最高，總體表現優于輪胎A和B。

表3 穩態回轉試驗評分表

3組輪胎對應的車輛質心側偏角響應曲線如圖6所示。車輛質心側偏角變化的大小表征車輛對理想軌跡跟隨程度的好壞[16]。裝備輪胎A的車輛質心側偏角最大，輪胎B和輪胎C依次減小，與評分一致。

3.2 轉向盤階躍輸入試驗

轉向盤階躍試驗是一種典型的汽車開環瞬態試驗，可反映出轉向盤角輸入情況下車輛的瞬態響應。仿真參照GB/T 6323—2014進行，3組輪胎對應的車輛側向加速度曲線如圖7所示。根據QC/T 480—1999進行評分。按側向加速度值為2m/s2時的汽車橫擺角速度響應時間T進行評分，結果如表4所示。可見，輪胎C響應最快，輪胎A和輪胎B性能接近。

表4 轉向盤角階躍試驗評分表

為更加充分完整地評判車輛側向加速度從低到高整個范圍內車輛的響應特性，在上述試驗的基礎上做轉向盤轉角從小到大的一系列仿真試驗，通過車輛動態響應從小到大變化過程的趨勢評價車輛操縱穩定性。

車輛側向動態響應在低側向加速度小于0.3g情況下基本保持線性。大部分駕駛員對于車輛動態響應的感覺來自線性區域。車輛動態響應區域的線性程度越高，意味著車輛越易于駕駛，在高側向加速度區域背離駕駛員意圖的動態反應也越小。對于普通駕駛員來說容易適應。側向動態響應可用側向加速度ay、側傾角φ和橫擺角速度ψ′來表征，見表5。因此，可以使用線性區域的仿真數據進行線性擬合，利用擬合所得公式計算非線性區域數值。用仿真數據與線性假設數據的百分比表示該指標的線性程度。

表5 輪胎線性程度表 %

結果顯示，輪胎C動態響應的線性程度明顯好于輪胎A和輪胎B，即輪胎C更易于駕駛。

轉向盤角階躍試驗中3組輪胎側偏角響應曲線如圖8所示。輪胎C的側偏角響應超調最小，并能很快收斂，輪胎A的側偏角響應超調最大。因此，輪胎C的側偏性能能夠很好地滿足快速響應、迅速收斂的要求。

3.3 雙移線試驗

目前雙移線試驗是被廣泛采用的閉環操縱穩定性評價試驗[17]。分別對3組輪胎進行相同速度的雙移線試驗。

為了更好地評價輪胎操縱穩定性，須綜合考慮車輛動態響應的各個方面。打分采用郭孔輝團隊提出的評價體系。其評價指標包括車輛軌道跟蹤優劣的誤差、駕駛員負擔、翻車危險性、側滑危險性和駕駛員路感等指標，見式(1)。

(1)

式中：Ji為各項指標評分值；wi為各項指標加權值。

根據式(1)對3組輪胎的雙移線試驗進行評分，結果見表6。由表可見，輪胎A評分好，輪胎B次之，輪胎C最差。

表6 雙移線評分值

3組輪胎對應的車輛質心側偏角如圖9所示。輪胎A對應的車輛質心側偏角峰值最小，輪胎C的最大。可見，在雙移線這樣劇烈的轉向盤操作工況中，輪胎側偏剛度大的輪胎A更能滿足要求。

綜上所述，3組輪胎在上述3項試驗中的表現各不相同。在每一項試驗中各個評分指標的表現也不盡統一。不同類型的車輛對于操縱穩定性各方面的要求也不一樣，因此可以用仿真的方法在車輛和輪胎設計初期就合理地匹配車輛和輪胎來滿足車輛操縱穩定性的要求。

4 結論

本文中基于整車操縱穩定性仿真方法，利用CarSim車輛仿真軟件，采用開閉環結合客觀評價來研究輪胎性能對于車輛操縱穩定性的影響。對穩態回轉試驗、轉向盤角階躍試驗和雙移線試驗進行仿真，并參照國標進行評分。重點分析輪胎側偏特性對車輛質心側偏角的影響，從而研究輪胎性能對車輛操縱穩定性的影響。

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Simulation of the Effects of Tire Performance on Vehicle Handling Stability

Chen Huanming1,2& Guo Konghui1

1.JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130022;2.CollegeofMechanicalEngineering,QingdaoUniversity,Qingdao266071

A vehicle dynamic simulation is conducted in this paper to study the effects of tire performance on the handling stability of vehicle. Firstly tire mechanical performance test is performed on three set of tires, and with the force and moment data obtained from test, a Unitire tire model is built. Then a vehicle dynamics model is set up, a simulation is carried out with CarSim and the model is verified by test. Finally with the verified vehicle model, steady state circular test, steering wheel angle step input test and double lane change test are proceeded, with test results analyzed and the effects of tire performance on the handling stability of vehicle objectively evaluated.

tire model; vehicle handling stability; open/closed loop simulation; objective evaluation

*高等學校博士學科點專項科研基金(20100061110049)資助。

原稿收到日期為2013年9月5日，修改稿收到日期為2013年12月13日。