輪胎動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)車輛側(cè)向動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性的影響分析

程澤木，孔智，盧劍偉*

（1.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230091；2.合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

關(guān)鍵字：輪胎動(dòng)力學(xué)參數(shù)；車輛側(cè)向動(dòng)力學(xué)響應(yīng)；整車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型

引言

汽車操縱穩(wěn)定性關(guān)系到駕駛員的駕駛感受和交通安全，是反映汽車設(shè)計(jì)和制造水平的重要指標(biāo)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車保有量逐年增長(zhǎng)，汽車已經(jīng)成為人們必不可少的一種交通工具。人們對(duì)于汽車操縱性能也提出了更高的要求。輪胎作為車輛與路面間傳遞力和力矩的唯一部件，對(duì)汽車的操縱性能有著重要的影響。輪胎與車輛之間的合理匹配直接關(guān)系到車輛操縱穩(wěn)定性的好壞。本文依托某SUV研究輪胎動(dòng)力學(xué)參數(shù)匹配對(duì)車輛側(cè)向動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響。

1 輪胎動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)簡(jiǎn)述

輪胎是車輛重要的組成部分，直接與地面接觸。由于輪胎材料、結(jié)構(gòu)及其與路面相互作用關(guān)系的復(fù)雜性，輪胎的動(dòng)力學(xué)特性對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)有重要的影響。輪胎建模第一步要先確定輸入輸出，明確建模重點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 基于魔術(shù)公式的輪胎模型的輸入與輸出

在汽車動(dòng)力學(xué)應(yīng)用中，魔術(shù)公式（Magic Formula）能很好地建立輪胎-地面交互作用。魔術(shù)公式是用三角函數(shù)的組合公式擬合輪胎試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用一套形式相同的公式來(lái)完整地表達(dá)輪胎的縱向力、側(cè)向力、回正力矩、翻轉(zhuǎn)力矩、阻力矩，以及縱向力、側(cè)向力的聯(lián)合作用工況[5]，魔術(shù)公式的一般表達(dá)式為：

其中，Y(x)是Fy或者Fx；D為峰值因子，表示曲線峰值特征；C為形狀因子，影響曲線的形狀；B為剛度因子，影響曲線的斜率；E為曲率因子，改變曲線峰值處的曲率特征，其曲線參數(shù)特征如圖2所示。

圖2 魔術(shù)公式參數(shù)特征

2 面向側(cè)向動(dòng)力學(xué)分析的整車多體動(dòng)力學(xué)建模

為了考察輪胎動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)車輛側(cè)向動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響，基于Adams/Car軟件平臺(tái)建立整車的多體動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)懸架、車身、轉(zhuǎn)向、輪胎等子系統(tǒng)建模要點(diǎn)做如下說(shuō)明。

（1）懸架：前懸架為麥弗遜結(jié)構(gòu)，后懸架為多連桿結(jié)構(gòu)，對(duì)后懸架拖曳臂以柔性體建模。懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)依據(jù)車型數(shù)據(jù)確定，部件之間根據(jù)其連接特征采用襯套和球鉸等方式連接，相關(guān)彈簧、減震器、緩沖塊、襯套的參數(shù)通過(guò)試驗(yàn)獲得。

（2）車身：將車身定義為質(zhì)量塊，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量SAE估值公式如下[6]：

其中：TW=輪距，B=軸距，m=汽車質(zhì)量，RH=車頂離地高度，Hg =汽車質(zhì)心高度，L=汽車總長(zhǎng)，上述單位為kg與m，Kx：轎車7.9846，Ky：轎車5.2901，Kz：轎車2.1942。

（3）轉(zhuǎn)向：該車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)，關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)由該車型總布置數(shù)據(jù)確定，傳動(dòng)比通過(guò)最大轉(zhuǎn)向角與最大齒條位移確定。

（4）輪胎：根據(jù)樣車輪胎六分力試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)輪胎力學(xué)模型參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)[7]，對(duì)輪胎屬性文件進(jìn)行修改，建立輪胎子系統(tǒng)。

（5）其它零部件如前后橫向穩(wěn)定桿、動(dòng)力總成等參數(shù)依據(jù)車型參數(shù)確定。各子系統(tǒng)之間用通訊器進(jìn)行連接。

整車多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，得到的整車剛?cè)狁詈夏Ｐ腿鐖D4所示。

圖3 整車拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4 整車剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

在Adams/Car中進(jìn)行同向輪跳仿真實(shí)驗(yàn)，并與實(shí)車試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，其中，將車身及方向盤(pán)鎖止，并施加制動(dòng)力矩使車輪不能繞自身旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，左右車輪在垂直加載缸的作用下同向跳動(dòng)，將得到的測(cè)試結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)比，如圖5所示。

從圖中可以看出，同向輪跳時(shí)仿真試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，這也驗(yàn)證了所建立模型的準(zhǔn)確性。其中曲線基準(zhǔn)（即曲線最高最低點(diǎn)）的差異主要是因?yàn)樵囼?yàn)車與仿真模型車身姿態(tài)不同，而曲線變化范圍的不一致主要是模型與試驗(yàn)車懸架硬點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)存在的差距造成，這種誤差主要是試驗(yàn)樣車的制造與裝配誤差造成。

圖5 輪心垂向位移與垂直力圖

3 輪胎動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)整車側(cè)向動(dòng)力學(xué)響應(yīng)影響分析

基于上述所建立的整車多體動(dòng)力學(xué)模型，考察輪胎垂向剛度、側(cè)向剛度、外傾角等輪胎參數(shù)對(duì)整車側(cè)向動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響。

3.1 垂向剛度

以整車仿真的定方向盤(pán)轉(zhuǎn)角為仿真工況，考察垂向剛度分別為210000N/m，260000N/m，310000N/m時(shí)車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)的結(jié)果，如圖6所示，其中藍(lán)色，紅色和粉紅色曲線分別代表垂向剛度為210000N/m，260000N/m，310000N/m。

圖6 車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)（垂向剛度改變）

從圖6（a）中可以看出垂向剛度較低時(shí)，橫擺角速度的峰值也較低。從圖（b）中可以發(fā)現(xiàn)車身側(cè)傾角隨著垂向剛度的減小而增大。圖（c）和（d）表明垂向剛度對(duì)側(cè)向加速度的影響較小，垂向剛度較小時(shí)，轉(zhuǎn)向半徑會(huì)略微增大。

3.2 側(cè)向剛度

以整車仿真的定方向盤(pán)轉(zhuǎn)角為仿真工況，考察側(cè)向剛度分別為140000N/m，190000N/m，240000N/m時(shí)車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)的結(jié)果，如圖7所示，其中藍(lán)色，紅色和粉紅色曲線分別代表垂向剛度為140000N/m，190000N/m，240000N/m。

圖7 車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)（側(cè)向剛度改變）

從圖7（a）中可以看出側(cè)向剛度較低時(shí)，橫擺角速度的峰值較高。從（b）中可以發(fā)現(xiàn)車身側(cè)傾角隨著垂向剛度的減小而增大。圖（c）和（d）表明垂向剛度較小時(shí)，側(cè)向加速度略微增加，轉(zhuǎn)向半徑略微減小。

3.3 外傾角

以整車仿真的定方向盤(pán)轉(zhuǎn)角為仿真工況，考察外傾角分別為0.5°，-0.5°，-1.5°時(shí)車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)的結(jié)果，如圖8所示，其中紅色，藍(lán)色和粉紅色曲線分別代表垂向剛度為0.5°，-0.5°，-1.5°。

圖8 車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)（外傾角改變）

從圖8（a）中可以看出外傾角為0.5°時(shí)，橫擺角速度較低。從（b）中可以發(fā)現(xiàn)外傾角為-1.5°時(shí)，車身側(cè)傾角有明顯的增加。圖（c）和（d）表明外傾角為0.5°時(shí)，側(cè)向加速度減小，轉(zhuǎn)向半徑略微增加。

4 結(jié)論

（1）車輪垂向剛度、側(cè)向剛度及外傾角對(duì)車輛橫擺角速度響應(yīng)均有影響，其中外傾角對(duì)其影響較大，將外傾角設(shè)為正值獲得更好的車身橫擺響應(yīng)。

（2）車身側(cè)傾角對(duì)輪胎參數(shù)設(shè)置較為敏感，垂向剛度和側(cè)向剛度的減小都會(huì)引起側(cè)傾角增大，外傾角為正值時(shí)，側(cè)傾角減小。

（3）輪胎垂向剛度及側(cè)向剛度對(duì)側(cè)向加速度影響不明顯，外傾角為正值時(shí)，側(cè)向加速度有明顯的降低。

（4）轉(zhuǎn)向半徑隨著垂向剛度的減小而增大，隨著側(cè)向剛度的減小而減小，外傾角為正值時(shí)，轉(zhuǎn)向半徑明顯增大。