輪胎性能對(duì)車(chē)輛操縱穩(wěn)定性影響的仿真研究*

陳煥明，郭孔輝

(1.吉林大學(xué)，汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022； 2.青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，青島 266071)

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2015087

輪胎性能對(duì)車(chē)輛操縱穩(wěn)定性影響的仿真研究*

陳煥明1，2，郭孔輝1

(1.吉林大學(xué)，汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022； 2.青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，青島 266071)

本文中進(jìn)行整車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真，以研究輪胎性能對(duì)車(chē)輛操縱穩(wěn)定性影響。首先，對(duì)3組輪胎進(jìn)行輪胎力學(xué)性能試驗(yàn)，利用所獲得的力和力矩?cái)?shù)據(jù)建立Unitire輪胎模型。然后，用CarSim軟件進(jìn)行車(chē)輛動(dòng)力學(xué)建模、仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。最后，利用所建車(chē)輛模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向盤(pán)角階躍試驗(yàn)和雙移線試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并客觀評(píng)價(jià)了輪胎性能對(duì)車(chē)輛操縱穩(wěn)定性影響。

輪胎模型；車(chē)輛操縱穩(wěn)定性；開(kāi)閉環(huán)仿真；客觀評(píng)價(jià)

前言

輪胎作為車(chē)輛與地面間唯一的傳力介質(zhì)，其力學(xué)性能對(duì)于車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能有重要的影響。輪胎經(jīng)濟(jì)性和耐久性有較完善的客觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于輪胎對(duì)車(chē)輛操縱穩(wěn)定性的影響，由于缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，并且不同的車(chē)輛對(duì)于輪胎的要求也不盡相同，僅局限于輪胎性能很難對(duì)操縱穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)[1-2]。

車(chē)輛操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)主要有客觀評(píng)價(jià)和主觀評(píng)價(jià)兩種方法?？陀^評(píng)價(jià)是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)得到汽車(chē)狀態(tài)量，再計(jì)算汽車(chē)操縱穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，這可通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)和模擬仿真完成。在車(chē)輛開(kāi)發(fā)初期可通過(guò)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真進(jìn)行車(chē)輛操作穩(wěn)定性研究[3-9]。主觀評(píng)價(jià)包括駕駛員-汽車(chē)-環(huán)境閉環(huán)系統(tǒng)的特性分析，對(duì)汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)。通常是由有經(jīng)驗(yàn)的、專業(yè)的試車(chē)員駕駛汽車(chē)行駛一段特定路程，進(jìn)行特定操縱后定性描述汽車(chē)各方面的特性[10-11]。

國(guó)內(nèi)外的研究已經(jīng)注意到了輪胎和車(chē)輛性能之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[12]中只對(duì)輪胎和車(chē)輛性能的關(guān)系作了闡述，沒(méi)有給出具體定性或定量描述。文獻(xiàn)[1]中也對(duì)輪胎與車(chē)輛的匹配作了相關(guān)的研究。文獻(xiàn)[2]中利用開(kāi)環(huán)實(shí)驗(yàn)對(duì)5組輪胎的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

本文中擬采用開(kāi)閉環(huán)結(jié)合的方法開(kāi)展輪胎性能對(duì)車(chē)輛操縱穩(wěn)定性影響的仿真研究。

1 輪胎模型

在車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真建模過(guò)程中輪胎模型的準(zhǔn)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(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的Unitire模型。

采用3組不同性能的輪胎，見(jiàn)表1。對(duì)輪胎進(jìn)行力學(xué)特性試驗(yàn)，得到性能數(shù)據(jù)，輪胎純側(cè)偏和純側(cè)傾工況下的輪胎力學(xué)特性如圖1～圖4所示。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到Unitire模型。

表1 輪胎型號(hào)

2 車(chē)輛模型與驗(yàn)證

2.1 車(chē)輛模型

利用車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件CarSim建立車(chē)輛仿真模型。它包括車(chē)輛的各個(gè)子系統(tǒng)，如車(chē)體、懸架、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)等[13]。其中懸架、轉(zhuǎn)向制動(dòng)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的性能數(shù)據(jù)皆來(lái)自試驗(yàn)數(shù)據(jù)。車(chē)輛車(chē)體主要參數(shù)如表2所示。

表2 車(chē)輛參數(shù)

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

在某試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行蛇形試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖5所示?？梢钥闯觯抡鏀?shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)峰值均超過(guò)0.8g，兩者間最大差值為4.87%，說(shuō)明所建模型正確，可用于車(chē)輛操縱穩(wěn)定性仿真。

3 仿真試驗(yàn)

目前國(guó)內(nèi)外有很多關(guān)于車(chē)輛操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，但并沒(méi)有公認(rèn)的可以完全反映車(chē)輛操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的試驗(yàn)流程，各大汽車(chē)公司對(duì)自己的評(píng)價(jià)體系也諱莫如深[9]。本文中選用開(kāi)閉環(huán)結(jié)合的方法進(jìn)行車(chē)輛操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，開(kāi)環(huán)評(píng)價(jià)選用穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)和轉(zhuǎn)向盤(pán)階躍輸入試驗(yàn)，閉環(huán)試驗(yàn)選用較為典型的雙移線試驗(yàn)。

3.1 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)

參照GB/T 6323—2014[14]，分別對(duì)3組輪胎進(jìn)行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)。根據(jù)QC/T 480—1999[15]，分別按中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)的側(cè)向加速度值an、不足轉(zhuǎn)向度U、車(chē)廂側(cè)傾度Kφ進(jìn)行評(píng)分，如表3所示。評(píng)分結(jié)果顯示，輪胎C的各項(xiàng)評(píng)分最均衡，綜合得分最高，總體表現(xiàn)優(yōu)于輪胎A和B。

表3 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)評(píng)分表

3組輪胎對(duì)應(yīng)的車(chē)輛質(zhì)心側(cè)偏角響應(yīng)曲線如圖6所示。車(chē)輛質(zhì)心側(cè)偏角變化的大小表征車(chē)輛對(duì)理想軌跡跟隨程度的好壞[16]。裝備輪胎A的車(chē)輛質(zhì)心側(cè)偏角最大，輪胎B和輪胎C依次減小，與評(píng)分一致。

3.2 轉(zhuǎn)向盤(pán)階躍輸入試驗(yàn)

轉(zhuǎn)向盤(pán)階躍試驗(yàn)是一種典型的汽車(chē)開(kāi)環(huán)瞬態(tài)試驗(yàn)，可反映出轉(zhuǎn)向盤(pán)角輸入情況下車(chē)輛的瞬態(tài)響應(yīng)。仿真參照GB/T 6323—2014進(jìn)行，3組輪胎對(duì)應(yīng)的車(chē)輛側(cè)向加速度曲線如圖7所示。根據(jù)QC/T 480—1999進(jìn)行評(píng)分。按側(cè)向加速度值為2m/s2時(shí)的汽車(chē)橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間T進(jìn)行評(píng)分，結(jié)果如表4所示?？梢?jiàn)，輪胎C響應(yīng)最快，輪胎A和輪胎B性能接近。

表4 轉(zhuǎn)向盤(pán)角階躍試驗(yàn)評(píng)分表

為更加充分完整地評(píng)判車(chē)輛側(cè)向加速度從低到高整個(gè)范圍內(nèi)車(chē)輛的響應(yīng)特性，在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上做轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角從小到大的一系列仿真試驗(yàn)，通過(guò)車(chē)輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)從小到大變化過(guò)程的趨勢(shì)評(píng)價(jià)車(chē)輛操縱穩(wěn)定性。

車(chē)輛側(cè)向動(dòng)態(tài)響應(yīng)在低側(cè)向加速度小于0.3g情況下基本保持線性。大部分駕駛員對(duì)于車(chē)輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)的感覺(jué)來(lái)自線性區(qū)域。車(chē)輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)區(qū)域的線性程度越高，意味著車(chē)輛越易于駕駛，在高側(cè)向加速度區(qū)域背離駕駛員意圖的動(dòng)態(tài)反應(yīng)也越小。對(duì)于普通駕駛員來(lái)說(shuō)容易適應(yīng)。側(cè)向動(dòng)態(tài)響應(yīng)可用側(cè)向加速度ay、側(cè)傾角φ和橫擺角速度ψ′來(lái)表征，見(jiàn)表5。因此，可以使用線性區(qū)域的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，利用擬合所得公式計(jì)算非線性區(qū)域數(shù)值。用仿真數(shù)據(jù)與線性假設(shè)數(shù)據(jù)的百分比表示該指標(biāo)的線性程度。

表5 輪胎線性程度表 %

結(jié)果顯示，輪胎C動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(zhuǎn)向盤(pán)角階躍試驗(yàn)中3組輪胎側(cè)偏角響應(yīng)曲線如圖8所示。輪胎C的側(cè)偏角響應(yīng)超調(diào)最小，并能很快收斂，輪胎A的側(cè)偏角響應(yīng)超調(diào)最大。因此，輪胎C的側(cè)偏性能能夠很好地滿足快速響應(yīng)、迅速收斂的要求。

3.3 雙移線試驗(yàn)

目前雙移線試驗(yàn)是被廣泛采用的閉環(huán)操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)試驗(yàn)[17]。分別對(duì)3組輪胎進(jìn)行相同速度的雙移線試驗(yàn)。

為了更好地評(píng)價(jià)輪胎操縱穩(wěn)定性，須綜合考慮車(chē)輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)的各個(gè)方面。打分采用郭孔輝團(tuán)隊(duì)提出的評(píng)價(jià)體系。其評(píng)價(jià)指標(biāo)包括車(chē)輛軌道跟蹤優(yōu)劣的誤差、駕駛員負(fù)擔(dān)、翻車(chē)危險(xiǎn)性、側(cè)滑危險(xiǎn)性和駕駛員路感等指標(biāo)，見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：Ji為各項(xiàng)指標(biāo)評(píng)分值；wi為各項(xiàng)指標(biāo)加權(quán)值。

根據(jù)式(1)對(duì)3組輪胎的雙移線試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)分，結(jié)果見(jiàn)表6。由表可見(jiàn)，輪胎A評(píng)分好，輪胎B次之，輪胎C最差。

表6 雙移線評(píng)分值

3組輪胎對(duì)應(yīng)的車(chē)輛質(zhì)心側(cè)偏角如圖9所示。輪胎A對(duì)應(yīng)的車(chē)輛質(zhì)心側(cè)偏角峰值最小，輪胎C的最大?？梢?jiàn)，在雙移線這樣劇烈的轉(zhuǎn)向盤(pán)操作工況中，輪胎側(cè)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(xiàng)試驗(yàn)中的表現(xiàn)各不相同。在每一項(xiàng)試驗(yàn)中各個(gè)評(píng)分指標(biāo)的表現(xiàn)也不盡統(tǒng)一。不同類(lèi)型的車(chē)輛對(duì)于操縱穩(wěn)定性各方面的要求也不一樣，因此可以用仿真的方法在車(chē)輛和輪胎設(shè)計(jì)初期就合理地匹配車(chē)輛和輪胎來(lái)滿足車(chē)輛操縱穩(wěn)定性的要求。

4 結(jié)論

本文中基于整車(chē)操縱穩(wěn)定性仿真方法，利用CarSim車(chē)輛仿真軟件，采用開(kāi)閉環(huán)結(jié)合客觀評(píng)價(jià)來(lái)研究輪胎性能對(duì)于車(chē)輛操縱穩(wěn)定性的影響。對(duì)穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向盤(pán)角階躍試驗(yàn)和雙移線試驗(yàn)進(jìn)行仿真，并參照國(guó)標(biāo)進(jìn)行評(píng)分。重點(diǎn)分析輪胎側(cè)偏特性對(duì)車(chē)輛質(zhì)心側(cè)偏角的影響，從而研究輪胎性能對(duì)車(chē)輛操縱穩(wěn)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(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)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。