基于輪胎穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性的車輛響應(yīng)研究

2021-09-12 22:07:00· 來源：輪胎動(dòng)力學(xué)協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟訂閱號(hào) 作者：李雪莉

輪胎穩(wěn)態(tài)刷子模型純側(cè)傾工況下Fy和Mz與γ的關(guān)系如圖4所示。

圖4　輪胎穩(wěn)態(tài)刷子模型

純側(cè)傾工況下Fy和Mz與γ的關(guān)系

1. 3輪胎瞬態(tài)特性

在穩(wěn)態(tài)刷子模型中，輪胎的受力與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)直接相關(guān)，由于輪胎多在中低頻下工作，輪胎與地面之間的力和力矩相對(duì)于輪胎的運(yùn)動(dòng)輸入表現(xiàn)為一定的滯后，如圖5所示。從圖5可以看出：輪胎在α階躍輸入作用下需要滾動(dòng)一段距離（ly）后，F(xiàn)y才達(dá)到穩(wěn)態(tài)值；在α正弦輸入作用下Fy表現(xiàn)出相位滯后。該現(xiàn)象即為輪胎瞬態(tài)特性。

圖5　輪胎瞬態(tài)特性

引入松弛的概念描述以上現(xiàn)象，根據(jù)理論推導(dǎo)[5-6]，F(xiàn)y對(duì)α增量的頻率響應(yīng)特性近似于一階系統(tǒng)，因此Fy瞬態(tài)模型可以用一階松弛系統(tǒng)來近似表達(dá)。Fy瞬態(tài)松弛（HFy，α）模型可表達(dá)為：

式中，Kyα為輪胎側(cè)偏剛度，σ為系數(shù)，s為頻率復(fù)變量。當(dāng)σs→0時(shí)，HFy，α→Kyα，即在低頻時(shí)，側(cè)向力幅頻特性水平漸近線與一階松弛系統(tǒng)水平漸近線相同。

通常輪胎松弛長(zhǎng)度的獲取有兩種方法，一種為直接法，通過α階躍法提取ly，另一種間接通過輪胎側(cè)偏剛度與側(cè)向剛度的比值得到。

2 三自由度車輛模型建立

二自由度車輛模型包括側(cè)向和橫擺兩個(gè)自由度，在側(cè)傾轉(zhuǎn)向效應(yīng)較小的情況下，可以得到較好的仿真效果。但是，在側(cè)傾轉(zhuǎn)向效應(yīng)較大時(shí)，這樣的簡(jiǎn)化模型就不夠精確了。考慮側(cè)傾自由度的轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入運(yùn)動(dòng)理論最早出現(xiàn)于1956年的美國(guó)康乃爾實(shí)驗(yàn)室，可以將高速、大轉(zhuǎn)角和側(cè)向加速度較大時(shí)的側(cè)傾轉(zhuǎn)向效應(yīng)計(jì)入，大大提高了車輛模型的仿真精度[6]。

三自由度車輛模型在二自由度車輛模型的基礎(chǔ)上增加了側(cè)傾自由度，車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖6所示，非簧載質(zhì)量參與橫擺運(yùn)動(dòng)，簧載質(zhì)量參與橫擺運(yùn)動(dòng)（有橫擺角速度）和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)（有側(cè)傾角速度），忽略俯仰運(yùn)動(dòng)。若前后軸側(cè)傾中心高相同，則橫擺與側(cè)傾解耦。圖中，下標(biāo)l和r分別表示車輛左側(cè)和右側(cè)，下標(biāo)1和2分別表示車輛前軸和后軸，a1和b1分別為質(zhì)心到前后軸的距離，u為車輛縱向速度，δ為車輪轉(zhuǎn)角，β為質(zhì)心側(cè)偏角，φ為車身側(cè)傾角，ms和mu分別為非簧載質(zhì)量和簧載質(zhì)量，F(xiàn)ys和Fyu分別為非簧載力和簧載力，ays和ayu分別為非簧載質(zhì)量和簧載質(zhì)量在y軸的加速度，e為質(zhì)心高度，Φ為輪胎側(cè)傾角。

圖6　三自由度車輛模型

建立的三自由度車輛模型與機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析（Adams）車輛模型對(duì)比，三自由度車輛模型具有非常高的精度，可以用來研究輪胎特性對(duì)車輛響應(yīng)的影響[7-8]，如圖7和8所示。

圖7　橫擺角速度頻率響應(yīng)

圖8　側(cè)向加速度頻率響應(yīng)

3 輪胎特性參數(shù)對(duì)整車性能的影響

車輛三自由度側(cè)傾研究以輪胎松弛模型為對(duì)象，車輛響應(yīng)為目標(biāo)，對(duì)輪胎的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析。

3. 1輪胎穩(wěn)態(tài)參數(shù)對(duì)整車性能的影響

將輪胎側(cè)偏剛度、側(cè)傾剛度、回正剛度、側(cè)傾回正剛度以及懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性合成為等效側(cè)偏剛度，進(jìn)行歸一化并等效為輪胎側(cè)向因子，設(shè)計(jì)輪胎側(cè)向因子分別為0. 8，1. 0和1. 2，進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析，得到輪胎側(cè)向特性對(duì)整車響應(yīng)的影響[9-10]，如圖9—12所示。