韓俊平，葉 紅

（武漢軟件工程職業(yè)學院，湖北 武漢 430205）

汽車輪胎與路面的相互作用，是汽車行駛的主要外力來源。汽車的正常行駛、制動以及轉(zhuǎn)向等，都是通過滾動的輪胎完成的。輪胎的力學特性，對汽車的操縱性、舒適性、動力性以及安全性，起著極為重要的作用。

除此以外，在輪胎的具體設計中，汽車輪胎的物理力學特性恰恰正是優(yōu)化輪胎設計、提高輪胎性能的根本依據(jù)。由此可見，對輪胎力學特性進行研究，具有重大的現(xiàn)實意義和廣闊的應用前景。

1 輪胎力學特性的研究方法

總的來說，目前輪胎力學特性的研究方法，主要包括理論研究和試驗研究。

理論研究，是在進行過簡化之后的物理模型的基礎之上建立起來的一種對輪胎力學特性的數(shù)學描述，即理論模型。理論模型可以對不同工況下輪胎的力學特性進行分析，但理論模型為了精確表達輪胎各種工況時的力學特性，往往使用了較多的參數(shù)，這就增大了參數(shù)辨識與試驗驗證的難度，因此在實際車輛動力學研究中并不被廣泛采用[1]。

試驗研究，則是通過試驗測量輪胎在一定工況下的試驗數(shù)據(jù)，對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到一定形式的輪胎力學特性經(jīng)驗表達式，即經(jīng)驗模型。試驗通過專用的試驗臺架進行，模擬出輪胎的各種行駛條件，進而預測輪胎的工作情況。經(jīng)驗模型只用一套公式就能夠表達純工況下輪胎的力學特性，力學特性的描述準確簡潔，非常適合應用于汽車動力學研究。

2 虛擬樣機技術(shù)的發(fā)展及ADAMS軟件簡介

虛擬樣機技術(shù)，是當前機械設計領(lǐng)域的一種新方法，是系統(tǒng)動力學等學科的延伸發(fā)展，其利用軟件進行機械系統(tǒng)的建模，通過系統(tǒng)仿真，可以對系統(tǒng)的性能進行分析和評估，從而為進行物理樣機的詳細設計提供參考數(shù)據(jù)。

虛擬樣機技術(shù)與傳統(tǒng)的設計技術(shù)相比，非常突出的特點就在于其特別強調(diào)系統(tǒng)的觀點，可以低成本地進行產(chǎn)品的全方位測試和評估?；谔摂M樣機技術(shù)來進行設計時，可以很方便地在計算機上修改設計錯誤或缺陷，反復試驗不同的擬定設計方案，從中挑選出最優(yōu)設計方案，從而達到對整個系統(tǒng)進行持續(xù)改進和不斷優(yōu)化，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低試驗成本，提高產(chǎn)品品質(zhì)[2]。

對汽車行業(yè)來講，采用虛擬樣機技術(shù)建立整個車輛的數(shù)字化仿真模型，將整個車輛作為一個系統(tǒng)來進行分析和研究，就能夠發(fā)現(xiàn)部件結(jié)構(gòu)參數(shù)與整車性能之間關(guān)系的本質(zhì)規(guī)律[3]。在某種車型的實體樣機出現(xiàn)之前，便可實現(xiàn)對該車型整體性能的預測，并且在該車型的具體設計過程之中，還可以通過設計參數(shù)反復進行零部件仿真，從而進一步很方便地達到對整車和零部件性能進行改進和優(yōu)化的目的。

ADAMS軟件是由美國MDI公司開發(fā)的一款用于虛擬樣機分析的成熟軟件，目前已經(jīng)為數(shù)以百計的世界主要大型制造商所采用。ADAMS軟件是全球CAE領(lǐng)域中實際運用最為廣泛的機械系統(tǒng)仿真工具軟件，是一款融合建模、求解、可視化等技術(shù)于一體的仿真分析軟件。

ADAMS軟件可以通過建立逼真的“功能化數(shù)字樣機”來模擬實際工作條件下機械系統(tǒng)的運動情況，從而幫助設計人員較快地從多種設計方案中，挑選出最優(yōu)設計方案。在具體實踐中，對于工程設計人員來說，既可以利用ADAMS軟件建立虛擬樣機進行機械系統(tǒng)的力學分析，又可以將其作為一種分析開發(fā)工具，來進行虛擬樣機分析的二次開發(fā)。

圖1 ADAMS的啟動界面

3 汽車輪胎模型與ADAMS軟件聯(lián)接過程的實現(xiàn)

在ADAMS這個軟件中，對汽車輪胎與路面之間的相互作用的研究，是在ADAMS/Tire這個模塊進行的。利用ADAMS軟件這個模塊，用戶能夠很方便地進行汽車輪胎縱向力等由于路面而產(chǎn)生的各種力的計算。與ADAMS/Car等模塊結(jié)合，裝備不同輪胎的整車，可以在各種不同路面條件下，進行多組道路試驗，很方便計算汽車的回轉(zhuǎn)、仰俯和側(cè)傾特性。ADAMS/Tire輸出的力和加速度數(shù)據(jù)，可以作為有限元軟件包的輸入載荷，進行相應的應力和疲勞特性研究。

在ADAMS/Tire這個模塊，集成了一些經(jīng)典的輪胎模型，這其中包括用于汽車操縱穩(wěn)定性仿真分析的魔術(shù)模型，及用于汽車耐久性仿真分析的FTire模型。

此外，ADAMS這個軟件，還支持用戶自己定義汽車輪胎模型。不同汽車輪胎模型的數(shù)據(jù)要求、仿真結(jié)果數(shù)據(jù)輸出和模型精度，也很難完全一致，然而汽車輪胎模型的建模精度，對汽車整車建模精度有著直接影響。因此，對于汽車輪胎模型的選擇，必須與具體的仿真要求相一致。

比如說，如果在平整路面上進行汽車操作性能方面的研究，那所有的ADAMS軟件支持的汽車輪胎模型，都擁有足夠的精度；如果在崎嶇路面上進行操作性方面的分析，就必須使用具備三維路面交換接觸關(guān)系的汽車輪胎模型，例如FTire模型。

圖2 ADAMS/Tire模塊的使用流程

要實現(xiàn)汽車輪胎模型與ADAMS軟件的聯(lián)接，就必須選擇合適的輪胎力學模型，了解ADAMS軟件為汽車輪胎模型的嵌入所預留的接口規(guī)范，熟悉ADAMS軟件對汽車輪胎模型的調(diào)用過程，然后再來編寫聯(lián)接所需的程序。

聯(lián)接的基本過程包括：在某一仿真時刻，從汽車輪胎模型的接口中獲取汽車輪胎模型的當前使用參數(shù)，并將這些參數(shù)傳輸?shù)狡囕喬ツＰ瓦M行解析計算，然后將汽車輪胎模型輸出的力和力矩等力學要素，通過輪胎接口傳回到ADAMS軟件，來計算下一仿真時刻的運動參數(shù)，最后通過對分析仿真結(jié)果分析，來評估輪胎模型與實際情況的吻合程度。

圖3 聯(lián)接過程示意圖

4 汽車整車仿真

汽車整車仿真是指在ADAMS這個軟件中，使用完整的汽車模型進行一系列的動力學仿真分析。只不過在ADAMS軟件中進行整車時，汽車整車模型是行駛在虛擬路面之上，汽車整車模型的控制，也是用驅(qū)動器來實現(xiàn)的。

在ADAMS軟件中，除了可以進行汽車模型一系列的標準試驗，還可以輕松實現(xiàn)那些現(xiàn)實中難以進行的或者是具有相當危險性的試驗。

圖4 汽車整車仿真的般步驟

使用ADAMS軟件進行汽車整車仿真，可以對汽車整車模型進行包括汽車操作穩(wěn)定性以及轉(zhuǎn)彎平順性等一系列汽車動力學仿真研究，并得到各種工況下操作特性曲線圖[4]。

根據(jù)仿真結(jié)果，用戶除了可以很方便地對整車子系統(tǒng)中部件進行修改，還能夠通過更換子系統(tǒng)的類型，來觀察其對汽車整車性能的影響程度。

在ADAMS軟件中，汽車整車仿真又分為標準仿真和自定義仿真兩類。用戶如果要進行標準仿真，只需要在對應的軟件界面上輸入各種參數(shù)即可。如輪胎使用參數(shù)和路面信息等，因為其試驗方法都是已經(jīng)規(guī)定好的。用戶如果要進行自定義仿真，則必須通過驅(qū)動控制文件和參數(shù)文件，將試驗條件和方法等都進行自行定義。

5 結(jié)束語

對于汽車輪胎的開發(fā)過程而言，利用ADAMS軟件進行模擬仿真實驗，能減少設計過程中試制試驗的輪次，在研究過程中若采用具有預測能力的汽車輪胎模型，就必定能夠從較少的試驗數(shù)據(jù)中，獲取對汽車輪胎力學特性準確全面的描述，從而達到降低輪胎試驗成本，并優(yōu)化輪胎設計的目的。

[1]郭孔輝，金凌鴿，等.統(tǒng)一輪胎模型在車輛動力學仿真中的應用[J].吉林大學學報，2009，（39）：241-245.

[2]周學建，周志立，等.車輛動力學仿真中的輪胎數(shù)學模型研究現(xiàn)狀[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車，2002，（1）：8-11.

[3]王和毅，谷正氣，等.汽車輪胎模型研究現(xiàn)狀及其發(fā)展分析[J].橡膠工業(yè)，2005，（52）：58-63.

[4]劉 青，郭孔輝.輪胎動態(tài)試驗系統(tǒng)開發(fā)初論[J].兵工學報，1999，（20）：357-360.