劉立剛，張秋雁，舒 進(jìn)，楊萬安

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

0 前言

輪胎包絡(luò)面是指車輪隨著懸架的運動所掃過的一個三維空間，它決定了輪罩造型的輪廓，縱梁的位置和截面尺寸，在車輛的開發(fā)過程中，對整車架構(gòu)和總布置起著十分重要的作用[1]。輪胎包絡(luò)面與周圍部件的間隙過大，不但影響外觀，而且會占用駕駛室（乘客室或后備箱）非常有限的空間，除此以外，縱梁的截面尺寸也會受到限制，給碰撞的安全指標(biāo)和發(fā)動機(jī)的懸置布置等問題帶來極大挑戰(zhàn)；相反，如果輪胎與周圍零部件間隙過小，發(fā)生干涉，摩擦噪音會引起客戶的抱怨，嚴(yán)重時導(dǎo)致輪胎破損，可能會引起行車安全事故。可見，開發(fā)一個精確的輪胎包絡(luò)面至關(guān)重要。輪胎包絡(luò)目前主要有3種方法生成：（1）模擬分析：建立整車模型，模擬各種可能的極限工況，輪子相對車身的軌跡即形成輪胎包絡(luò)；（2）試驗手段：在輪罩內(nèi)附著可以方便切割、刮擦的材料，按試驗流程，當(dāng)輪胎與該材料發(fā)生干涉時，該材料發(fā)生磨損，反復(fù)進(jìn)行試驗，最終不再發(fā)生干涉的輪廓能夠描述輪胎包絡(luò)；（3）測量技術(shù)：使用測量設(shè)備，測量輪心相對車身的各方向運動，通過輪心的軌跡在工程軟件中生成輪胎包絡(luò)。

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的相互競爭，控制成本，縮減周期，計算機(jī)輔助設(shè)計在前期開發(fā)中的角色也愈加重要。尤其對于開發(fā)一個全新的輪胎包絡(luò)，沒有樣車，也沒有同樣懸架可以參考的情況下，要得到一個精度較高的輪胎包絡(luò)，模擬分析就顯得格外重要。本文主要介紹如何通過模擬分析的手段得到輪胎包絡(luò)，如何驗證及解決輪胎包絡(luò)的干涉問題。

1 模型

1.1 建模

使用多體動力學(xué)軟件建立整車動力學(xué)模型。在建立動力學(xué)模型之前，一些工程數(shù)據(jù)需要被收集。具體包含：懸架硬點，襯套剛度，緩沖限位塊的剛度、位置，彈簧的剛度及自由長度，穩(wěn)定桿的直徑，轉(zhuǎn)向機(jī)行程，輪跳行程，后橋的柔性體，輪胎型號及尺寸等信息[2]。大部分?jǐn)?shù)據(jù)需要工程圖紙或基于樣車數(shù)據(jù)測量的支持。整車模型的建立被特征化成簡單的子系統(tǒng)模塊，如轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，前懸架，后懸架等。本文以前懸麥弗遜，后懸扭桿梁，前驅(qū)前轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)為例，建立的模型如圖1所示。

圖1 多體車輛動力學(xué)模型

1.2 驗證模型

模型完成后首先需要檢查模型的正確性，目的是為了確保模型與被模擬的車有同樣的運動關(guān)系。通過靜態(tài)仿真分析，檢查懸架剛度，輪跳行程，襯套剛度，緩沖塊位置等參數(shù)是否合理。例如，在圖2所示的懸架剛度曲線上，斜率突然改變的兩點分別對應(yīng)上下緩沖塊起作用的位置，曲線在橫坐標(biāo)的極限位置，可確定輪心行程。同樣的方法，檢查輪心的側(cè)向力位移和縱向力位移是否合理，以確保懸架模型與設(shè)計參數(shù)的一致性。

圖2 懸架剛度曲線

1.3 仿真分析

輪胎包絡(luò)面應(yīng)該能夠體現(xiàn)各種極限工況下車輪所掃過的空間。前后懸架的模擬可以分別進(jìn)行仿真分析。

對于前懸架，不僅需要考慮輪子跳動，車輛的側(cè)傾，還需要考慮車輪的轉(zhuǎn)向。即前輪包絡(luò)面包含前后制動引起車輪縱向位移、左右轉(zhuǎn)向和上下跳動的耦合、側(cè)向力引起的車輪相對車身的側(cè)向變形，以及在側(cè)向力作用下，車輪上下跳動過程中，外傾和前束的變化。仿真時，可以把輪胎當(dāng)作剛性體考慮，車輪與地面用平面鉸和垂直方向的移動鉸連接，側(cè)向力和縱向力施加在輪胎接地點，車輪的上下跳動通過移動鉸和運動約束控制，同理，轉(zhuǎn)向也通過模擬齒輪齒條的移動鉸和運動約束控制。

對于后懸，與前懸相比，沒有轉(zhuǎn)向的影響，減小了模擬的復(fù)雜性，輪包也相對較小，值得注意的是，需考慮扭梁柔性體的扭轉(zhuǎn)變形的影響。

1.4 結(jié)果檢查

使用多體動力學(xué)后處理軟件MotionView的動畫播放更能，設(shè)置軌跡跟蹤，可以看到輪胎的輪廓，見圖3所示。把周圍關(guān)系的零部件幾何添加到動畫中，設(shè)定最小間隙的允許值，運行動畫，在不滿足給定判定標(biāo)準(zhǔn)的工況，動畫會暫停并可以高亮顯示間隙不滿足要求的區(qū)域。為方便數(shù)模的干涉檢查，可以把輪心跳動文件輸出到UG，根據(jù)輪胎的截面形狀，生成輪胎包絡(luò)數(shù)模，這樣方便檢查與車身的最小間隙。

圖3 MotionView中的前后懸輪胎包絡(luò)示意圖

圖4 輪胎包絡(luò)面刮擦試驗

2 試驗驗證

前面提到輪胎包絡(luò)的三種方法，除模擬分析外的另外兩種方法都可以作為試驗驗證的手段。試驗的前提是樣車要具有比實際情況更大的輪包，才不會影響附著材料的刮擦（見圖4）或測量設(shè) 備 （見 圖 5）的數(shù)據(jù)采集。輪胎包絡(luò)的試驗驗證主要包含路沿、方坑、爬坡、加速、制動與全轉(zhuǎn)向的各種工況組合。對于刮擦出來的最終包絡(luò)，可以通過三坐標(biāo)掃描，曲面逆向重構(gòu)后導(dǎo)入車輛坐標(biāo)系下，檢查與周圍零部件的間隙或與模擬分析做對比；對于測量設(shè)備(Wheel Tracker/Wheel Watch)，靠測量車輪相對車身的各方向（除車輪旋轉(zhuǎn)的5個自由度）運動，得到車輪的跳動文件，然后在UG等工程軟件中生成輪胎包絡(luò)面。

圖5 輪胎包絡(luò)面測量設(shè)備

3 帶防滑鏈的輪胎包絡(luò)

按照GB7063-2011法規(guī)對汽車護(hù)輪板的設(shè)計要求：如果汽車是兩輪驅(qū)動，汽車制造廠應(yīng)保證把汽車設(shè)計成至少有一種型式的防滑鏈適用于該車驅(qū)動輪的一種型式的車輪和輪胎。防滑鏈的使用勢必增加了輪胎包絡(luò)的空間，在設(shè)計階段，通常把光胎包絡(luò)向外偏置相當(dāng)于防滑鏈厚度的一段距離，市場上常見的防滑鏈按材料分為三種：鐵鏈、聚氨酯鏈和布罩防滑鏈，如圖6～8。鐵鏈最早出現(xiàn)，常用于卡車，鏈條厚度約12 mm，適合于冰、雪路面，但容易磨損輪胎；聚氨酯防滑鏈厚度約7 mm，不損壞輪胎，有取代鐵鏈的趨勢；布罩防滑鏈厚度僅約2 mm，僅適用于純雪地路面，安裝簡便，容易布置，但本身易磨損。

圖6 鐵鏈

圖7 聚氨酯防滑鏈

裝有防滑鏈的車輛，行駛速度一般要求低于50 km/h，駕駛工況不像光胎干地上那么惡劣，因此垂向上比較接近或略大于光胎的包絡(luò)，但是全轉(zhuǎn)向時與輪罩、控制臂和縱梁的距離會明顯減小，也是最有可能發(fā)生干涉的位置。生產(chǎn)廠家可以指定兩款輪胎，小尺寸輪胎配防滑鏈，滿足那些冬季雪地行駛的需求；大尺寸輪胎相對美觀，針對那些不會用到防滑鏈的客戶。輪胎大小尺寸的選擇原則是盡可能有一致的外徑，小尺寸輪胎盡量窄以滿足帶防滑鏈的輪胎包絡(luò)空間的要求。

圖8 布罩防滑鏈

4 問題解決

模擬分析計算的包絡(luò)為安全起見，需要考慮零件的制造和裝配誤差，以減少實車可能出現(xiàn)極限工況下干涉的風(fēng)險。如果在設(shè)計或試驗驗證中出現(xiàn)了輪胎與周圍部件干涉的情況，就需要更改設(shè)計。通常的措施有：（1）靠更改限位塊減小車輪上跳行程，會損失舒適性，也會增加極限工況的峰值載荷，對耐久不利；（2）限制轉(zhuǎn)向行程，會增加轉(zhuǎn)彎直徑，影響窄路掉頭；（3）改變車輪的偏置，需要輪罩內(nèi)有足夠的空間；（4）加大懸架襯套的剛度，會影響車輛的操縱穩(wěn)定性；（5）更改包絡(luò)干涉的零件，切掉干涉的區(qū)域或更改局部形狀。可見前期的模擬分析是十分必要的。

5 結(jié)論

通過本文的介紹，在車輛的前期開發(fā)中，一般使用仿真分析方法計算的輪胎包絡(luò)，以進(jìn)行總布置的研究，在樣車成功試制后，需要進(jìn)行一輪試驗認(rèn)證，以確保輪胎包絡(luò)與周圍部件沒有干涉的風(fēng)險。

［1］朱敏杰.輪胎包絡(luò)面計算流程和分析方法［J］.上海汽車，2009（09）：19-20.

［2］黃宏成，何維廉.輪胎包絡(luò)面設(shè)計與運動干涉分析［J］.傳動技術(shù)，2002（01）：13-16.