陳煥明，郭孔輝

(1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022； 2.青島大學(xué)機電工程學(xué)院，青島 266071)

?

2015087

輪胎性能對車輛操縱穩(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)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022； 2.青島大學(xué)機電工程學(xué)院，青島 266071)

本文中進行整車動力學(xué)仿真，以研究輪胎性能對車輛操縱穩(wěn)定性影響。首先，對3組輪胎進行輪胎力學(xué)性能試驗，利用所獲得的力和力矩數(shù)據(jù)建立Unitire輪胎模型。然后，用CarSim軟件進行車輛動力學(xué)建模、仿真和試驗驗證。最后，利用所建車輛模型進行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗、轉(zhuǎn)向盤角階躍試驗和雙移線試驗，對試驗數(shù)據(jù)進行分析，并客觀評價了輪胎性能對車輛操縱穩(wěn)定性影響。

輪胎模型；車輛操縱穩(wěn)定性；開閉環(huán)仿真；客觀評價

前言

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

車輛操縱穩(wěn)定性評價主要有客觀評價和主觀評價兩種方法?？陀^評價是通過標(biāo)準(zhǔn)實驗得到汽車狀態(tài)量，再計算汽車操縱穩(wěn)定性的評價指標(biāo)，這可通過實車試驗和模擬仿真完成。在車輛開發(fā)初期可通過車輛動力學(xué)仿真進行車輛操作穩(wěn)定性研究[3-9]。主觀評價包括駕駛員-汽車-環(huán)境閉環(huán)系統(tǒng)的特性分析，對汽車的操縱穩(wěn)定性進行研究和評價。通常是由有經(jīng)驗的、專業(yè)的試車員駕駛汽車行駛一段特定路程，進行特定操縱后定性描述汽車各方面的特性[10-11]。

國內(nèi)外的研究已經(jīng)注意到了輪胎和車輛性能之間的關(guān)系。文獻[12]中只對輪胎和車輛性能的關(guān)系作了闡述，沒有給出具體定性或定量描述。文獻[1]中也對輪胎與車輛的匹配作了相關(guān)的研究。文獻[2]中利用開環(huán)實驗對5組輪胎的性能進行了評價。

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

1 輪胎模型

在車輛動力學(xué)仿真建模過程中輪胎模型的準(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隊開發(fā)的Unitire模型。

采用3組不同性能的輪胎，見表1。對輪胎進行力學(xué)特性試驗，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。利用試驗數(shù)據(jù)擬合得到Unitire模型。

表1 輪胎型號

2 車輛模型與驗證

2.1 車輛模型

利用車輛動力學(xué)仿真軟件CarSim建立車輛仿真模型。它包括車輛的各個子系統(tǒng)，如車體、懸架、轉(zhuǎn)向、制動和動力傳動系統(tǒng)等[13]。其中懸架、轉(zhuǎn)向制動和動力傳動系統(tǒng)的性能數(shù)據(jù)皆來自試驗數(shù)據(jù)。車輛車體主要參數(shù)如表2所示。

表2 車輛參數(shù)

2.2 試驗驗證

在某試驗場進行蛇形試驗，試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對比如圖5所示。可以看出，仿真數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)峰值均超過0.8g，兩者間最大差值為4.87%，說明所建模型正確，可用于車輛操縱穩(wěn)定性仿真。

3 仿真試驗

目前國內(nèi)外有很多關(guān)于車輛操縱穩(wěn)定性評價的試驗標(biāo)準(zhǔn)，但并沒有公認的可以完全反映車輛操縱穩(wěn)定性評價的試驗流程，各大汽車公司對自己的評價體系也諱莫如深[9]。本文中選用開閉環(huán)結(jié)合的方法進行車輛操縱穩(wěn)定性評價，開環(huán)評價選用穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗和轉(zhuǎn)向盤階躍輸入試驗，閉環(huán)試驗選用較為典型的雙移線試驗。

3.1 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗

參照GB/T 6323—2014[14]，分別對3組輪胎進行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗。根據(jù)QC/T 480—1999[15]，分別按中性轉(zhuǎn)向點的側(cè)向加速度值an、不足轉(zhuǎn)向度U、車廂側(cè)傾度Kφ進行評分，如表3所示。評分結(jié)果顯示，輪胎C的各項評分最均衡，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)試驗評分表

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

3.2 轉(zhuǎn)向盤階躍輸入試驗

轉(zhuǎn)向盤階躍試驗是一種典型的汽車開環(huán)瞬態(tài)試驗，可反映出轉(zhuǎn)向盤角輸入情況下車輛的瞬態(tài)響應(yīng)。仿真參照GB/T 6323—2014進行，3組輪胎對應(yīng)的車輛側(cè)向加速度曲線如圖7所示。根據(jù)QC/T 480—1999進行評分。按側(cè)向加速度值為2m/s2時的汽車橫擺角速度響應(yīng)時間T進行評分，結(jié)果如表4所示?？梢?，輪胎C響應(yīng)最快，輪胎A和輪胎B性能接近。

表4 轉(zhuǎn)向盤角階躍試驗評分表

為更加充分完整地評判車輛側(cè)向加速度從低到高整個范圍內(nèi)車輛的響應(yīng)特性，在上述試驗的基礎(chǔ)上做轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角從小到大的一系列仿真試驗，通過車輛動態(tài)響應(yīng)從小到大變化過程的趨勢評價車輛操縱穩(wěn)定性。

車輛側(cè)向動態(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。大部分駕駛員對于車輛動態(tài)響應(yīng)的感覺來自線性區(qū)域。車輛動態(tài)響應(yīng)區(qū)域的線性程度越高，意味著車輛越易于駕駛，在高側(cè)向加速度區(qū)域背離駕駛員意圖的動態(tài)反應(yīng)也越小。對于普通駕駛員來說容易適應(yīng)。側(cè)向動態(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′來表征，見表5。因此，可以使用線性區(qū)域的仿真數(shù)據(jù)進行線性擬合，利用擬合所得公式計算非線性區(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)向盤角階躍試驗中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

目前雙移線試驗是被廣泛采用的閉環(huán)操縱穩(wěn)定性評價試驗[17]。分別對3組輪胎進行相同速度的雙移線試驗。

為了更好地評價輪胎操縱穩(wěn)定性，須綜合考慮車輛動態(tài)響應(yīng)的各個方面。打分采用郭孔輝團隊提出的評價體系。其評價指標(biāo)包括車輛軌道跟蹤優(yōu)劣的誤差、駕駛員負擔(dān)、翻車危險性、側(cè)滑危險性和駕駛員路感等指標(biāo)，見式(1)。

(1)

式中：Ji為各項指標(biāo)評分值；wi為各項指標(biāo)加權(quán)值。

根據(jù)式(1)對3組輪胎的雙移線試驗進行評分，結(jié)果見表6。由表可見，輪胎A評分好，輪胎B次之，輪胎C最差。

表6 雙移線評分值

3組輪胎對應(yīng)的車輛質(zhì)心側(cè)偏角如圖9所示。輪胎A對應(yīng)的車輛質(zhì)心側(cè)偏角峰值最小，輪胎C的最大。可見，在雙移線這樣劇烈的轉(zhuǎn)向盤操作工況中，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項試驗中的表現(xiàn)各不相同。在每一項試驗中各個評分指標(biāo)的表現(xiàn)也不盡統(tǒng)一。不同類型的車輛對于操縱穩(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輛和輪胎設(shè)計初期就合理地匹配車輛和輪胎來滿足車輛操縱穩(wěn)定性的要求。

4 結(jié)論

本文中基于整車操縱穩(wěn)定性仿真方法，利用CarSim車輛仿真軟件，采用開閉環(huán)結(jié)合客觀評價來研究輪胎性能對于車輛操縱穩(wěn)定性的影響。對穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗、轉(zhuǎn)向盤角階躍試驗和雙移線試驗進行仿真，并參照國標(biāo)進行評分。重點分析輪胎側(cè)偏特性對車輛質(zhì)心側(cè)偏角的影響，從而研究輪胎性能對車輛操縱穩(wěn)定性的影響。

[1] 胥永宮.轎車輪胎操縱穩(wěn)定性匹配研究[D].長春:吉林大學(xué),2011.

[2] Sivaramakrishnan S, Taheri S. Using Objective Vehicle-Handling Metrics for Tire Performance Evaluation and Selection[C]. SAE Paper 2013-01-0743.

[3] 郭孔輝.汽車操縱動力學(xué)原理[M].南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,2011.

[4] 郭寬友.汽車操縱穩(wěn)定性的影響因素及評價方法研究[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,21(7):53-56.

[5] 宗長富,郭孔輝.汽車操縱穩(wěn)定性的主觀評價[J].汽車工程,2000,22(5):289-292,309.

[6] 宗長富,郭孔輝,李鉑.汽車操縱穩(wěn)定性的理論預(yù)測與綜合評價[J].汽車工程,2001,23(1):5-8,12.

[7] 劉喜東,劉應(yīng)東.考慮轉(zhuǎn)向速度的汽車操縱穩(wěn)定性分析[J].機械工程學(xué)報,2011,47(10):95-100.

[8] 王化吉,宗長富,管欣,等.基于模糊層次分析法的汽車操縱穩(wěn)定性主觀評價指標(biāo)權(quán)重確定方法[J].機械工程學(xué)報,2011,47(24):83-90.

[9] 白艷,賈鑫,宗長富,等.汽車操縱穩(wěn)定性客觀評價方法綜述[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2012,12(6):1339-1347.

[10] 常放,呂振華,郭孔輝.汽車操縱穩(wěn)定性的CAE分析技術(shù)及應(yīng)用[J].工程力學(xué),2009,26(12):196-203.

[11] 馮金芝,胡學(xué)坤,鄭松林,等.轎車操縱穩(wěn)定性的虛擬試驗研究[J].上海理工大學(xué)學(xué)報,2013,35(1):65-70.

[12] 王傳鑄.輪胎與汽車的性能匹配分析[J].輪胎工業(yè),2004,24(11):643-648.

[13] 王濤,江進豐,林佑廷,等.基于CarSim 軟件的閃避障礙物駕駛者模型[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2010,26(5):159-163.

[14] 國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 6323—2014汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[15] 國家機械工業(yè)局.QC /T 480—1999汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評價方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1999.

[16] 劉偉,丁海濤,郭孔輝,等.質(zhì)心側(cè)偏角相圖在車輛ESC系統(tǒng)穩(wěn)定性控制的應(yīng)用[J].北京理工大學(xué)學(xué)報,2013,33(1):42-46.

[17] Diomidis Katzourakis, Joost C F de Winter, Stefan de Groot, et al. Driving Simulator Parameterization Using Double-lane Change Steering Metrics as Recorded on Five Modern Cars[J]. Simulation Modeling Practice and Theory,2012,26:96-112.

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)科點專項科研基金(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。