景立新，吳利廣，李廣，曹嬌嬌

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輪胎側(cè)偏剛度對(duì)整車操穩(wěn)性能的影響

景立新1，吳利廣1，李廣2，曹嬌嬌2

（1.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300；2.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，天津 300130）

文章主要研究輪胎側(cè)偏剛度特性對(duì)整車操縱穩(wěn)定性的影響。通過(guò)在仿真模型中改變輪胎側(cè)偏剛度的值，研究后軸等效側(cè)偏角、整車不足轉(zhuǎn)向、整車橫擺響應(yīng)頻率、整車穩(wěn)定性、整車響應(yīng)、轉(zhuǎn)向回正的等操縱穩(wěn)定性指標(biāo)的變化趨勢(shì)及變化量大小，進(jìn)而指導(dǎo)整車操縱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。

輪胎特性；側(cè)偏剛度；操縱穩(wěn)定性

前言

輪胎是連接汽車與路面的唯一部件，輪胎與路面間的相互作用力與力矩，以及輪胎的運(yùn)動(dòng)方式?jīng)Q定了車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及性能[1-2]，對(duì)于輪胎力學(xué)特性的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義以及應(yīng)用前景。但是，輪胎由于具有復(fù)雜的物理結(jié)構(gòu)和橡膠的材料特性，導(dǎo)致輪胎其受力狀況、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及與路面間的相互作用復(fù)雜多變。這些復(fù)雜性都極大增加了輪胎力學(xué)特性研究的難度。

本文主要從輪胎力學(xué)特性方面研究其對(duì)車輛操縱穩(wěn)定性的影響。輪胎力學(xué)特性包含靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性[3]。其中，側(cè)偏特性是輪胎力學(xué)特性的一個(gè)重要組成部分，主要指?jìng)?cè)偏力、回正力矩與側(cè)偏角的關(guān)系（見圖1和圖2），是研究車輛操縱穩(wěn)定性的基礎(chǔ)[4]。本文通過(guò)進(jìn)行輪胎的純側(cè)偏試驗(yàn)、復(fù)合工況試驗(yàn)等試驗(yàn)，結(jié)合ADAMS/CAR軟件建立輪胎及整車模型，研究不同側(cè)偏剛度對(duì)于輪胎力學(xué)特性的影響，進(jìn)而研究側(cè)偏剛度變化對(duì)于整車操縱穩(wěn)定性的影響。

圖1 輪胎側(cè)偏特性示意圖

圖2 輪胎側(cè)向力與側(cè)偏角的關(guān)系曲線

1 整車模型建立

基于輪胎側(cè)偏剛度的變化對(duì)汽車操穩(wěn)的影響，需要通過(guò)建立準(zhǔn)確的輪胎模型以及簡(jiǎn)化的整車模型來(lái)分析其具體影響，本文以某款SUV車的數(shù)據(jù)為模型，其整車參數(shù)見表1所示，仿真采用的輪胎模型為PAC2002模型，前后輪胎型號(hào)為235/60 R18。對(duì)輪胎進(jìn)行力學(xué)特性試驗(yàn)，得到側(cè)偏性能數(shù)據(jù)，輪胎力學(xué)特性如圖3所示。

表1 整車參數(shù)

利用車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADMAS/CRA建立車輛仿真模型。它包括車輛的各個(gè)子系統(tǒng)，如車體、懸架、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)等[5]，整車模型如圖4所示，模型進(jìn)行角脈沖和角階躍工況仿真，結(jié)果如圖5～圖8所示，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，可用于汽車操縱穩(wěn)定性能的仿真[6]。

圖4 車仿真模型

圖5 側(cè)傾角-時(shí)間（角階躍）

圖6 橫擺角速度-時(shí)間（角階躍）

圖7 方向盤轉(zhuǎn)角-側(cè)向加速度（穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)）

圖8 橫擺角速度幅頻特性（角脈沖）

2 輪胎側(cè)偏剛度對(duì)整車操縱性能的影響研究

本節(jié)主要從后軸等效側(cè)偏角、整車不足轉(zhuǎn)向度、整車橫擺響應(yīng)頻率及快慢等方面，研究輪胎側(cè)偏剛度對(duì)整車操穩(wěn)性能的影響。

2.1 輪胎側(cè)偏剛度對(duì)后軸等效側(cè)偏角的影響

在前后軸荷不變的前提下，研究輪胎側(cè)偏角剛度對(duì)于后軸等效側(cè)偏角的影響，以某SUV車型為例，通過(guò)縮放后輪胎側(cè)偏剛度值進(jìn)行對(duì)比分析，如圖9所示：當(dāng)輪胎側(cè)偏剛度增大時(shí)，后軸等效側(cè)偏角減?。划?dāng)輪胎側(cè)偏剛度減小時(shí)，后軸等效側(cè)偏角增大；后輪側(cè)偏角與側(cè)偏剛度反比例變化；后軸側(cè)偏角與側(cè)偏剛度也近似反比例變化。

因此在整車開發(fā)過(guò)程中，后軸荷確定的情況下，可以提出輪胎側(cè)偏剛度的要求。

圖9 輪胎側(cè)偏剛度對(duì)后軸等效側(cè)偏角影響

2.2 輪胎側(cè)偏剛度對(duì)整車不足轉(zhuǎn)向的影響

整車的不足轉(zhuǎn)向度由前后軸等效側(cè)偏角之差決定，通常的簡(jiǎn)化理論計(jì)算中不足轉(zhuǎn)向度a1-a2= Fy1/Ky1- Fy2/Ky2，如果Ky1和Ky2同時(shí)增大n倍，則不足轉(zhuǎn)向度將減小為原來(lái)的1/n，按照一般不足轉(zhuǎn)向度為2deg/g計(jì)算，如果側(cè)偏剛度增大1.5倍，則不足轉(zhuǎn)向度變?yōu)?/1.5=1.33；當(dāng)前后側(cè)偏剛度不同時(shí)增大，如前軸輪胎側(cè)偏剛度減小，后軸輪胎側(cè)偏剛度增大時(shí)，不足轉(zhuǎn)向度將增大。

圖10 前后輪胎側(cè)偏剛度同時(shí)變化對(duì)整車不足轉(zhuǎn)向度影響

通過(guò)圖10可以看出前后輪胎側(cè)偏剛度同時(shí)縮放時(shí)整車不足轉(zhuǎn)向度變化并不是很明顯，輪胎側(cè)偏剛度變化30%時(shí)，不足轉(zhuǎn)向度變化10%左右。

圖11 前輪胎側(cè)偏剛度變化對(duì)整車不足轉(zhuǎn)向度影響

通過(guò)圖11可以看出只有前輪胎側(cè)偏剛度縮放時(shí)整車不足轉(zhuǎn)向度變化明顯，輪胎側(cè)偏剛度變化30%時(shí)，不足轉(zhuǎn)向度變化70%左右，前輪胎側(cè)偏剛度越大，不足轉(zhuǎn)向度越小。

圖12 后輪胎側(cè)偏剛度變化對(duì)整車不足轉(zhuǎn)向度影響

通過(guò)圖12可以看出只有前輪胎側(cè)偏剛度縮放時(shí)整車不足轉(zhuǎn)向度變化明顯，輪胎側(cè)偏剛度變化30%時(shí)，不足轉(zhuǎn)向度變化70%左右，后輪胎側(cè)偏剛度越大，不足轉(zhuǎn)向度越大。

2.3 輪胎側(cè)偏剛度對(duì)整車橫擺響應(yīng)頻率的影響

輪胎側(cè)偏剛度增大將增大整車的橫擺響應(yīng)頻率，輪胎側(cè)偏剛度變化30%時(shí)，橫擺響應(yīng)頻率變化20%左右。

圖13 前后輪胎側(cè)偏剛度變化對(duì)整車橫擺頻率影響

圖14 前后輪胎側(cè)偏剛度變化對(duì)整車橫擺角滯后影響

輪胎側(cè)偏剛度增大將減小整車的橫擺角速度相位滯后，輪胎側(cè)偏剛度變化30%時(shí)，橫擺角速度相位滯后變化50%左右。

2.4 輪胎側(cè)偏剛度對(duì)整車響應(yīng)快慢的影響

正常情況下，輪胎本身有松弛長(zhǎng)度，會(huì)對(duì)輪胎力建立有延遲影響，本文研究過(guò)程中不改變輪胎的松弛長(zhǎng)度。

圖15 前后輪胎側(cè)偏剛度變化對(duì)角階躍工況橫擺角速度影響

圖16 前后輪胎側(cè)偏剛度變化對(duì)角階躍工況車身側(cè)傾角影響

側(cè)偏剛度增大將減小整車的橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間，車輛響應(yīng)變快；由前面的分析我們知道，增加輪胎側(cè)偏剛度將減小整車的不足轉(zhuǎn)向度，相同方向盤轉(zhuǎn)向?qū)?yīng)的穩(wěn)態(tài)橫擺角速度也將變大，超調(diào)量變化不明顯。

側(cè)偏剛度增大將減小整車的側(cè)傾響應(yīng)時(shí)間，車輛響應(yīng)變快；增加輪胎側(cè)偏剛度將減小整車的不足轉(zhuǎn)向度，相同方向盤轉(zhuǎn)向?qū)?yīng)的穩(wěn)態(tài)側(cè)傾角也將變大，超調(diào)量變化不明顯。

圖17 后輪胎側(cè)偏剛度變化對(duì)角階躍工況橫擺角速度影響

當(dāng)僅后輪胎側(cè)偏剛度增大時(shí)，由上述可知后軸側(cè)偏角將減小，不足轉(zhuǎn)動(dòng)度將增大，則相同方向盤轉(zhuǎn)向?qū)?yīng)的穩(wěn)態(tài)橫擺角速度也將減??；由圖17可得，由于前輪胎側(cè)偏剛度保持不變，車輛的初始橫擺響應(yīng)速度基本不變，隨著后懸架的介入，橫擺角速度穩(wěn)態(tài)值及超調(diào)量將產(chǎn)生差異，呈現(xiàn)隨后輪胎側(cè)偏剛度增大，不足轉(zhuǎn)向度增大、穩(wěn)態(tài)橫擺角增益減小、超調(diào)量增大、橫擺響應(yīng)加快的趨勢(shì)。

圖18 前、后輪胎側(cè)偏剛度變化對(duì)角階躍工況車身側(cè)傾角影響

只改變前或后輪胎側(cè)偏剛度時(shí)，整車的不足轉(zhuǎn)動(dòng)度均有角明顯變化，同時(shí)橫擺角速度增益及側(cè)向加速度增益均有明顯變化，對(duì)應(yīng)的車身側(cè)傾角也將有明顯變化。

當(dāng)僅前輪胎側(cè)偏剛度增大時(shí)，側(cè)傾響應(yīng)速度將增大，不足轉(zhuǎn)向度減小，穩(wěn)態(tài)橫擺角速度及側(cè)向加速度將增大，對(duì)應(yīng)的主觀感受為側(cè)傾速度快、側(cè)傾幅度增大。

當(dāng)僅后輪胎側(cè)偏剛度增大時(shí)，側(cè)傾響應(yīng)速度基本不變，不足轉(zhuǎn)向度增大，穩(wěn)態(tài)橫擺角速度及側(cè)向加速度將減小，對(duì)應(yīng)的主觀感受為側(cè)傾速度不變、側(cè)傾幅度減小。

圖19 前輪胎側(cè)偏剛度變化對(duì)角階躍工況橫擺角速度影響

僅前輪胎側(cè)偏剛度增大時(shí)，前軸側(cè)偏角將減小，不足轉(zhuǎn)向度將減小，則相同方向盤轉(zhuǎn)向?qū)?yīng)的穩(wěn)態(tài)橫擺角速度也將增大；由圖19可得，由于前輪胎側(cè)偏剛度增大，車輛的初始橫擺響應(yīng)速度增大，隨著后懸架的介入，橫擺角速度穩(wěn)態(tài)值及超調(diào)量將產(chǎn)生差異，呈現(xiàn)隨前輪胎側(cè)偏剛度增大，不足轉(zhuǎn)向度減小、穩(wěn)態(tài)橫擺角增益增大、超調(diào)量減小的趨勢(shì)；雖然穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增大，但由于穩(wěn)態(tài)橫擺角也增大，響應(yīng)時(shí)間變化不明顯。

2.5 其它

輪胎側(cè)偏剛度除對(duì)上述操穩(wěn)性能有影響外，還對(duì)回正性能及車輛的穩(wěn)定性等有影響。如果輪胎側(cè)偏剛度選擇不正確，還可能會(huì)導(dǎo)致車輛低速行駛時(shí)，在極限轉(zhuǎn)向位置出現(xiàn)轉(zhuǎn)向不回正性能。

3 總結(jié)

通過(guò)本文研究，可以發(fā)現(xiàn)輪胎側(cè)偏剛度對(duì)整車操穩(wěn)有非常重要的影響。性能指標(biāo)方面主要表現(xiàn)在對(duì)前后軸等效側(cè)偏角、不足轉(zhuǎn)向度、響應(yīng)快慢、橫擺頻率等特性的影響，需要在底盤開發(fā)中得到充分重視。通過(guò)選擇不同的側(cè)偏剛度參數(shù)，可以得到不同的操穩(wěn)特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車輛設(shè)計(jì)開發(fā)目標(biāo)。

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Influence of tire cornering stiffness on vehicle stability performance

Jing Lixin1, Wu Liguang1, Li Guang2, Cao Jiaojiao2

（1.China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300;2.School of mechanical engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130）

This paper mainly studies the influence of tire lateral stiffness characteristics on vehicle handling stability. By changing the value of the tire cornering stiffness in the simulation model, the stability of the rear axle equivalent side angle, the vehicle understeer, the vehicle yaw response frequency, the vehicle stability, the vehicle response, and the steering return are studied. The trend of the indicators and the amount of change, and then guide the design of vehicle handling stability.

Tire characteristics; Cornering stiffness; Handling stability

U463.341

B

1671-7988(2018)21-82-04

U463.341

B

1671-7988(2018)21-82-04

景立新，就職于中國(guó)汽車技術(shù)研究中心。高級(jí)工程師，研究方向：汽車底盤性能開發(fā)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.029