姜洪旭，王海艷

[浦林成山（青島）工業(yè)研究設(shè)計有限公司，山東 青島 264300]

輪胎作為車輛與地面接觸的唯一部件，對整車的操縱性能有決定性作用[1]。整車的操縱穩(wěn)定性是整車廠評價輪胎性能的核心指標(biāo)之一。輪胎必須通過整車廠的整車主觀評價，達(dá)到其評分標(biāo)準(zhǔn)，才能獲得最終的技術(shù)認(rèn)可。輪胎動力學(xué)建模能力、輪胎操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)和仿真以及輪胎與整車的操縱穩(wěn)定性匹配是輪胎能否達(dá)到高端整車廠技術(shù)要求的核心技術(shù)[2-3]。

本研究根據(jù)整車評價實(shí)際工況確定科學(xué)的六分力試驗(yàn)方法，建立輪胎的PAC2002模型，根據(jù)整車懸架的運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)（K&C）試驗(yàn)數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在Carsim軟件中建立某品牌SUV整車模型；根據(jù)GB/T 6323—2014《汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》和主觀評價試驗(yàn)項(xiàng)目建立仿真流程，選取關(guān)鍵的客觀評價指標(biāo)并與主觀評價結(jié)果對比，以建立整車操縱性能仿真客觀評價體系。

1 輪胎模型

采用SUV車型常用的215/60R17輪胎，分別選擇國內(nèi)品牌輪胎A，B及韓國品牌輪胎C，進(jìn)行輪胎六分力試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立輪胎動力學(xué)模型。

1.1 六分力試驗(yàn)方法

（1）試驗(yàn)充氣壓力。根據(jù)測試車型輪胎的額定充氣壓力來確定，試驗(yàn)過程中保持不變。

（2）試驗(yàn)負(fù)荷。通常，在小角度轉(zhuǎn)向主觀評價時，車輛的橫向加速度不超過0.2g（g為9.80 m·s-2），在此范圍內(nèi)，輪胎負(fù)荷轉(zhuǎn)移，輪胎負(fù)荷分別是前輪靜態(tài)負(fù)荷的80%和120%。極限操縱時，車輛的橫向加速度不超過0.6g，在此范圍內(nèi)，輪胎負(fù)荷分別為前輪靜態(tài)負(fù)荷的40%和160%。

以某車型為例，該車輛前軸承重726 kg，后軸承重510 kg。前軸單輪負(fù)荷＝前軸承重/2＋駕駛員體重/2＝726/2＋75/2＝400.5（kg）；后軸單輪負(fù)荷＝后軸承重/2＝510/2＝255（kg）。

車輛橫向加速度為0.6g，則轉(zhuǎn)向前軸載荷轉(zhuǎn)移時，前輪最大負(fù)荷＝400×1.6＝640（kg），前輪最小負(fù)荷＝400×0.4＝160（kg），后輪最大負(fù)荷＝255×1.6＝408（kg），后輪最小負(fù)荷＝255×0.4＝102（kg）。前輪對車輛操縱性能的影響遠(yuǎn)大于后輪，因此確定試驗(yàn)負(fù)荷時以前輪負(fù)荷為基準(zhǔn)。

據(jù)此，可確定試驗(yàn)負(fù)荷分別為前輪靜態(tài)負(fù)荷的40%，80%，100%，120%和160%。

（3）試驗(yàn)速度。根據(jù)平帶式輪胎六分力試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)?zāi)芰?，綜合考慮整車使用工況，試驗(yàn)速度定為80 km·h-1。

（4）縱向滑移率。通常輪胎的縱向滑移率為8%～15%時，其縱向力達(dá)到峰值，縱向滑移率為80%時，其縱向力達(dá)到穩(wěn)定?？v向滑移率達(dá)到80%時需考慮電子穩(wěn)定系統(tǒng)（如ABS）失靈時輪胎的抓著性能。本試驗(yàn)縱向滑移率范圍為－80%～80%。

（5）輪胎側(cè)傾角。車輛側(cè)傾角需考慮駕駛員體重的影響及側(cè)傾角與前束角的配合，一般為0.05°～0.15°。駕駛員坐入車內(nèi)時，輪胎與地面應(yīng)該垂直。

（6）側(cè)偏角。車輛側(cè)偏角取值為0°，2°，4°。側(cè)偏角為4°時對應(yīng)的側(cè)向加速度約為0.6g。側(cè)偏角掃描范圍為－20°～20°。

（7）側(cè)偏角掃描速度。車輛操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)取小角度轉(zhuǎn)向，輪胎轉(zhuǎn)向速度約為4（°）·s-1，極限操作時為12（°）·s-1。蛇形試驗(yàn)方向盤速度為90（°）·s-1，一般車輛轉(zhuǎn)向比為15～16.5，換算至輪胎轉(zhuǎn)向速度為6（°）·s-1。本試驗(yàn)為減少輪胎磨損，保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，將側(cè)偏角掃描速度定為12（°）·s-1。

輪胎六分力試驗(yàn)條件如表1所示。

表1 輪胎六分力試驗(yàn)條件

1.2 試驗(yàn)結(jié)果及輪胎模型

根據(jù)上述試驗(yàn)方法進(jìn)行輪胎六分力測試。為了消除試驗(yàn)過程中輪胎磨損的影響，每個品牌需要6條輪胎，部分試驗(yàn)結(jié)果如圖1—4所示。

從圖1—4可以看出，3個品牌輪胎的側(cè)向力峰值、回正力矩以及縱向力等影響整車操縱性的關(guān)鍵數(shù)據(jù)存在明顯差異。

圖1 輪胎側(cè)向力與側(cè)偏角關(guān)系曲線

輪胎模型可分為純經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、理論模型和半?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。Magic Formula（MF/PAC模型）屬于純經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停渚热Q于試驗(yàn)數(shù)據(jù)及對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與擬合。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，MF/PAC2002模型適用于描述輪胎在光滑路面上的特性，適用如下工況仿真：穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向、單移線和雙移線、轉(zhuǎn)向減速、不同摩擦因數(shù)路面剎車、J-轉(zhuǎn)向和類似工況、ABS剎車等。

圖2 輪胎回正力矩與側(cè)偏角關(guān)系曲線

圖3 輪胎縱向力與縱向滑移率關(guān)系曲線

本研究采用的輪胎模型為MF/PAC2002模型。

2 整車模型

整車車型為某國產(chǎn)SUV，根據(jù)整車試驗(yàn)數(shù)據(jù)在Carsim軟件中建立虛擬整車模型。

整車模型系統(tǒng)如圖5所示。

圖4 輪胎側(cè)向力與縱向滑移率關(guān)系曲線

圖5 Carsim軟件中整車模型系統(tǒng)

除了輪胎六分力特性，整車模型還要考慮整車質(zhì)心及轉(zhuǎn)動慣量特性、懸架的K&C特性，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性均對整車操縱穩(wěn)定性有很大影響，懸架的K&C特性決定車輪是否有合理的前束角、外傾角變化規(guī)律，最終表現(xiàn)為橫擺角速度響應(yīng)，受多個參數(shù)（如縱向力、側(cè)向力、回正力矩、車身側(cè)傾和輪胎跳動等）影響并相互關(guān)聯(lián)[1]。

2.1 懸架的K&C試驗(yàn)

懸架的K&C試驗(yàn)包含多項(xiàng)內(nèi)容，其試驗(yàn)臺如圖6所示。

圖6 懸架K&C試驗(yàn)臺

試驗(yàn)中對Carsim建模有意義的項(xiàng)目包括垂向輪胎跳動試驗(yàn)、車身側(cè)傾試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向測試-發(fā)動機(jī)開、縱向力測試、側(cè)向力測試-反向加載、回正力矩測試-反向加載。

2.2 整車質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量特性

整車質(zhì)量為1 626.39 kg，整車質(zhì)心的X，Y和Z坐標(biāo)分別為－1 274.27，63.40和663.34 mm，整車?yán)@質(zhì)心X，Y和Z方向的轉(zhuǎn)動慣量分別為732.2，2 596.8和2 814.2 kg·m2，整車?yán)@質(zhì)心處任兩軸的慣性積Ixy，Ixz，Iyz分別為34.4，－81.8和26.1 kg·m2。

2.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.4 整車建模

設(shè)立整車車身參數(shù)、懸架系統(tǒng)參數(shù)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)。整車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)模塊如圖7所示。

圖7 整車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)模塊

3 仿真

參照GB/T 6323—2014及后續(xù)主觀評價試驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)行蛇形試驗(yàn)、非國標(biāo)的變道試驗(yàn)（變道試驗(yàn)）、轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)（包含角脈沖試驗(yàn)和角階躍試驗(yàn)）、穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向回正性試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向盤中間位置操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)、轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)和橫風(fēng)穩(wěn)定性試驗(yàn)。

以蛇形試驗(yàn)為例，過程如下。

（1）仿真方法。行駛速度（基準(zhǔn)車速）為65 km·h-1，以駕駛員預(yù)瞄路徑方式控制車輛繞樁。蛇形布樁如圖8所示。蛇形繞樁工況仿真如圖9所示。

圖8 蛇形布樁示意

圖9 蛇形繞樁工況仿真

（2）評價指標(biāo)。按基準(zhǔn)車速下的平均橫擺角速度峰值（r）與平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角峰值（θ）進(jìn)行評價計分。

蛇形工況指標(biāo)對比如表3所示。其中，r、θ和車身側(cè)傾角越小說明蛇形試驗(yàn)繞樁時的操縱性和安全穩(wěn)定性越好。

表3 蛇形工況指標(biāo)對比

從表3可以看出，輪胎A的綜合性能最好。

（3）評分計算。仿真項(xiàng)目客觀評價各項(xiàng)得分均按照Q/CT 480—1999《汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評價方法》計算。

橫擺角速度峰值的評價指標(biāo)（Nr）為

式中，r60為r的下限，r100為r的上限。

轉(zhuǎn)向角峰值的評價指標(biāo)（Nθ）為

式中，θ60為θ的下限，θ100為θ的上限。

蛇形試驗(yàn)的綜合評價指標(biāo)（Ns）為

本試驗(yàn)中，對最大總質(zhì)量不大于2.5 t的轎車、客車和貨車車型，其r60和r100分別為25和10（°）·s-1，θ60和θ100分別為60°和180°。

根據(jù)公式（1）—（3）可得仿真項(xiàng)目蛇形工況客觀評價各指標(biāo)得分，如表4所示。

表4 仿真項(xiàng)目蛇形工況客觀評價各指標(biāo)得分

采用類似方法，可得其他仿真項(xiàng)目客觀評價各指標(biāo)得分，如表5所示。

表5 其他仿真項(xiàng)目客觀評價各指標(biāo)得分

4 主觀評價及一致性驗(yàn)證

主機(jī)廠目前仍以車手的主觀評價作為對輪胎操縱性能的最終評判手段。為了驗(yàn)證上述客觀評價指標(biāo)的可靠性，本研究由經(jīng)驗(yàn)豐富的車手進(jìn)行3組輪胎的操縱性能主觀評價試驗(yàn)。

項(xiàng)目主觀評價得分如表6所示。仿真與主觀評價一致性驗(yàn)證如表7所示。從表7可以看出，仿真與主觀評價結(jié)果的一致性良好。

表6 項(xiàng)目主觀評價得分

表7 仿真與主觀評價一致性驗(yàn)證

5 結(jié)語

本研究建立了整車操縱性能仿真客觀評價體系，經(jīng)與主觀評價對比，具有一定的可靠性。

研究中需要注意：仿真應(yīng)盡可能與試驗(yàn)條件一致，關(guān)鍵的輪胎六分力試驗(yàn)工況應(yīng)與輪胎實(shí)際使用工況一致；整車模型尤其是與操縱性密切相關(guān)的懸架K&C參數(shù)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)應(yīng)通過試驗(yàn)測量。