UniTire统一轮胎模型

UniTire模型是用于车辆动力学仿真和控制的非线性非稳态轮胎模型,能够准确描述轮胎在复杂工况下的力学特性。UniTire模型以理论模型为基础,采用无量纲的表达形式,具有统一的滑移率定义;统一的无量纲印迹压力分布表达;统一的各向轮胎力无量纲建模;统一的各向摩擦系数表达;无量纲边界条件的统一满足;不同速度下轮胎模型的统一表达;稳态与非稳态特性的统一;侧倾、转偏作用与侧偏特性的统一。不仅能够对各种工况下的轮胎力学特性进行高精度的表达,还具有良好的外推能力和预测能力,能够对复合工况、不同路面和不同速度下的轮胎特性进行准确的预测。本研究围绕UniTire的建模思想,介绍UniTire建模的理论基础、稳态和非稳态模型以及模型的表达和预测能力并进行试验验证。     

磨损对轮胎侧偏刚度和回正刚度影响的研究

基于轮胎六分力测试结果,研究不同磨损状态下轮胎的侧偏力学特性,得出轮胎侧偏特征参数随着轮胎磨损量的变化规律。通过建立胎面磨损模型阐明轮胎磨损特性变化的机理,得到胎面刚度与磨损量的表达式,之后根据该表达式和考虑轮胎磨损状态的轮胎刷子模型,建立考虑胎面磨损的轮胎复杂刷子模型。通过模型推导得到磨损量与轮胎侧偏刚度、回正刚度的关系,以该关系为UniTire轮胎模型的建模基础表达公式,建立考虑磨损的UniTire侧偏模型。为验证模型的正确性,采用3种磨损状态的侧偏数据进行参数拟合,得到考虑磨损的UniTire侧偏模型,并预测其他2种磨损状态下的轮胎侧偏特性。预测模型的仿真结果与试验结果之间的误差较小,有效证明了考虑磨损的UniTire侧偏模型的预测能力。本研究有助于完善UniTire轮胎模型,为UniTire模型室内外扩展应用提供理论和技术支持。     

对接路面轮胎瞬态侧偏特性研究

对接路面轮胎瞬态侧偏特性对于车辆方向稳定性至关重要。通过仿真与试验的手段研究对接路面轮胎瞬态侧偏特性及其机理。建立用于对接路面轮胎瞬态侧偏特性仿真的轮胎模型,通过考虑胎体复杂弹性变形,并将印迹区域内胎面单元离散处理,得到轮胎滚动过程中胎面单元的变形特性,推导出基于胎面变形的轮胎力和力矩的一般表达式。利用高-低附对接路面台架试验数据对模型进行了验证。通过仿真研究对接路面轮胎瞬态侧向力和回正力矩特性,深入分析对接路面轮胎瞬态侧偏力学特性机理以及轮胎胎体弹性、轮胎侧偏角和摩擦因数阶跃幅值对这一特性的影响。分析结果表明,胎体侧向平移刚度对侧向力松弛特性影响很显著。胎体平移刚度越大,侧向力松弛长度越短。研究工作有助于对接路面工况轮胎瞬态特性半经验建模以及车辆在对接路面上的方向稳定性分析和相关控制策略开发。     

基于加速度变化率的轮胎等效侧偏刚度估计方法

等效侧偏刚度精确地反映了轮胎的侧偏特性,是汽车操纵稳定性研究中的重要参数。为此提出了基于加速度变化率的汽车轮胎等效侧偏刚度估计方法。采用三自由度汽车动力学模型,把前后轮侧向力的时间变化率表示为加速度变化率的函数。利用轮胎力学特性理论推导出瞬时等效侧偏刚度的估计公式,在汽车纵向加速度为稳态的条件下,利用轮胎侧向力的时间变化率和轮胎侧偏角的时间变化率来估算轮胎瞬时等效侧偏刚度。通过ADAMS软件的整车常半径转向虚拟试验对估计方法进行了验证。虚拟试验结果表明提出的方法具有较好的估计精度。     

胎压载荷耦合效应下复合工况UniTire轮胎模型

胎压的变化会显著地影响轮胎力学特性,进而影响车辆的操纵稳定性,而当前关于胎压对复合工况轮胎力学特性影响的研究还较为匮乏。为描述不同胎压下的复合工况轮胎力学特性,建立考虑胎压影响的UniTire复合工况轮胎模型。通过试验观察和理论模型分析相结合的方法,揭示胎压和载荷耦合效应对轮胎侧纵向滑移刚度等关键力学特性的影响规律及其机理。进一步通过分析胎压载荷耦合影响下复合工况轮胎接地印迹内总切力方向的变化规律,完善总切力方向因子表达式,建立考虑胎压载荷耦合影响的复合工况轮胎模型。利用轮胎试验数据对模型进行广泛验证,结果表明所建立的UniTire复合工况模型能精确地描述大范围胎压和载荷变化下的轮胎力学特性。     

考虑轮胎侧偏特性的赛车转向几何研究

为了提高赛车轮胎侧向附着合力及转向极限侧向加速度,提出了一种考虑轮胎侧偏特性的转向几何。通过分析轮胎侧偏角的影响,确定了整车转向瞬心位置,并建立了三自由度整车模型。结合轮胎力学模型,以最大化整车轮胎侧向附着合力为目标,采用隔代映射遗传算法对考虑轮胎侧偏特性的转向几何进行求解。整车仿真和试验结果表明,相比阿克曼转向几何,考虑轮胎侧偏特性的转向几何可以更有效地增大整车轮胎的侧向附着合力,提高赛车在极限工况下的转弯性能。     

考虑转向速度的汽车操纵稳定性分析

汽车转向时前轮的转向速度对汽车的操纵稳定性具有确实的影响.通过动力学分析建立汽车的操纵稳定性的3自由度模型,提出考虑转向速度时的轮胎侧向力模型,推导出前轮转角输入与相应输出之间的传递函数矩阵,使用传递函数矩阵估计方法对与轮胎侧偏角加速度、侧偏角速度和侧偏角等相关的轮胎侧偏特性参数进行辨识和计算.试验数据验证了实车的整车模型和轮胎侧向力模型有很高的准确性.分析转向速度对汽车的操纵稳定性的影响,结果表明前轮的转向速度在一定范围内对汽车侧向加速度、横摆角速度和车身侧倾角有明显的影响,而且程度各不相同,正常转向时,转向速度的变化对汽车的动力学特性有较大的影响.     

轮胎稳态运动学与六分力预报Ⅰ:理论与方法

提出一种新的轮胎运动学描述和六分力预报理论。滚动接触是汽车轮胎力学、轮轨动力学的核心问题,由于涉及刚体转动与有限变形,滚动接触运动学与动力学的描述与求解非常困难。用拉格朗日—欧拉混合描述法分析大变形滚动接触结构的速度场、加速度场和接触变形。以车轮定位角为卡尔丹角,用拉格朗日描述,得到了包含刚体转动和弹性变形的轮胎速度场。而接触区域的变形和受力用欧拉描述,通过欧拉网格和拉格朗日网格的信息传递,完成滚动结构动力学分析。所提出的理论可以退化到Fiala模型,并可以从理论上解释子午线轮胎的伪侧偏和伪侧倾现象。基于所建立的运动学理论和非线性有限元,建立轮胎六分力预报方法。针对某轿车子午线轮胎,分析轮胎接地面滑移速度、接地面积、接地压力、侧向剪力分布等随着侧偏角的变化规律,并研究该轮胎侧偏力和回正力矩随着胎面刚度和摩擦因数的参数敏感性。结果表明轮胎侧偏刚度和回正刚度主要受结构刚度控制,而峰值侧偏力和峰值回正力矩主要受摩擦因数控制。将利用所建立的方法和试验,探讨带束层结构对大规格子午线轮胎侧偏特性的影响规律,进一步验证所提出的理论和方法的正确性。所提出的理论和方法开辟了直接从轮胎设计预报轮胎六分力的新途径。     

矿用汽车整车稳态转向特性建模分析

准确的整车模型对车辆稳态转向特性研究具有重要影响,综合考虑具体研究的内容和计算分析的复杂程度,以四自由度的车辆模型为基础对矿用汽车的稳态转向特性进行分析。建立矿用汽车所采用的18.00-25工程轮胎的侧偏特性模型,用于车辆操纵稳定性分析;在前后悬架侧倾特性分析的基础上,建立了整车稳态转向工况的分析模型,以车身侧倾时各轮垂向载荷重新分配的情况为依据,研究车辆悬架对稳态转向特性的影响;通过几何图解方法分析车架扭转对整车侧倾的影响;对车辆的稳态转向特性进行评价。结果表明:车架对操纵稳定性的影响程度随车辆侧向加速度的增大而增大,且适当提高车架刚度有利于改善操控稳定性;该车中性转向点侧向加速度和不足转向度基本能够满足要求,车身侧倾度与普通车辆相比较小。     

轮胎稳态侧倾力学特性理论建模

研究了轮胎侧倾建模机理,并在此基础上导出了轮稳仿而倾的侧向力、回正力矩、纵向阻力和翻转力矩特性表达式。讨论了车轮定位时侧倾角与前束角的关系,引入了有效侧倾角概念,并基于此给出了子午线轮胎比斜交轮胎侧倾侧向力小的理解解释。     

基于自适应FFRLS的汽车前后轴侧偏刚度估计

汽车前、后轴侧偏刚度与汽车的操纵特性紧密联系,是汽车动力学控制中的重要参数。受轮胎特性变化的影响,在汽车使用中线性侧偏刚度发生变化。针对传统估计方法不利于在量产汽车上应用的问题,在车载传感器配置的基础上,提出应用自适应遗忘因子递推最小二乘方法(Forgetting-factor recursive least square method,FFRLS)的前、后轴线性侧偏刚度估计方法。设计出在制动工况下对轮胎特性变化具有鲁棒特性的侧向速度观测方法,由此计算估计模型中的前、后轴侧偏角。提出并应用最大侧向力计算估计模型中的前、后轴侧向力。通过设定合适的估计触发条件实现基于工况的在线参数估计。基于veDYNA的仿真结果表明在轮胎侧偏刚度突变时自适应FFRLS方法相比普通FFRLS方法参数能够更快地收敛。最后在驾驶员在环混合仿真平台环境下,针对触发条件受限的工况通过实时仿真验证了估计算法的有效性。     

基于“魔术公式”的轮胎动力学仿真分析

运用"魔术公式"在Matlab/simulink环境下建立了轮胎动力学模型,并分别在纯制动、纯转弯和制动、转弯联合这3种工况下,对其进行仿真分析。得到了各工况下轮胎纵向力、侧向力与纵向滑移率、侧偏角和垂直载荷之间的关系图、联合工况下的纵向力与侧向力关系图。并考虑了轮胎侧倾角对轮胎力学特性的影响,得到了更精确的在联合工况下的侧向力与滑移率的关系。     

机械弹性车轮结构参数对汽车侧翻稳定性的影响

为深入研究机械弹性车轮（MEW）的结构参数对汽车侧翻稳定性的具体影响,利用刷子理论模型建立了MEW稳态侧偏简化理论模型,利用理论、试验以及数值仿真等方法,分析了结构参数（包括几何参数和材料参数）对MEW侧偏特性的具体影响。以改进的载荷转移率作为侧翻稳定性的评价指标建立了匹配MEW的整车非线性3-DOF侧翻预测模型,研究了车轮侧偏力学特性对侧翻稳定性的具体影响规律。结果表明：铰链组结构参数对侧偏特性影响较小,适当增大弹性环分布高度、减小輮轮断面高宽比和初始剪切模量可以增大车轮侧偏刚度和侧向力峰值,进而提高匹配机械弹性车轮汽车的侧翻稳定性。     

轮胎非稳态侧偏特性对汽车操纵性的影响

以考虑胎体复杂变形的轮胎非稳态侧偏特性理论模型为基础,建立考虑轮胎非稳态侧偏特性的角输入汽车模型,分析轮胎非稳态侧偏特性对汽车操纵性的影响。     

技术文摘专栏

轮胎静态及侧偏刚度有限元分析 【摘要】：考虑子午线轮胎的材料非线性、接触非线性以及大变形等复杂的力学特性,采用Abaqus软件建立轮胎三维有限元分析模型,研究充气压力和负荷对轮胎静态刚度（径向刚度、侧向刚度、纵向刚度、扭转刚度）和稳态侧偏刚度的影响,并给出了相应的负荷与变形之间的关系。     

考虑横向载荷转移的4WID-EVs侧向力及侧偏刚度估计

针对分布式电驱动汽车轮胎侧向力和侧偏刚度不易测量的问题,考虑到车辆横向载荷转移,结合无迹卡尔曼滤波和扩展卡尔曼滤波优点,设计了双卡尔曼滤波观测器分别估计轮胎侧向力和侧偏刚度。建立7自由度车辆模型,基于无迹卡尔曼滤波算法设计轮胎力观测器,并以此作为侧偏刚度观测器的输入;基于扩展卡尔曼滤波算法设计了轮胎侧偏刚度观测器;最后,在MATLAB/Simulink环境下仿真分析,结果表明在不同行驶工况下该观测器均能够有效估计出轮胎侧向力和侧偏刚度。     

轮胎胎体轮廓设计对侧偏刚度的影响研究

以某205/55R16型轿车子午线轮胎为研究对象,利用ABAQUS建立计及复杂花纹的轮胎稳态侧偏滚动3D有限元分析模型,并通过侧偏特性转鼓试验验证仿真模型的可靠性。为研究胎体轮廓设计对轮胎侧偏刚度的影响,以胎体弦平衡轮廓理论为基础,提出带束层压力分担率简化为梯形的修正胎体弦平衡轮廓理论,编制轮廓计算程序。结合仿真模型,从接地特性和侧偏刚度的角度与现行设计轮胎作对比分析;进而设计出不同带束层压力分担率的胎体轮廓,仿真研究不同带束层压力分担率下胎体轮廓设计对轮胎侧偏刚度的影响。结果表明,应用胎体弦平衡轮廓修正理论设计的轮胎接地面积略有增大,接地压力偏度值下降;接地特性的改善使轮胎的侧偏刚度得到提升,有利于轮胎的操纵性能;不同带束层压力分担率的胎体轮廓对轮胎的侧偏刚度具有一定的影响。     

考虑轴头驱动和侧倾力矩的轮胎接地性态建模

采用欧拉梁和侧向分片的方法模拟轮胎侧向变形特性,利用二元傅里叶级数构造带束层单元的位移场,胎面横截面外轮廓设定为二次函数,建立了基于驱动力矩和侧倾力矩的轮胎三维接地性态解析计算模型。结合轮胎刷子模型计算了轮胎的纵向力和侧向力,并进行了验证。结果表明,模型具有较高的精度和效率。研究结果可为研究轮胎磨损和轮胎力学特性提供更为精确的三维接地压力分布解析模型,并为轮胎物理模型的解析研究提供新的思路和方法。     

子午线轮胎静态侧倾性能有限元分析及试验研究

采用三维非线性有限元分析方法,在模型中考虑了轮胎的几何非线性、材料非线性以及轮胎接触非线性,计算了子午线轮胎195/60R14在不同角度侧倾接地时的变形情况,与试验结果进行了比较。分析了轮胎在静态不同角度侧倾接地状况下载荷-下沉量变化、接地区压力分布、接地区摩擦力分布、侧倾侧向力-侧倾角变化关系;采用连续加载-卸载方式,开展了轮胎侧倾接地试验,实时记录了轮胎受力与变形关系,采用压力敏感膜测量了轮胎侧倾接地时的接地区压力分布状况。结果表明,轮胎侧倾接地状况下的变形及接地区压力分布趋势的计算结果与试验测试结果一致。     

轮胎非稳态侧偏特性非线型仿真模型

在稳态指数统一模型的基础上,根据动态过程有效滑移率的微分表达,建立轮胎非稳态侧偏特性非线性仿真模型。在实验中发现当用有效滑移率和准稳态要领来计算回正力Ｄｘ时,有滑移超前而加正力滞后现象,该现象可以通过一个一阶滤波器来表达。模型的计算结果与实验结果对比,表明该模型可以反遇轮胎非线笥侧偏特性,可以用于汽车操纵动力学研究。