轮胎力和力矩建模、试验与仿真

综述轮胎力和力矩的各种表征方法和用于汽车动力学仿真的轮胎模型,包括简单物理模型、半经验模型和结构化模型。指出汽车工业对轮胎力和力矩的要求和车辆动力学仿真对轮胎模型的要求。比较轮胎力和力矩的测试设备和测试方法并分析侧向力、回正力矩等外特性曲线特征。基于混合拉格朗日-欧拉有限元理论(MLE),提出一种从轮胎结构设计出发直接预报轮胎力和力矩的方法。结合某轿车子午线轮胎和两款轻型载重子午线轮胎,研究了接地压力、侧向剪切力以及不同负荷下的侧向力及回正力矩随侧偏角的变化情况,并指出胎面刚度主要控制侧偏刚度和回正刚度,而地面摩擦系数主要控制峰值侧向力和峰值回正力矩,仿真结果与试验数据吻合程度良好,侧偏刚度误差为6.7%,回正刚度误差为16.3%,从而证明MLE方法的正确性。本工作证明直接从轮胎结构设计出发预报其力和力矩特性是可行的。     

215/45R17轿车子午线轮胎侧偏特性仿真分析

采用ABAQUS有限元分析软件对215/45R17轿车子午线轮胎进行侧偏特性仿真模拟,探讨垂直负荷、充气压力、速度和带束层设计角度对轮胎侧向力和回正力矩的影响。结果表明：垂直负荷和充气压力的影响较大,而速度和带束层设计角度的影响较小;随着垂直负荷的增大,侧向力增大,回正力矩的最大值也增大;随着充气压力的提高,回正力矩的最大值减小。     

395/85R20 TRY66轮胎纯侧偏特性仿真与试验对比研究

采用Abaqus有限元分析软件对395/85R20 TRY66轮胎进行静态加载及纯侧偏条件下的仿真模拟,结合试验数据,对充气压力和负荷下轮胎的侧偏角与侧向力、回正力矩之间的关系进行讨论,同时探讨了轮胎带束层残余回正力矩和残余侧向力对车辆操控稳定性和安全性的影响.结果显示,在轮胎产品设计的初始阶段,仿真技术可以发挥重要作用.     

不同测试方法下的轮胎性能评价函数值研究

以235/55R19轿车子午线轮胎为例,采用稳态力和力矩试验法与动态侧偏扫掠法进行对比试验,并计算轮胎的性能评价函数值。结果表明：稳态力和力矩试验法得到的侧偏角为1°,4°时的侧向力函数（F函数）、负荷转移敏感度函数（G函数）、回正力矩函数（AT函数）值随垂向负荷呈线性变化,趋势与动态侧偏扫掠法基本一致;但动态侧偏扫掠法回正力矩波动大,导致AT函数值随垂向负荷的增大而波动大;稳态力和力矩试验法与动态侧偏扫掠法下的F函数值和H函数值差异较小,但差异随着垂向负荷的增大而增大; 2种方法的G函数值和AT函数值差异均较大。     

子午线轮胎稳态滚动侧偏特性有限元分析

依据子午线轮胎的实际结构,考虑轮胎与轮辋的接触,借助MSC MARC有限元分析软件,建立了轮胎的平面轴对称模型和三维有限元分析模型。首先,利用平面模型分析了轮胎与轮辋的装配过程和充气过程。然后,为简化计算量,利用轴对称到三维的分析方法,分析了轮胎在垂直载荷作用下的接地问题和在侧偏条件下低速稳态滚动过程。给出了轮胎与地面、轮辋接触界面上的法向力分布;在不同侧偏角下轮胎最低断面的变形情况,并探讨了不同负荷、气压、摩擦系数对侧向力、回正力矩与侧偏角关系的影响。     

11R22.5公交专用子午线轮胎的设计及其侧偏特性仿真

介绍11R22.5公交专用子午线轮胎的设计及其侧偏特性仿真情况。轮胎外直径和断面宽分别取1054和280mm,胎圈着合直径取571.5mm,采用低噪声RT606胎面花纹;胎体采用3＋8＋13×0.18＋0.15HT钢丝帘线;带束层为4层结构,1#带束层采用3×0.20＋6×0.35HT钢丝帘线,2#和3#带束层采用3＋9＋15×0.22＋0.15钢丝帘线,4#带束层采用5×0.35HI钢丝帘线;采用六角形钢丝圈。有限元分析结果表明,轮胎接地形状接近椭圆,压力分布比较均匀;侧偏角（α）不超过5°时侧向力（Fy）和α呈线性关系,α在10°附近时Fy达到峰值;α为2°~4°时回正力矩（Mz）达到峰值,随着α的进一步增大Mz迅速减小;轮胎的侧偏特性受轮胎与地面间摩擦系数的影响;侧倾角对Fy影响很小,对Mz影响显著。     

轿车子午线轮胎侧向松弛长度的仿真分析

对215/60R17 96H DH16S轿车子午线轮胎进行侧向松弛长度的仿真分析。结果表明：采用两种仿真方法[对轮胎与轮辋同时施加瞬时侧偏角（简称方法1）和仅对轮辋施加瞬时侧偏角（简称方法2）]可以得到不同的轮胎侧向松弛长度,方法2结果与试验结果的吻合度更高;随着负荷的增大,轮胎侧向力的最大值和侧向松弛长度均增大;随着充气压力的增大,轮胎侧向力最大值变化不大,侧向松弛长度减小。     

小侧偏角下轮胎残余回正力矩算法的研究

在轮胎小侧偏角范围(±2°)内,应用线性分析法和多项式拟合曲线法对角度效应残余回正力矩(PRAT)和锥度效应残余回正力矩(CRAT)的测定数据进行分析,通过交叉验证法对1—9阶多项式拟合数据进行判断。结果表明,当侧偏角范围分别为±2°,±1°和±0.5°时,轮胎侧向力和回正力矩分别采用5阶多项式、3阶多项式和线性或2阶多项式拟合方差最小,可求得准确的PRAT和CRAT。     

轮胎侧偏刚度及力的特征函数的分析

介绍轮胎侧偏刚度及力的特征函数及其应用。结果表明：随着轮胎侧偏刚度的增大，车辆在任何给定横向加速度下所需的侧偏角减小，车辆操控稳定性能更好；在匹配轮胎和车辆的操控稳定性时，可以通过侧偏角为1°时的轮胎侧向力系数、负荷灵敏度和侧偏角为4°时的轮胎负荷转移灵敏度的特征值进行轮胎结构、花纹、配方的优化，筛选出合理的设计方案；车辆稳定性系数越大，车辆不足转向性能越好。     

带束层结构对载重子午线轮胎侧偏特性的影响

以345/85R16轻型载重子午线轮胎为研究对象分析带束层结构对载重子午线轮胎侧偏特性的影响。结果表明:带束层结构对载重子午线轮胎的侧偏特性影响十分显著,主要体现在纯侧偏条件下对侧向力(Fy)和回正力矩(Mz)以及纯侧倾条件下对Fy的影响;纯侧偏条件下,交叉带束层结构轮胎的侧偏刚度和回正刚度比零度缠绕带束层结构轮胎大得多;纯侧倾条件下零度缠绕带束层结构轮胎的侧倾刚度比交叉带束层结构轮胎大;纯侧偏和纯侧倾条件下,交叉带束层结构轮胎的翻转力矩与零度缠绕带束层结构轮胎几乎一致。     

轮胎力和力矩建模、试验与仿真（续完）

（接上期） 5汽车轮胎力和力矩试验 汽车轮胎六分试验是进行轮胎结构设计和车辆性能优化的常规步骤[1]。尽管测试设备的成本高昂,但试验手段目前依然是整车研究开发应用最为直接的方法。此外由前面对轮胎一车辆建模的相关讨论可知,试验手段对各种轮胎模型的参数确定也具有至关重要的作用。     

子午线轮胎稳态滚动的有限元分析

以子午线轮胎11.00R20为例,考虑轮胎变形的几何非线性,以及轮胎与地面、轮胎与轮辋的大变形非线性接触等,建立子午线轮胎稳态滚动的有限元分析模型。对轮胎进行了静负荷工况以及稳态滚动工况下的受力分析、接地特性分析等。并提取了轮胎的滚动半径。研究结果有利于了解轮胎的力学特性,以便进一步优化轮胎结构,提高轮胎性能。     

实心轮胎温度场的有限元分析

应用ANSYS有限元分析软件模拟履带车辆实心橡胶轮胎在不同工作条件下的力学场,以模拟结果计算节点生热率,再将节点生热率导入合理假设的温度场有限元模型,模拟得到轮胎的温升规律.结果发现,轮胎的最高温度随着载荷、速度和损耗因子增大而提高,但随着导热系数增大而降低.     

载重子午线轮胎接地特性的有限元分析

采用Abaqus有限元分析软件建立11.00R20载重子午线轮胎与地面接触的三维有限元模型,研究轮胎的接地特性。结果表明:充气压力越高,轮胎接地区域应力出现中心低、边缘高翘曲现象的负荷值越大;下沉量增大,轮胎接地印痕从椭圆变为矩形,高压区由胎冠处移动到胎肩处;在各种工况中,轮胎静态接地面积最大;自由滚动时随着速度提高,轮胎接地印痕纵轴变长、横轴变短,但是接地面积增大,总接地反力也增大;摩擦因数对轮胎的自由滚动半径影响较小,但摩擦因数越大,纵向剪切应力越大,胎面越容易磨损;随着侧偏角增大,接地高压区逐渐向一边移动,接地印痕变为三角形。     

Finite element analysis of steady rolling tyre with slip angle: effect of belt angle

Abstract

The purpose of the present research was to study the effect of different belt angles on the steady state rolling behaviour of a steel belted radial tyre with slip angle. To achieve this goal, a finite element model has been developed using ABAQUS computer software. The simulation started with an axisymmetric model to analyse the tyre under inflation pressure. Then a full 3D model was generated to model the tyre under static vertical load. Having obtained the tyre configuration under contact load, a steady state rolling analysis was conducted using a mixed Lagrangian/Eulerian technique. The final stage of the modelling was the inclusion of the slip angle in the model. Each set of simulations was repeated for three belt angles and the effect of the belt angle variation on the tyre structural variables, including contact pressure and area, lateral force, interlayer shear stress and total strain energy was examined. In addition, the computed value of the number of revolutions per kilometre was compared with experimentally reported data which confirms the accuracy of the present model.     

汽车轮胎六分力特性预测研究进展

回顾汽车轮胎六分力测试技术和汽车轮胎模型及预测研究的发展,介绍和评述了轮胎六分力的建模方法和预测机理,总结了轮胎六分力特性预测的核心问题和发展方向。不同负荷条件下的轮胎纯侧偏或纯纵滑六分力特性预测,以及基于纯工况试验数据预测复合滑移特性已经取得一些研究成果,但模型预测范围和精度均有待提升;具有预测能力的轮胎模型可减少试验量,在产品开发效率和成本控制上均具有应用前景;高精度、高计算效率和低成本、短周期,以及可反映设计参数变化的轮胎模型研究是模型发展的重要方向。     

计及胎面花纹的子午线轮胎接地性能有限元分析

采用Abaqus软件建立带有部分胎面花纹的三维轮胎有限元模型,模拟研究不同工况下子午线轮胎的接地性能.研究结果表明：轮胎在静负荷和自由滚动工况下应力分布相似,沿轮胎中分面基本对称,最大应力在胎肩部位;在驱动工况下,高应力区向轮胎前进的反方向扩展,制动工况与此相反;在斜坡路面的应力分布与自由滚动时相似,但最大应力有所提高;侧偏滚动工况下的应力主要分布在轮胎的中分面及与侧偏方向相同的一侧,应力值明显提高.