輪胎側(cè)偏特性對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響分析

祝學(xué)亮，侯致武，柴榮軍

(延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院，陜西 西安 710100)

輪胎側(cè)偏特性對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響分析

祝學(xué)亮，侯致武，柴榮軍

(延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院，陜西 西安 710100)

輪胎側(cè)偏特性是輪胎重要力學(xué)特性。通過(guò)數(shù)學(xué)模型和輪胎仿真模型，對(duì)影響輪胎側(cè)偏動(dòng)特性各因素進(jìn)行分析，從而研究輪胎側(cè)偏動(dòng)特性對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響，為增強(qiáng)汽車抵抗外界干擾、準(zhǔn)確響應(yīng)駕駛員操縱指令的能力提供理論依據(jù)。

輪胎側(cè)偏；操縱穩(wěn)定性；數(shù)學(xué)模型；仿真分析

引言

輪胎是汽車的重要組成部件，車輛正常行駛過(guò)程中除了車身受到空氣阻力外，就是通過(guò)輪胎作用于車輛系統(tǒng)的外力了。車輛行駛過(guò)程中，輪胎對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，因此在整個(gè)車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中研究輪胎側(cè)偏特性就具有很重要的作用。本文就是基于二自由汽車模型下分析輪胎側(cè)偏特性對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響。

1. 輪胎側(cè)偏特性概述

1.1相關(guān)概念

由于汽車在行駛中會(huì)受到路面?zhèn)葍A等因素產(chǎn)生的側(cè)向外力的作用，這個(gè)側(cè)向力沿車軸方向作用在車輪中心(見(jiàn)圖1-1)使車輪產(chǎn)生側(cè)向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，此時(shí)來(lái)自地面的側(cè)向附著力即側(cè)偏力與之抗衡，即使外界側(cè)向力沒(méi)有達(dá)到車輪與地面間的附著極限，由于輪胎的彈性特點(diǎn)，輪胎會(huì)產(chǎn)生側(cè)向變形而使車輪傾斜，導(dǎo)致車輪偏離預(yù)定的行駛路線，這種現(xiàn)象就稱為汽車輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象。

如圖1-1所示，側(cè)向力F使輪胎中心線與車輪平面錯(cuò)開(kāi)了一定距離，并且有一個(gè)夾角，這個(gè)夾角就叫做汽車輪胎側(cè)偏角。輪胎發(fā)生側(cè)偏時(shí)，會(huì)使輪胎產(chǎn)生一個(gè)繞OZ軸的回正力矩(見(jiàn)圖1-2)，輪胎側(cè)偏特性就是指?jìng)?cè)偏力和回正力矩與側(cè)偏角的關(guān)系(見(jiàn)圖1-3)。

圖1-1 側(cè)向力Fy與側(cè)偏力FY

圖1-2 側(cè)偏力、側(cè)偏角、回正力矩

圖1-3 輪胎側(cè)偏特性

1.2 輪胎側(cè)偏分類

(1)輪胎穩(wěn)態(tài)側(cè)偏特性

當(dāng)汽車以30～40km/h的速度在良好的路面上行駛時(shí)，汽車橫擺頻率一般低于2Hz，此時(shí)輪胎的行駛狀態(tài)表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)。即使車速較高時(shí)，輪胎在路徑頻率低于0.7rad/min時(shí)側(cè)向輸入而引起的輪胎力(非穩(wěn)態(tài)值)和穩(wěn)態(tài)值差別非常小，故非穩(wěn)態(tài)值可忽略不計(jì)，此時(shí)輪胎的行駛狀態(tài)依然為穩(wěn)態(tài)。

(2)輪胎非穩(wěn)態(tài)側(cè)偏特性

汽車在行駛過(guò)程中，輪胎會(huì)經(jīng)常遇到起步、制動(dòng)、急劇轉(zhuǎn)向、突然橫向風(fēng)響應(yīng)、前輪擺振、緊急超車、躲避運(yùn)動(dòng)等現(xiàn)象，所以車輪大部分時(shí)間處在非穩(wěn)態(tài)工況，表現(xiàn)出典型的非穩(wěn)態(tài)側(cè)偏特性。本文著重研究輪胎非穩(wěn)態(tài)側(cè)偏特性對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響。

2.輪胎側(cè)偏動(dòng)特性數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 建模機(jī)理分析

由于車輪側(cè)向運(yùn)動(dòng)的輸入量的性質(zhì)不同(時(shí)變與非時(shí)變)，所以就導(dǎo)致輪胎的非穩(wěn)態(tài)側(cè)偏特性明顯不同于穩(wěn)態(tài)側(cè)偏特性。在建立輪胎側(cè)偏模型時(shí)，接觸區(qū)域(即印跡)是個(gè)焦點(diǎn)，所以目前應(yīng)用的模型是以印跡變形為基礎(chǔ)的。

2.2 輪胎側(cè)偏動(dòng)特性數(shù)學(xué)模型的建立

(2.1)

式中：F—側(cè)偏力；KU—輪胎側(cè)偏剛度。

根據(jù)輪胎的側(cè)向變形，還可計(jì)算出輪胎的側(cè)向力為：F=Kyy

(2.2)

式中，Ky—輪胎的側(cè)向剛度。

(2.3)

(2.4)

圖2-1 輪胎側(cè)偏動(dòng)特性的變形模型

3.車輛仿真模型

3.1 模型假設(shè)

把整個(gè)輪胎胎面印跡區(qū)分為兩個(gè)區(qū)，一個(gè)滑移區(qū)和一個(gè)附著區(qū)，忽略掉縱向力的影響，不考慮輪的胎動(dòng)摩擦特性，建立二自由度轉(zhuǎn)向模型，如圖4-1所示。規(guī)定所有方向以逆時(shí)針正，并作如下假設(shè)：

(1)汽車在縱向不發(fā)生滑移和滑轉(zhuǎn)，且只有側(cè)向運(yùn)動(dòng)和橫擺運(yùn)動(dòng)兩個(gè)自由度；

(2)忽略空氣動(dòng)力作用，汽車做勻速運(yùn)動(dòng)；

(3)忽略左右輪胎載荷變化和回正力矩的影響。

圖3-1 二自由度轉(zhuǎn)向模型

3.2 模型的建立

圖3-1所示系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程為：

(3.1)

側(cè)向加速度ay、橫擺角速度以及汽車質(zhì)心側(cè)偏角β、橫擺角ψ有如下關(guān)系：

ay+(Fy1+Fy2)/m=V(β&+r)r=Ψ&

(3.2)

前后輪的側(cè)偏角分別為：

(3.3)

因此根據(jù)輪胎的穩(wěn)態(tài)E指數(shù)模型，側(cè)向力為：

(3.4)

其中，i=1，2分別代表前后輪。

汽車的質(zhì)心位置(X，Y)由下式確定：

(3.5)

輪胎側(cè)偏動(dòng)特性用(3.4)式進(jìn)行模擬。仿真時(shí)設(shè)定前輪轉(zhuǎn)角為單周期正弦輸入，頻率為0.7Hz，幅值為5，并不斷改變輪胎的滯后系數(shù)，分別對(duì)車輛低速和高速行駛的運(yùn)動(dòng)軌跡特征進(jìn)行仿真，分析輪胎側(cè)偏特性對(duì)車輛操縱穩(wěn)定性的影響。

4.輪胎對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響分析

圖4-1為低速和高速兩種情況下不同輪胎的車輛相軌線圖(本文采用側(cè)偏角和橫擺角速度這兩個(gè)變量組成的相軌線來(lái)表示車輛的穩(wěn)定狀態(tài))，橫坐標(biāo)為輪胎側(cè)偏角，縱坐標(biāo)為車身橫擺角速度。從圖4-1(a)可以看出，低速時(shí)雖然輪胎的滯后系數(shù)不同，但各條相軌線非常相似，這就說(shuō)明低速時(shí)不同輪胎運(yùn)動(dòng)特性對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響不大。當(dāng)車速提高以后，車輛相軌線明顯與低速時(shí)不同，圖線出現(xiàn)了較大變化，從圖4-1(b)可知，車速在100km/h的情況下，車輛的相軌線明顯偏離穩(wěn)定區(qū)域，處于非穩(wěn)定狀態(tài)，這就說(shuō)明高速時(shí)不同的輪胎運(yùn)動(dòng)特性對(duì)車輛操縱穩(wěn)定性的影響較大。

圖4-1 不同滯后系數(shù)下的車輛相軌線圖

圖4-2是車速為100km/h時(shí)的車輛行駛運(yùn)動(dòng)軌跡圖。由圖可知，如果不考慮輪胎側(cè)偏特性，車輛基本上做的是穩(wěn)定的直線行駛；如果考慮輪胎側(cè)偏特性，即使前輪轉(zhuǎn)角恢復(fù)到0度，車輛仍然以不斷增大橫擺角速度和側(cè)向速度沿曲線做非穩(wěn)態(tài)行駛(圖中軌跡線和橫坐標(biāo)之間的夾角代表車輛橫擺角的大小)。

5.結(jié)論

汽車操縱穩(wěn)定性的很多研究還處于探索和完善階段，本文主要通過(guò)研究模型得到了仿真結(jié)果，分析了輪胎側(cè)偏特性對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響，結(jié)論如下：

(1)輪胎側(cè)偏對(duì)車輛操縱穩(wěn)定性影響較大，車輛操縱過(guò)程的各種失控狀況都能在輪胎側(cè)偏角控制和分布上找到原因。

(2)低速時(shí)輪胎側(cè)偏對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性影響較小，車速較高時(shí)輪胎側(cè)偏對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響較大。

[1]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

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Analysis of the Influence of Tire Side Slip Characteristics on Vehicle Handling Stability

ZHUI Xue-liang，HOU Zhi-wu，CHAI Rong-jun

(Xi'an Innovation College of Yan'an University, Xi'an 710100, China)

Tire side slip characteristics are the important mechanical properties of tire. By means of mathematical model and tire simulation model, this paper analyzes the influence factors of tire side slip dynamic characteristics, so as to study the influence of tire side slip characteristics on the vehicle handling stability, and to provide theoretical basis for enhancing the ability of the vehicle to resist external disturbance and accurately respond to the driver's control instructions.

tire side deviation; handling stability; mathematical model; simulation analysis

2016-10-13

祝學(xué)亮(1986- )，男，大學(xué)，延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院助教，研究方向：車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。

U463.341

A

1671-3974(2016)04-0064-04