輪胎相關的力學性能影響分析!

2020-11-29 騰訊網

輪胎報——中國輪胎行業大影響者！

0 引言

輪胎是汽車與地面接觸的唯一零件，路面的激勵都是通過車輪傳遞到懸架，進而傳遞到車身，因此胎壓的高低對整車受力狀態有著至關重要的影響[1]。

如何在開發早期缺少物理樣車的情況下評估胎壓變化對車輛耐久性能的影響，通過數位化輪胎結合整車動力學模型仿真使之變為可能。

1 F-tire模型

F-tire模型是一種基於柔性環假設的3D非線性輪胎模型，其中結構模型是構成F-tire的一項核心組成部分。結構模型包括帶束-胎體-胎圈結構和胎面力學特性。如圖1所示，帶束節點與輪輞之間通過剛度單元、阻尼單元、摩擦單元和Maxwell單元並聯連接，這些都是與胎壓相關的非線性單元。其中，Maxwell單元可以描述輪胎高速滾動時的動剛度特性；摩擦單元可以模擬影響輪胎徑向剛度的橡膠遲滯損失現象。如圖2所示，帶束單元與相鄰單元的面內連接用剛性平移彈簧等效，與面外連接用彎曲彈簧等效，帶束節點與輪輞之間用扭力彈簧連接，所有的剛度值都與實際胎壓有關，不同的胎壓可以理解為不同工況，在仿真中可以強制修改，這並不會妨礙積分過程[2]。

因此，在一定胎壓變化範圍內，可以通過外推獲得不同胎壓下的數字輪胎模型。

圖1 帶束節點與輪輞之間的力學模型[3]

圖2 帶束單元相鄰節點之間的力學模型[2]

2 胎壓對輪胎特性的影響分析

2.1 靜止狀態輪胎力學特性測試模型

只有掌握了胎壓對輪胎自身力學特性的影響，才能更好地研究胎壓對整車載荷的影響。如圖3所示，由輪胎、路面和部件構成的輪胎三向剛度仿真試驗臺，通過查看輪胎的受力--變形曲線能夠對輪胎的垂向、縱向和側向靜態剛度進行快速分析。

圖3 輪胎三向剛度仿真模型

2.2 複合工況下輪胎力學特性測試模型

Adams/car中有輪胎試驗臺模塊tire testring，通過該模塊中可視化的圖形界面可以更改輪胎參數研究輪胎的側偏剛度、縱滑剛度以及回正力矩等特性。該試驗臺的測試原理模型如圖4所示，在仿真過程中，彈簧和預加載的單作用力施加通過移動副和旋轉副施加在車輪上後，車輪胎面與試驗臺平面接觸[4]。

圖4 tire testring單輪模型試驗臺

2.3 胎壓對輪胎力學特性的影響分析

獲得不同胎壓數位化輪胎模型後，即可研究它們之間的力學特性差異，輪胎垂向、側向、縱向剛度曲線如圖5所示。在一定的胎壓範圍內，三向剛度均隨著胎壓增大而增大。

圖5 輪胎三向剛度隨胎壓變化曲線

如圖6所示，在Tire Testring中除了設置輪胎屬性文件、質量和慣量等輪胎參數信息外，還可以通過設置縱向初始速度、輪胎運動方式以及輪胎滑移率、側偏角和側傾角等參數，來模擬車輪在各種複合工況下的運動狀態。

圖6 tire testring中的參數設置

如圖7所示，針對某一型號輪胎，只保持胎壓單一變量前提下，通過Tire Testring仿真得到的輪胎側偏剛度、縱向滑移剛度以及回正力矩曲線對比圖。

圖7 不同胎壓在複合工況下的輪胎力學特性

3 胎壓對整車載荷的影響分析

將F-tire輪胎模型、數字路面、整車動力學模型結合使用，進行結構試驗場環境下的整車動力學載荷分析，支持耐久性能評估。不同胎壓對車輛動力學載荷（強度/耐久）影響如圖8和圖9所示：

圖8 P2路面胎壓對輪心力的影響

圖9 Pave路面胎壓對輪心力的影響

4 結論

輪胎氣壓是車輪的一項重要參數，不僅會影響輪胎的力學特性和使用壽命，還會對整車動力、操縱穩定以及耐久等性能有巨大影響[5]。在汽車早期設計階段，快速評估胎壓變化對整車各項性能影響有助於設計方案的決策及時推進項目，縮短開發時間。本文是基於F-tire模型和Adams平臺中的Tire Testring模塊預測胎壓變化對輪胎力學特性的方法，並結合3D數字路面研究了不同胎壓對整車載荷的影響，可以快速支持胎壓變化對整車零件耐久性能影響評估。

參考文獻

[1]辛運，謝偉忠，羅澤敏等.輪胎胎壓對整車性能的影響[J].2011.

[2]費瑞萍.Ftire輪胎模型的仿真分析及試驗研究[D].吉林大學，2011.

[3] 孫成智，段向雷，翁洋，王光耀.基於3D數字路面的整車耐久性能評價方法研究[J].2017.

[4]田順，何海浪等.車輛輪胎動力學仿真模型分析[J].汽車實用技術，2014,06-47-04.

[5]盧蕩，郭孔輝.輪胎側偏力學特性的胎壓影響分析及預測[J].2011.

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