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原文传递轮胎稳态侧偏纵滑力学特性预测研究

论文题名：	轮胎稳态侧偏纵滑力学特性预测研究
关键词：	汽车轮胎;侧偏纵滑;力学特性;智能预测
摘要：	轮胎与汽车虚拟匹配开发技术，对提升汽车产品研发质量与缩短产品开发周期具有十分重要的作用，越来越多的车企需要轮胎模型进行汽车动力学性能的前期虚拟开发。半经验轮胎模型因具有高精度表达能力而被广泛应用于车辆的前期虚拟开发，但模型参数辨识依赖大量的试验数据。整车开发过程中对于多轮次、多方案的轮胎建模需求，一方面，给轮胎六分力测试造成了很大的压力，导致轮胎模型交付周期长，同时也需耗费高额的测试成本，给汽车轮胎虚拟匹配开发造成了较大的困难；另一方面，基于有限元的轮胎虚拟送样技术逐渐成为发展趋势，但目前的轮胎有限元仿真效率较低，同样也面临轮胎建模效率问题。研究具有预测能力的轮胎模型或预测方法成为了解决上述问题的关键，国内外学者进行过较多的研究，但由于存在摩擦分离不彻底导致纯工况归一化预测模型精度低和动摩擦、纵滑刚度预测问题，以及总切力方向角理论假设局限性导致复合工况轮胎力和力矩预测产生较大偏差的问题，使得预测数据无法满足轮胎高精度建模要求。因此，开发具有高精度预测能力的轮胎模型或预测方法，对提升轮胎建模效率及降低试验成本具有显著的意义，对我国轮胎动力学技术水平及汽车工业的发展具有重要的促进作用。　　围绕上述问题，本文开展了以下的研究工作：　　(1)提出了轮胎刚度各向异性表征指数，揭示了名义刚度各向异性系数相近的轮胎具有近似相同的总切力方向角的规律。通过研究侧偏纵滑复合工况下轮胎在附着与滑移状态时的受力，建立了考虑胎体弹性变形的侧偏纵滑复合工况理论模型，提出了表征轮胎刚度各向异性系数。通过理论模型仿真分析了轮胎刚度各向异性系数与侧偏角及滑移率的关系，表明轮胎刚度各向异性主要存在于小滑移状态。研究了总切力方向角建模理论，阐明了复合工况下轮胎接地印迹内总切力方向的变化规律。根据轮胎刚度各向异性在小侧偏角及小滑移率组合下最为显著的特点，推导出总切力方向角的近似表达并定义了名义刚度各向异性系数，进而提出了关于总切力方向角假设并得到了充分的试验验证，为总切力方向角的预测修正及参考胎准则的建立提供了依据。　　(2)建立了基于动摩擦与滑移刚度的纯工况力学特性高精度预测方法，以及基于纯侧偏的纯纵滑特性预测方法。根据所建立的纯纵滑与纯侧偏工况理论模型，提出了从纯工况大滑移条件下试验数据分离轮胎动摩擦特性的方法，建立了纯纵滑工况轮胎纵向力以及纯侧偏工况轮胎侧向力与回正力矩归一化理论模型。该模型揭示了不同轮胎的力学特性归一化曲线具有高度重合的规律，据此提出了运用参考胎数据的纯工况预测方法，实现了基于动摩擦与滑移刚度的纯侧偏与纯纵滑力学特性高精度预测。将本文预测方法与文献预测方法进行了对比验证，结果表明采用本文方法得到的归一化曲线更具规律性，轮胎纵向力、侧向力及回正力矩的预测精度更高。在此基础之上，提出了通过侧向动摩擦系数预测纵向动摩擦系数以及根据静态接地印迹试验数据预测轮胎纵滑刚度的方法。结合轮胎实际开发场景，对纵向动摩擦系数及纵滑刚度预测方法进行了试验验证，结果表明所提出的纵向动摩擦与纵滑刚度预测方法具有较好的可靠性，实现了基于纯侧偏的纯纵滑特性高精度预测。　　(3)提出了总切力方向角预测及修正方法，建立了侧偏纵滑复合工况轮胎纵向力、侧向力与回正力矩的高精度预测方法。根据侧偏纵滑复合工况理论模型以及 UniTire轮胎模型具有统一表达的特点，建立了复合工况总切力方向角预测方法。根据总切力方向角假设，提出了基于参考胎数据的总切力方向角修正方法。试验证明总切力大小和总切力方向角预测误差很小，由此实现了基于纯工况的侧偏纵滑复合工况轮胎纵向力与侧向力的高精度预测。通过对侧偏纵滑复合工况轮胎回正力矩产生机理的分析，分别给出了侧偏导致的回正力矩、胎体平移导致的回正力矩以及结构不对称导致的初始回正力矩的预测方法。试验证明采用该方法得到的复合工况轮胎回正力矩具有较好的表达趋势及预测精度，由此实现了侧偏纵滑复合工况轮胎回正力矩的准确预测。将本文方法的复合工况轮胎纵向力和侧向力预测结果与文献中的三种预测方法分别进行了对比分析，结果表明本文方法在纵向力及侧向力预测精度方面显著优于状态刚度法、Combinator和Similarity。此外，通过仿真与试验研究，揭示了复合工况侧向力双峰现象形态及产生机理。　　(4)应用本文方法预测得到的纯侧偏、纯纵滑及侧偏纵滑复合工况轮胎力学特性数据，用于PAC2002轮胎模型参数辨识，与基于完全试验数据建立的PAC2002轮胎模型在表达精度上进行了对比，并在某乘用车操纵稳定性仿真中进行了对比验证。结果表明：在汽车纵向加速度-0.6g和侧向加速度0.8g范围内，基于预测数据与基于试验数据的两种轮胎模型，对于汽车转向制动工况仿真结果具有较好的一致性，充分证明了本文提出的纯工况及复合工况轮胎力学特性预测方法具有足够的可靠度。
作者：	夏丹华
专业：	车辆工程
导师：	卢荡
授予学位：	博士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023