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考虑磨损和温度影响的UniTire轮胎模型及应用验证

卢磊  
【摘要】:近年来,随着我国汽车工业的发展,国内的各大整车企业已经全面进入自主开发阶段,基本具备了底盘正向开发能力。但是轮胎动力学的高精度研究与应用还有明显不足,轮胎模型的全工况高精度表达及应用是制约底盘性能仿真和分析精度提高的关键点之一。建立全工况高精度的轮胎模型以及提出轮胎模型高效合理的应用方法,对于底盘性能的高精度仿真,匹配,优化具有重要研究意义。参考国内外研究现状,高精度车辆动力学建模和轮胎动力学模型应用还存在以下两个核心问题:(1)建立的轮胎模型一般都是基于室内六分力测试结果辨识而得,而且建模测试过程中轮胎存在较大的磨损和生热,但目前主流的轮胎模型并不具备表达轮胎在不同磨损状态和温度下力学特性的能力;(2)基于室内轮胎试验台测试结果所得到的轮胎模型直接用于室外车辆动力学仿真,轮胎的室内外特性不一致必然会导致整车仿真误差,而目前也没有有效的解决方法。本文围绕轮胎模型理论问题和实际工程应用问题,依托轮胎动力学协同创新联盟的共性技术课题“轮胎模型高精度应用协同创新”(项目编号:20170414045GH)与国家自然科学基金委员会资助项目“分布式驱动电动车电机转矩波动与不平路面复合激励下轮胎高频动态特性研究”(项目批准号:51775224)进行如下研究:(1)建立了考虑磨损影响的UniTire轮胎模型。针对目前主流轮胎模型不能表达不同磨损状态下轮胎力学特性的问题,本文基于花纹块简化结构模型,推导了花纹块侧向分布刚度与花纹块高度的关系。基于有限元分析手段,研究了不同载荷,不同磨损状态下轮胎胎体的刚度特性变化规律。基于接地印迹压力分布试验,研究了不同磨损、不同载荷下轮胎接地特性的变化规律,并建立了能够表达不同磨损程度轮胎接地压力特性的接地印迹压力模型。之后根据上述基础理论研究所得到的规律,建立了考虑胎体弹性的简化理论模型,基于该模型得到了轮胎关键特性参数随磨损量的变化规律。为验证上述简化模型所得规律的正确性,设计不同磨损状态下轮胎六分力测试,并进行结果分析。结合UniTire模型建模特点以及轮胎特征参数随磨损量变化规律,对UniTire轮胎模型进行完善改进,使得UniTire轮胎模型具备表达不同磨损状态下轮胎力学特性的能力。基于改进后的UniTire轮胎模型和不同磨损程度轮胎六分力试验结果,进行不同磨损程度下轮胎多工况稳态特性仿真和试验分析,验证了考虑磨损影响的UniTire轮胎模型正确性和准确性。(2)建立了考虑温度影响的UniTire轮胎模型。首先,进行了不同温度下橡胶剪切刚度特性建模。借助于有限元分析方法,建立了不同温度下轮胎有限元模型,仿真分析得到轮胎胎体刚度特性在不同温度下的变化规律。基于不同温度下橡胶材料试样的摩擦测试结果,研究得到橡胶的摩擦特性随温度变化规律,并对Savkoor摩擦模型进行修正。基于上述基础研究所得到的规律和考虑胎体弹性的轮胎简化理论模型,得到能够表达轮胎在不同温度下力学特性的简化理论模型,基于该模型得到轮胎特征参数随温度的变化规律。之后,为验证上述规律的正确性,设计了不同温度下轮胎侧偏刚度测试,并进行结果分析。结合UniTire轮胎模型建模特点以及轮胎特征参数随温度的变化规律,对UniTire轮胎模型进行完善,使得UniTire轮胎模型具备表达不同温度轮胎力学特性的能力。基于改进后的UniTire轮胎模型和不同温度轮胎侧偏刚度试验结果,进行不同温度轮胎侧偏特性仿真和试验分析,验证了考虑温度影响的UniTire轮胎模型正确性和准确性。(3)考虑磨损和温度影响的UniTire轮胎模型应用方法。首先通过轮胎简化模型,对UniTire侧偏模型以及复合工况下方向修正因子模型进行完善。基于上述研究结果以及课题组前期的研究基础,本文完善之后的UniTire具备精确表达速度、路面、磨损和温度对轮胎力学特性影响的能力。通过对室内外轮胎所处环境分析,得到室内外对轮胎特性影响比较大的因素为:路面状态、轮胎温度和胎面磨损状态。结合所完善的UniTire轮胎模型,得到与上述影响因素有关的参数,分别针对上述因素研究各个参数对轮胎力学特性的影响规律,之后结合模型特点以及大量轮胎数据统计学规律,提出旨在解决轮胎模型建模和应用上所存在的工况不一致问题的UniTire轮胎模型应用方法。(4)考虑磨损和温度影响的UniTire轮胎模型应用方法验证。为了验证本文提出的UniTire轮胎模型应用方法的正确性,本文设计并搭建一个验证平台:无悬架纯刚性的验证台车(以下简称:“刚性车”)。基于刚性车的结构和质量参数,轮胎特性数据,建立刚性车整车动力学模型。在刚性车动力学模型上搭载考虑磨损和温度影响的UniTire轮胎模型,在进行整车操稳仿真时,一种方法不考虑室内外环境的不一致性,完全根据室内试验条件确定轮胎特性;另一种方法,考虑室外环境的变化,基于建立的轮胎模型结构,根据室外条件的变化对轮胎特性进行合理调节。刚性车分别搭载不同磨损状态的轮胎在不同季节以不同的测试速度在试验场地进行整车操稳验证测试,并实时测量车辆性能指标。最后将上述两种仿真结果与试验结果进行对比,验证了考虑磨损和温度影响的UniTire轮胎模型的准确性及应用方法的有效性。


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