对接路面轮胎瞬态侧偏特性研究

对接路面轮胎瞬态侧偏特性对于车辆方向稳定性至关重要。通过仿真与试验的手段研究对接路面轮胎瞬态侧偏特性及其机理。建立用于对接路面轮胎瞬态侧偏特性仿真的轮胎模型,通过考虑胎体复杂弹性变形,并将印迹区域内胎面单元离散处理,得到轮胎滚动过程中胎面单元的变形特性,推导出基于胎面变形的轮胎力和力矩的一般表达式。利用高-低附对接路面台架试验数据对模型进行了验证。通过仿真研究对接路面轮胎瞬态侧向力和回正力矩特性,深入分析对接路面轮胎瞬态侧偏力学特性机理以及轮胎胎体弹性、轮胎侧偏角和摩擦因数阶跃幅值对这一特性的影响。分析结果表明,胎体侧向平移刚度对侧向力松弛特性影响很显著。胎体平移刚度越大,侧向力松弛长度越短。研究工作有助于对接路面工况轮胎瞬态特性半经验建模以及车辆在对接路面上的方向稳定性分析和相关控制策略开发。     

技术文摘专栏

轮胎静态及侧偏刚度有限元分析 【摘要】：考虑子午线轮胎的材料非线性、接触非线性以及大变形等复杂的力学特性,采用Abaqus软件建立轮胎三维有限元分析模型,研究充气压力和负荷对轮胎静态刚度（径向刚度、侧向刚度、纵向刚度、扭转刚度）和稳态侧偏刚度的影响,并给出了相应的负荷与变形之间的关系。     

磨损对轮胎侧偏刚度和回正刚度影响的研究

基于轮胎六分力测试结果,研究不同磨损状态下轮胎的侧偏力学特性,得出轮胎侧偏特征参数随着轮胎磨损量的变化规律。通过建立胎面磨损模型阐明轮胎磨损特性变化的机理,得到胎面刚度与磨损量的表达式,之后根据该表达式和考虑轮胎磨损状态的轮胎刷子模型,建立考虑胎面磨损的轮胎复杂刷子模型。通过模型推导得到磨损量与轮胎侧偏刚度、回正刚度的关系,以该关系为UniTire轮胎模型的建模基础表达公式,建立考虑磨损的UniTire侧偏模型。为验证模型的正确性,采用3种磨损状态的侧偏数据进行参数拟合,得到考虑磨损的UniTire侧偏模型,并预测其他2种磨损状态下的轮胎侧偏特性。预测模型的仿真结果与试验结果之间的误差较小,有效证明了考虑磨损的UniTire侧偏模型的预测能力。本研究有助于完善UniTire轮胎模型,为UniTire模型室内外扩展应用提供理论和技术支持。     

大侧倾角下UniTire稳态侧倾侧偏工况侧向力模型

大侧倾角下,轮胎侧偏力学特性仅仅采用等效侧偏角的方法不能进行准确描述,还需要考虑侧倾对其他关键参数的影响。基于简单刷子模型,建立轮胎稳态侧倾侧偏工况侧向力物理模型,导出用于半经验建模的理论边界条件。采用定性分析及试验观察相结合的方法分析侧倾对侧偏刚度和摩擦因数的影响,并建立相应的半经验模型。根据理论边界条件,分析侧倾对UniTire稳态侧向力模型中曲率因子的影响,并提出新的曲率因子表达式。通过轮胎试验数据进行参数辨识,结果表明所建立的UniTire稳态侧向力模型具有很高的精度,并且能够表达大侧倾角下轮胎的力学特性。     

滚动轮胎接地性能有限元分析

为深入理解轮胎滚动运动学机理，建立了轮胎在平面上滚动的三维非线性有限元模型。在模型中考虑了轮胎的几何非线性、材料非线性以及轮胎接触非线性，计算了子午线轮胎195／60R14在不同速度滚动时的变形情况、接地区压力分布、摩擦力分布、带束层应力分布等滚动特性。重点对轮胎胎面的变形情况进行了分析，为轮胎结构设计、振动与噪声分析提供了依据。     

某型航空子午线轮胎刚度仿真分析

轮胎力学特性是飞机地面运动学研究的重要课题之一。基于轮胎静刚度的形成机理,忽略胎面花纹,建立某型航空子午线轮胎三维非线性有限元分析模型。考虑到航空轮胎材料非线性、几何非线性、接触非线性等问题,借助ABAQUS和HYPERMESH软件,并在ABAQUS/STANDARD求解器下进行径向和侧向刚度特性仿真分析,得出不同充气压力工况下的相应的负荷与变形的关系。通过仿真分析结果与理论估算值的对比,表明所建立的有限元分析模型可较好模拟该型航空轮胎的刚度特性。     

考虑横向载荷转移的4WID-EVs侧向力及侧偏刚度估计

针对分布式电驱动汽车轮胎侧向力和侧偏刚度不易测量的问题,考虑到车辆横向载荷转移,结合无迹卡尔曼滤波和扩展卡尔曼滤波优点,设计了双卡尔曼滤波观测器分别估计轮胎侧向力和侧偏刚度。建立7自由度车辆模型,基于无迹卡尔曼滤波算法设计轮胎力观测器,并以此作为侧偏刚度观测器的输入;基于扩展卡尔曼滤波算法设计了轮胎侧偏刚度观测器;最后,在MATLAB/Simulink环境下仿真分析,结果表明在不同行驶工况下该观测器均能够有效估计出轮胎侧向力和侧偏刚度。     

轮胎稳态侧倾力学特性理论建模

研究了轮胎侧倾建模机理,并在此基础上导出了轮稳仿而倾的侧向力、回正力矩、纵向阻力和翻转力矩特性表达式。讨论了车轮定位时侧倾角与前束角的关系,引入了有效侧倾角概念,并基于此给出了子午线轮胎比斜交轮胎侧倾侧向力小的理解解释。     

轮胎胎体轮廓设计对侧偏刚度的影响研究

以某205/55R16型轿车子午线轮胎为研究对象,利用ABAQUS建立计及复杂花纹的轮胎稳态侧偏滚动3D有限元分析模型,并通过侧偏特性转鼓试验验证仿真模型的可靠性。为研究胎体轮廓设计对轮胎侧偏刚度的影响,以胎体弦平衡轮廓理论为基础,提出带束层压力分担率简化为梯形的修正胎体弦平衡轮廓理论,编制轮廓计算程序。结合仿真模型,从接地特性和侧偏刚度的角度与现行设计轮胎作对比分析;进而设计出不同带束层压力分担率的胎体轮廓,仿真研究不同带束层压力分担率下胎体轮廓设计对轮胎侧偏刚度的影响。结果表明,应用胎体弦平衡轮廓修正理论设计的轮胎接地面积略有增大,接地压力偏度值下降;接地特性的改善使轮胎的侧偏刚度得到提升,有利于轮胎的操纵性能;不同带束层压力分担率的胎体轮廓对轮胎的侧偏刚度具有一定的影响。     

伪刚体柔体耦合的新式免充气轮胎刚度分析

针对一种新式伪刚性免充气轮胎的结构特点,建立了一种分析其径向刚度特性的伪刚体柔体耦合模型。将伪刚体理论得到的轮胎板簧位移方程和弹性力学得到的輮轮形变方程进行耦合,解得轮胎的下沉量与变形情况。结果表明：伪刚性免充气轮胎的下沉量与载荷成正比,其径向刚度比一般普通充气/非充气轮胎大,低车速时平顺性好,高车速时平顺性稍有欠缺。为验证所提模型,比较了同种边界条件下的有限元解,两者的结果很接近,且伪刚体柔体耦合模型计算时间较短。利用所提模型对伪刚性免充气轮胎的径向刚度进行优化,得到了所需的设计尺寸参数。     

基于加速度变化率的轮胎等效侧偏刚度估计方法

等效侧偏刚度精确地反映了轮胎的侧偏特性,是汽车操纵稳定性研究中的重要参数。为此提出了基于加速度变化率的汽车轮胎等效侧偏刚度估计方法。采用三自由度汽车动力学模型,把前后轮侧向力的时间变化率表示为加速度变化率的函数。利用轮胎力学特性理论推导出瞬时等效侧偏刚度的估计公式,在汽车纵向加速度为稳态的条件下,利用轮胎侧向力的时间变化率和轮胎侧偏角的时间变化率来估算轮胎瞬时等效侧偏刚度。通过ADAMS软件的整车常半径转向虚拟试验对估计方法进行了验证。虚拟试验结果表明提出的方法具有较好的估计精度。     

带束层对滚动轮胎纵滑特性影响的有限元分析

以子午线轮胎195/60R14为例,建立了轮胎在平面上滚动的三维非线性有限元模型。在模型中考虑了轮胎的几何非线性、材料非线性以及轮胎接触非线性,计算了轮胎在滚动状态下带束层帘线角度对轮胎变形、接地区压力分布、摩擦力分布、带束层应力分布等滚动特性的影响,为轮胎结构设计、振动与噪声分析提供了依据。     

基于横摆力矩的轮胎侧向力估计算法

通过对非线性汽车动力学模型进行分析,提出了一种基于横摆力矩的轮胎侧向力估计算法。轮胎侧向力的估计采用三个基本步骤,首先基于干扰观测器对侧向力横摆力矩进行估计,然后利用最小二乘法对两前轮与两后轮侧向力之和进行估计,最后采用垂向载荷按比例分配的经验方法对各轮胎侧向力进行估计。基于MATLAB/Simulink软件,对此轮胎侧向力估计系统进行仿真,将所得结果与CarSim动力学仿真软件结果进行对比,并采用硬件在环仿真平台进行试验验证。结果表明,所提估计算法能够准确地估计出轮胎侧向力,避免了复杂轮胎模型的运用以及对地面附着系数的依赖。     

机械弹性车轮结构参数对汽车侧翻稳定性的影响

为深入研究机械弹性车轮（MEW）的结构参数对汽车侧翻稳定性的具体影响,利用刷子理论模型建立了MEW稳态侧偏简化理论模型,利用理论、试验以及数值仿真等方法,分析了结构参数（包括几何参数和材料参数）对MEW侧偏特性的具体影响。以改进的载荷转移率作为侧翻稳定性的评价指标建立了匹配MEW的整车非线性3-DOF侧翻预测模型,研究了车轮侧偏力学特性对侧翻稳定性的具体影响规律。结果表明：铰链组结构参数对侧偏特性影响较小,适当增大弹性环分布高度、减小輮轮断面高宽比和初始剪切模量可以增大车轮侧偏刚度和侧向力峰值,进而提高匹配机械弹性车轮汽车的侧翻稳定性。     

An improved friction model and its implications for the slip, the frictional energy, and the cornering force and moment of tires

An improved friction model was proposed with consideration of the effect of the sliding speed, the contact pressure and the temperature, and it was implemented into a user subroutine of a commercial FEM code, ABAQUS/Explicit. Then, a smooth tire was simulated for free rolling, driving, braking and cornering situations using the improved friction model and the Coulomb friction model, and the effect of the friction models on the slip, the frictional energy distribution and the cornering force and moment was analyzed. For the free rolling, the driving and the braking situations, the improved friction model and the Coulomb friction model resulted in similar profiles of the slip and the frictional energy distributions although the magnitudes were different. The slips obtained from the simulations were in a good correlation with experimental data. For the cornering situation, the Coulomb friction model with the coefficient of friction of 1 or 2 resulted in lower or higher cornering forces and moments than experimental data. In addition, in contrast to experimental data it did not result in a maximum cornering force and a decrease of the cornering moment for the increase of the speed. However, the improved friction model resulted in similar cornering forces and moments to experimental data, and it resulted in a maximum cornering force and a decrease of the cornering moment for the increase of the speed, showing a good correlation with experimental data.     

无人机滑跑线性化建模与增益调节纠偏控制

由于无人机的三轮滑跑阶段是整个飞行过程最容易出问题的环节,本文对前三点式无人机地面滑跑进行建模并研究了前轮转向纠偏控制方法。首先,分析了无人机三轮滑跑阶段的受力情况;考虑发动机扭矩、推力偏心及停机角对模型的影响,建立了无人机地面三轮滑跑非线性数学模型;然后,利用小扰动原理在合理简化的前提下将非线性模型线性化,分别推导了前轮转角为输入,偏航角速度、偏航角、侧偏距为输出的传递函数,设计了三回路增益调节前轮转向纠偏控制律;最后,通过滑跑试验进行了验证。试验结果表明：在初始航向偏差为3°,初始侧向位置偏差为0.2 m的情况下,无人机由静止滑行至速度为32 m/s过程中的最大侧偏距为0.3 m,最大偏航角为4.5°,并且对不大于4.6 m/s的侧风干扰有较好的抑制作用,对跑道路况、轮胎侧偏刚度及轮胎弹性等不确定因素的影响有较好的鲁棒性。该设计已成功应用于某无人机。     

基于自适应FFRLS的汽车前后轴侧偏刚度估计

汽车前、后轴侧偏刚度与汽车的操纵特性紧密联系,是汽车动力学控制中的重要参数。受轮胎特性变化的影响,在汽车使用中线性侧偏刚度发生变化。针对传统估计方法不利于在量产汽车上应用的问题,在车载传感器配置的基础上,提出应用自适应遗忘因子递推最小二乘方法(Forgetting-factor recursive least square method,FFRLS)的前、后轴线性侧偏刚度估计方法。设计出在制动工况下对轮胎特性变化具有鲁棒特性的侧向速度观测方法,由此计算估计模型中的前、后轴侧偏角。提出并应用最大侧向力计算估计模型中的前、后轴侧向力。通过设定合适的估计触发条件实现基于工况的在线参数估计。基于veDYNA的仿真结果表明在轮胎侧偏刚度突变时自适应FFRLS方法相比普通FFRLS方法参数能够更快地收敛。最后在驾驶员在环混合仿真平台环境下,针对触发条件受限的工况通过实时仿真验证了估计算法的有效性。     

基于轮胎侧偏频率响应的汽车摆振分析

基于小幅纯转向运动时的轮胎侧偏频率响应函数,分析了轮胎的侧偏频率响应及其与汽车前轮摆振的关系。根据车轮摆动时路面对汽车转向系统的能量传输的大小和方向,提出了减小汽车摆振倾向的途径。     

考虑轮胎侧偏特性的赛车转向几何研究

为了提高赛车轮胎侧向附着合力及转向极限侧向加速度,提出了一种考虑轮胎侧偏特性的转向几何。通过分析轮胎侧偏角的影响,确定了整车转向瞬心位置,并建立了三自由度整车模型。结合轮胎力学模型,以最大化整车轮胎侧向附着合力为目标,采用隔代映射遗传算法对考虑轮胎侧偏特性的转向几何进行求解。整车仿真和试验结果表明,相比阿克曼转向几何,考虑轮胎侧偏特性的转向几何可以更有效地增大整车轮胎的侧向附着合力,提高赛车在极限工况下的转弯性能。