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西华大学硕士学位论文 一些异常工况下车辆运动性能的仿真分析 车辆工程专业 研究生马常友指导教师巢凯年 随着汽车工业的发展和计算机仿真技术的不断进步，利用计算机虚拟技术 对车辆动力学进行仿真分析研究，已经成为一种研究车辆运动性能的必要方 法。而如今随着汽车数量的增加和车速的提高，交通事故的数量也在增加，其 中由于一些异常行驶工况造成的事故占很大的比例。本文主要研究的是对一些 日常行驶过程中常见的异常工况( 爆胎、不同路面附着系数、分离路面) 进行 仿真分析，从中得到能够引发事故的主要参数的变化数据。a d a m s ( a u t o m a t i c d y n a m i ca n a l y s i sm e c h a n i c a ls y s t e m ) 是国内外广泛应用的机械系统动力学自 动分析软件，本文利用软件中的专业模块a d a m s c a r 建立了包括车身、悬 架、转向系统、轮胎、横向稳定杆等在内的整车多体动力学模型，所建立的整 车模型能够满足汽车对危险工况下操纵稳定性方面的仿真要求。 本文在已建立的车辆动力学模型的基础上，针对分离路面进行仿真和实车 直线制动试验的对比，得出相应的结论，分析其行驶过程中路径的改变的原因。 针对不同路面附着系数( 良好的沥青或混凝土( 干) 路面、干燥的水泥路面或 湿的沥青路面、压紧的冰雪路面) 进行三种常见行驶工况( 单移线、双移线、 弯道制动) 的仿真，得到车辆的行驶轨迹以及姿态等参数来衡量车辆行驶的稳 定性。 轮胎爆胎时其力学特性将会发生很大的变化，本文在掌握正常轮胎力学特 性的基础上，通过借鉴国内外爆胎试验数据得到轮胎主要爆胎参数的变化值， 通过对a d a m s t i r e 中的轮胎模型进行分析比较，最后依据爆胎参数建立了基 于精度较高的魔术公式建立的爆胎轮胎力学模型。 将爆胎模型应用于使用a d a m s c a r 搭建的整车模型中进行仿真，主要的 仿真内容包括讨论爆胎车轮的位置、路面条件、以及车速大小对车辆行驶轨迹 西华大学硕士学位论文 以及航向等方面的影响。仿真结果能够很好的模拟出爆胎时车辆行驶的轨迹以 及姿态，为以后交通安全进行更深入的分析和研究提供许多宝贵的数据，也为 未来的汽车主动安全设计提供重要的资料。 最后对研究内容进行了总结，本文的研究虽然初步达到了一定的目的，但 是也存在一些不足和缺陷，有待于进一步的改进和完善。 关键词：a d a m s c a r ，路面附着系数，魔术公式轮胎模型，爆胎，仿真 西华大学硕士学位论文 s i m u l a t i o n a n a l y s i so f v e h i c l em o v e m e n t r e n o r m a n c eu n d e rs 0 m ea b n o r m a ic 0 n d i t i o n s l-f 11j - 一 v e h i c l ee n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：m ac h a n g y o u s u p e r v i s o r ：c h a ok a l n i a n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r ya n dt h ei m p r o v e m e n to f c o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ，u s i n gc o m p u t e rt e c h n o l o g yo nt h ev e h i c l e d y n a m i c sv i r t u a ls i m u l a t i o na n a l y s i s ，h a sb e c o m ean e c e s s a r yr e s e a r c ha p p r o a c hf o r t h ep e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l em o v e m e n t t o d a yw i t ht h ei n c r e a s ei nt h en u m b e r o fc a r sa n di n c r e a s e di ns p e e d ，t h ec o r r e s p o n d i n gi n c r e a s ei nt h en u m b e ro ft r a f f i c a c c i d e n t s ，m o s to ft h e md u et os o m ea b n o r m a lc o n d i t i o nc a u s e db yt r a f f i c i nt h i s p a p e r , t h es t u d yo fs o m ed a i l yd r i v i n gp r o c e s so ft h ea b n o r m a lp r o c e s sc o n d i t i o n s ( b l o w o u t ，d i f f e r e n tr o a da d h e s i o nc o e f f i c i e n t ，t h es e p a r a t i o no ft h er o a d ) t oc a r r y o u ts i m u l a t i o na n a l y s i s ，a sf a ra sp o s s i b l eg e tt h ec h a n g ed a t ao ft h em a i np a r a m e t e r t h a tc a ni n i t i a t et h ea c c i d e n t a d a m si st h es o f t w a r eo fa u t o m a t i cd y n a m i c a n a l y s i sm e c h a n i c a ls y s t e ma p p l i e dw i d e l ya th o m ea n da b r o a d i nt h i sa r t i c l e u s i n gi nt h es o f t w a r ep r o f e s s i o n a lm o d u l ea d a m s c a rb u i l d e daf u l lv e h i c l e m o d e lt h a tc o n t a i n sb o d y 、s u s p e n s i o n 、s t e e r i n g - s y s t e m 、t i r e sa n ds t a b i l i z e rb a re t c ， v e h i c l em o d e lc r e a t e dt om e e tt h ea s p e c t so fv e h i c l eh a n d l i n ga n d s t a b i l i t y r e q u i r e m e n t so f t h es i m u l a t i o ni nt h ed a n g e r o u sc o n d i t i o n t h i sp a p e rb a s e do nt h ev e h i c l ed y n a m i c sm o d e l ，c a r r i e so nt h ec o n t r a s tw h i c h t h r o u g ht h es t r a i g h tl i n eb r a k et e s tt h es i m u l a t i o na n dt h er e a lv e h i c l ee x p e r i m e n ti n t h es e p a r a t i o nr o a ds u r f a c e ，o b t a i n st h ec o n t r a s tt h ec o n c l u s i o n ，a n a l y z e si t sr e a s o n f o r c h a n g eo ft h ep a t hi nt h ed r i v i n gc o u r s e i nt h ed i f f e r e n tr o a da d h e s i o n c o e f f i c i e n t ( ag o o da s p h a l to rc o n c r e t e ( d r y ) r o a ds u r f a c e ，d r yo rw e tc e m e n to ft h e a s p h a l tr o a ds u r f a c e ，c o m p a c t i n gt h es n o wa n di c er o a d s ) ，t h es i m u l a t i o nc o m p l e t e d i i i 西华大学硕十学位论文 t h et h r e ee o m l l l o nd r i v i n gc y c l e ( s i n g l e s h i f tl i n e ，d o u b l e s h i f tl i n e ，b r a k i n gi na t u r n ) ，o b t a i n st h ev e h i c l et r a j e c t o r ya n ds t a t ep a r a m e t e r st om e a s u r et h es t a b i l i t yo f v e h i c l e s w h e nt i r eb l o w o u t ，i t sm e c h a n i c sc h a r a c t e f i s t i cw i l lh a v eal o to fc h a n g e t h i sa r t i c l eg r a s p si nt h en o r m a lt i r em e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i cf o u n d a t i o n ，t h r o u g h p r o f i t sf r o mt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nb l o w - o u tt e s td a t ao b t a i n st h ec h a n g ev a l u e o ft h em a i nt i r em o w - o u tp a r a m e t e r , t h r o u g ha n a l y z i n gt h a ti ti si nadam s 胝t 0 c o m p a r et h et i r em o d e l f i n a l l y , t h eb l o w o u tt i r em e c h a n i c a lm o d e lh a se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt o t h eb l o w - o u tp a r a m e t e rb a s e do nt h eh i g h e ra c c u r a c yo fm a g i c f o r m u l at i r em o d e l a p p l i e st h eb l o w - o u tm o d e li nu s i n gt h ea d a m s c a rb u i l di nt h e 伽1v e h i c l e m o d e lt o c a r r y o nt h es i m u l a t i o n s i m u l a t i o no ft h em a i nc o n t e n t si n c l u d ea d i s c u s s i o no ft h el o c a t i o no ft h ew h e e lb l o w - o u t , r o a dc o n d i t i o n sa n ds p e e d0 1 1t h e i n f l u e n c ei nr e s p e c t ss u c h 嬲t h et r a c ka n dt h ec o u r s eo fb l o w - o u tv e h i c l e se t c t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sc a nb es i m u l a t e dw e l lw h e nt h eb l o w o u tv e h i c l e st r a v e lp a t ha s w e l la st h ep o s t u r e ，i ti st h a tt h et r a f f i cs a f e t yc a r r i e so nd e e p e ra n a l y s i sa n d r e s e a r c ha n dp r o v i d e sm a n yp r e c i o u sd a t a , b u ta l s of o rt h ef u t u r ed e s i g no fa c t i v e s a f e t yo fv e h i c l e st op r o v i d ei m p o r t a n ti n f o r m a t i o n f i n a l l y , as u m m a r yi sg i v e nt ot h ec u r r e n tr e s e a r c hw o r k a l t h o u g ht h e s i m u l a t i o nm o d e li sd e v e l o p e da n dc a nc a r r yo l ls o m ev e h i c l ev i r t u a le x p e r i m e n t s ， t h es y s t e mi sn e e d e df o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n tw h e ni ti sa p p l i e di n t op r a c t i c e a n dt h e r ea r em u c hw o r k sl e f lt ot h ef u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：a d a m s c a 艮r o a da d h e s i o nc o e f f i c i e n t ，m a g i c - f o r m u l a t i r e m o d e l ，b l o w - o u t ，s i m u l a t i o n i v 西华大学硕士学位论文 声明尸i 刃 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研冤工作皮取 得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得西华大学或其他教育机构的学 位论文或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示感谢。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师的指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此声明! 学位论文作者签 导师签 7 3 i 月弓日 再| 日 曲中，? 7 ， 西华大学硕士学位论文 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在，年解密后适用本授权书； 2 、不保删适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名：张 日? 。郦乒弓 7 4 指导教师签名： 日飙尹 民v o ，o 西华大学硕七学位论文 动力矩大于后轮，对于左侧车轮的制动力矩而言后轮的略微大于前轮的。由于 两侧车轮的制动力矩不相等，右侧大左侧小会产生一个顺时针的力矩，在这个 力矩的作用下车辆向右偏航。对于仿真和试验存在的偏差同图3 1 和3 2 分析 的原因相同。图3 1 1 和3 。1 2 显示了仿真和实测车辆的侧向加速度的变化关系 图，在这两幅图中，侧向加速度的变化趋势的吻合程度并没有图3 3 和3 - 4 好， 可能是由于实测车辆自身的原因。其它引起偏差的原因同图3 3 和3 4 相同， 图3 1 3 和3 1 4 显示了仿真和试验实测的车速之间的对比，两幅图的曲线变化 趋势的基本一致。图3 1 5 显示了仿真车辆的横摆角速度的变化曲线图，反映 了汽车在顺时针的制动力矩的作用下的运动姿态，在侧向力在1 5 秒达到最大 的情况下横摆角速度值也达到最大值。 经过分离路面的直线制动仿真试验与实车试验的对比分析，可以得出本文 的模型能够满足所需完成的工况要求，利用虚拟技术对一些异常工况下车辆运 动性能的模拟是可行的，尤其是在由于条件限制实车无法完成的危险工况下。 3 2 不同路面附着系数下的单移线试验仿真分析 单移线试验可以看作是驾驶员一汽车组合系统躲避障碍或改变行车道能 力的模拟试验。驾驶员的操作都是做正弦输入，但是汽车在高速或在低附着系 数路面上行驶的时候，经常会由于轮胎侧向附着力会达到饱和而使驾驶员将不 能准确的操纵汽车，即汽车将偏离预定的行驶轨迹【3 4 1 。仿真实验的工况设定， 汽车以6 0 k m h 的车速分别在j l l = 0 8 ( 良好的沥青路面) 、0 6 ( 干燥的水泥路 面或湿的沥青路面) 、o 2 ( ，冰雪路面) - - 种不同的路面附着系数下沿着单移线固 定的轨迹行驶。其仿真结果如图3 1 7 至图3 2 4 分别显示了车辆行驶的轨迹、 侧向加速度、横摆角、横摆角速度、侧向位移、车身侧倾角、质心侧偏角和车 身俯仰角8 种曲线图。 在仿真结果中ta 表示是在良好的沥青或混凝土( 干) 路面上，= 0 8 b 表示是汽车行驶在压紧的冰雪路面上，= 0 2 c 表示是在干燥的水泥路面或湿的沥青路面上，p = 0 6 西华大学硕士学位论文 - 2 002 0 4 0 e o 8 01 0 0 t 萄 c h a 鹞i 曩6 p l a c e m e n t t t m g i t u d + n a l ( m ) b c f i g 3 - 17 t h ec h a s s i st r a j e c t o r yo ，t h ef u l lv e h i c l e 图3 j 7 车辆的运动轨迹 o o o 4 0 o o 0 t 钾n t ， f i 9 3 1 9 t h ey a wa n g l eo f t h ef u l lv e h i c l e 图3 1 9 车辆的横摆角 time(-l f i 9 3 - 2 1t h el a t e r a ld i s p l a c e m e n to f t h ev e h i c l e 图3 - 2 1 车辆的侧向位移 8 4 2 o - 2 青4 耋6 10123 4 56 78 t i m e ( s ) f i 9 3 - 1 8 t h e l a t e r a la c c e l e r a t i o no ft h ev e h i c l e 图3 1 8 车辆的侧向加速度 前m f s f i 9 3 - 2 0t h ey a wv e l o c i t yo f f u l lv e h i c l e 图3 - 2 0 车辆的横摆角速度 2 0 15 o o 5 o o - 0 5 10 15 之o t i m l ) f i 9 3 - 2 2t h er o l la n g l eo f t h ef u l lv e h i c l e 图3 - 2 2 车身的侧倾角 产*苌-g秀_i。|ou日 8 6 4 2 o 8 6 4 2 o 2 ￥口皇焉is芒l口一番巷i曩昌莒 孔访5 o毒俘搴筘 s、。苫po葛，磊 一)簟勃写；l| 8 6 4 2 o 8 6 4 2 o 2 u毒笔墨失再一ds芍一是母1 西华大学硕士学位论文 102345678 币m ( s 1 f i 9 3 - 2 3t h es i d es l i pa n g l eo f t h ev e h i c l e 图3 - 2 3 质心侧偏角 t i m e ) f i 9 3 - 2 4t h ep i t c ha n g l eo f t h ev e h i c l e 图3 2 4 车身的俯仰角 仿真结果分析：由上面的仿真曲线图3 1 7 可以显示出在p = 0 8 ( 良好的 沥青路面) 、0 6 ( 干燥的水泥路面或湿的沥青路面) 上仿真车辆的轨迹基本重 合，在躲避障碍后没有偏离行驶轨道；而在p = 0 2 ( 冰雪路面) 上，在躲避障 碍后，车辆无法返回原轨道而被甩出对于在高速路上行驶的车辆这是非常危 险的。如果操纵不当的话，可能会发生翻车的后果。在图3 1 8 中可以显示出 由于车辆偏离了行驶轨迹被甩出，其曲线b 的侧向加速度只朝向负值变化。 在图3 1 9 和3 2 0 中分别是车辆行驶的横摆角和横摆角速度的变化曲线，在这 两个图中可以显示出曲线b 的横摆角变化很大达到了1 2 0 0 并且只朝一个方向 增大，其横摆角速度的变化趋势也是同样，这主要是由于在低附着路面高速行 驶时，在躲避障碍的过程中超出了它的附着极限而无法返回原轨道行驶，而被 甩出同时车辆本身有甩尾的运动趋势。图3 2 1 、3 2 2 、3 2 3 的曲线关系变化显 示了关于b 曲线的变化趋势的原因同上。在图3 2 4 中可以显示在2 5 秒和4 5 秒处为曲线变化的峰值，这两点分别为车辆躲避障碍的开始时刻和完成躲避后 的结束时刻，在p = o 2 ( 冰雪路面) 上，车辆的俯仰角要大一些，而俯仰角相对 较小的是在p _ 0 6 的湿沥青路面上。在完成单移线的仿真过程中，在“= 0 8 的良好沥青路面上变化幅度相对较大。 聃昭铀铃辖枷髓钳姆髂奄奄母椎奄糠奄蠢矗垂 两华大学硕十学位论文 3 3 不同路面附着系数p 下的超车( 双移线) 试验仿真分析 双移线试验可以看作是汽车在高速公路上模拟车辆超车性能道路试验的 有效方法。仿真时驱动器驱动汽车模型通过在i s o - - - 3 8 8 8 中规定的路线【3 引，( 移 线量3 5 6 8 m ，路线长度2 5 0 m 。) 仿真实验的工况设定，汽车以8 0 k m h 的车速 分别在“= 0 8 ( 良好的沥青路面) 、0 6 ( 干燥的水泥路面或湿的沥青路面) 、 0 2 ( 冰雪路面) 三种不同的路面附着系数下沿着i s o - - 3 8 8 8 中规定的路线轨迹 行驶。其仿真结果如图3 2 5 至图3 3 0 分别显示了车辆行驶的轨迹、侧向加速 度、质心侧偏角、横摆角、车身侧倾角和转向盘转角6 种曲线图。 05 01 0 01 5 0 o2 5 0 l o n g i t u d i n a ld t p i e c e n w , n e t ( m ) 024巷81 01 2 t i m e s ) f i g 3 - 2 5 t h ec h a s s i st r a j e c t o r yo f t h ef u l lv e h i c l ef i 9 3 - 2 6 t h el a t e r a la c c e l e r a t i o no f t h ev e h i c l e 图3 - 2 5 车辆的运动轨迹图3 - 2 6 车辆的侧向加速度 0 24681 01 2 r i a w ( $ ) f i 9 3 - 2 7t h es i d es l i pa n g l eo f t h ev e h i c l e 图3 - 2 7 质心侧偏角 3 7 0 24 6 8 o 2 节m e t e f i 9 3 - 2 8 t h ey a wa n g l eo f t h ef u l lv e h i c l e 图3 - 2 8 车辆的横摆角 够 吆 鲋 舱 们 gl芎暮莴点8筹焉|l墓卫 耆毫siu墨_18id*芍i誊委 俘让仲86420口4每毋他他侣俘兹 o p 己u v 西华大学硕士学位论文 1 5 1 0 。o 5 m 口 0 0 0 5 o 02468 01 2 m ) f i 9 3 - 2 9t h er o l la n g l eo f t h ef u l lv e h i c l e 图3 - 2 9 车身的侧倾角 一 譬 罩 024881 01 2 节m ( ) f i 9 3 - 3 0t h es t e e r i n gw h e e la n g l eo f t h ev e h i c l e 图3 - 3 0 转向盘转角 在仿真结果中：a 表示是在良好的沥青或混凝土、( 干) 路面上，p = 0 8 b 表示是在干燥的水泥路面或湿的沥青路面上，p = o 6 c 表示是汽车行驶在压紧的冰雪路面上， 肛= o 2 仿真结果分析：从图3 2 5 可以显示出车辆的行驶轨迹在p = 0 8 ( 良好的 沥青路面) 、0 6 ( 干燥的水泥路面或湿的沥青路面) 上仿真车辆的轨迹基本重 合，超车后没有偏离航向能返回原车道，而在肛= 0 2 ( 冰雪路面) 上，在超车过 程中，正常的移线量是3 5 6 8 米但仿真车辆的移线量为4 3 米，并且在纵向的 位移量也增加了2 0 米左右，在完成超车过程后，仿真车辆并没有立即返回原 车道，而是偏离了原车道大约1 米左右，行驶了一段路程后才返回原车道行驶， 这样的行驶过程很容易与对面来车相撞，造成交通事故的发生。所以对于在冬 季高速路上行驶的车辆来说这种行驶工况是及其危险的。在图3 2 6 中可以显 示c 曲线的侧向加速度的峰值变化并没有a 、b 曲线大。但是它的侧向加速 度曲线存在着不规则的上下变动，主要是由于c 曲线是低附着系数路面，它 的侧向力也相对较小，所以侧向加速度值也较小，并且在完成超车的过程中， 仿真车辆出现了侧滑和甩尾，所以侧向加速度呈现如图3 2 6 中曲线c 的变化 趋势。在图3 2 7 中a 、b 曲线的侧偏角的变化范围在2 0 2 0 之间，但是c 曲 线的侧偏角却在1 5 0 1 5 0 之间，这是非常危险的。汽车在正常行驶时，侧偏 角一般不会超过5 0 。在图3 - 2 8 中a 曲线的横摆角变化范围在5 0 5 0 之间，b 西华大学硕士学位论文 曲线的横摆角变化范围在5 0 “5 0 之间，而相对而言c 曲线的变化范围比较大 在2 0 0 1 5 0 之间，主要是由于在完成超车的过程中，仿真车辆出现了侧滑和甩 尾造成的这种变化。图3 - 2 9 是侧倾角的变化曲线，它的变化关系跟图3 2 6 侧 向加速度的变化相同，都是由于侧向力的变化引起的变化。图3 3 0 转向盘转 角的变化曲线，曲线a 、b 的变化基本一致，都在5 0 0 5 0 之间，而曲线c 的 转向盘的转角在3 6 0 0 3 6 0 0 之间，这是在低附着系数的情况下，仿真车辆偏离 了原来的行驶路径，使得车辆有了较大的行驶轨迹，这样非常容易造成交通事 故。 3 4 不同路面附着系数p 下的弯道制动试验仿真分析 弯道制动是日常的驾驶中常见的危险的情况之一，尤其是在高速过弯时紧 急制动，会导致车辆运动轨迹和航向的偏差，汽车会出现诸如侧滑等危险工况。 引起侧滑的直接因素主要有两点：一是轮胎与地面之间的附着系数，二是轮胎 所受到的地面给予轮胎的侧向作用力。而本节内容主要针对不同的路面附着系 数下进行弯道制动试验的对比，其运动轨迹和航向的偏差情况也大不相同。在 弯道制动试验中可以收集的典型数据有侧向加速度、车身的轨迹、横摆角速度 等。在仿真过程中，驱动器驱动车辆从直线引道转入试验车道，加速直至获得 要求的侧向加速度，一旦达到设定的侧向加速度，驱动器就保持车速和转弯半 径为常量，一段时间达到稳态，然后，锁定方向盘或由驱动器调整转向值，维 持原转弯半径并制动车辆到设定的减速度值，在设定的制动持续时间内，保证 一直保持该减速度或者直至车速降到2 5 m s 以下。仿真试验设定的参数均按 国际标准i s 0 7 9 7 5 - - 8 5 转弯制动开环试验规程的规定值【3 6 】。仿真实验的工 况设定，试验车的触发制动侧向加速度为0 5 1 9 ，转弯半径为2 0 m ，制动的减 速度为0 6 3 9 ，制动减速度制动时间为5 秒。试验车分别在“= o 8 ( 良好的沥 青路面) 、0 6 ( 干燥的水泥路面或湿的沥青路面) 、o 2 ( 冰雪路面) 三种不同的 路面附着系数下沿着i s 0 7 9 7 5 8 5 中规定的路线轨迹行驶。其仿真结果如图 3 3 1 至图3 3 6 分别显示了车辆行驶的轨迹、侧向加速度、质心侧偏角、横摆 角速度、车身侧倾角和转向盘转角6 种曲线图。 西华大学硕士学位论文 1 0002 03 0 5 d6 07 0 l o n g i t u d i n a ld i l l ：l a c 嗍t l ( m ) f i g 3 - 3 1 t h ec h a s s i st r a j e c t o r yo f t h ef u l lv e h i c l e 图3 3 l 车辆的运动轨迹 o51 01 52 0 m i ) f i 9 3 - 3 3t h es i d es l i pa n g l eo f t h ev e h i c l e 图3 - 3 3 质心侧偏角 2 0 15 ；t o 善0 5 o o o51 01 52 0 1 3 n m ( s ) f i 9 3 - 3 5t h er o l la n g l eo f t h ef u l lv e h i c l e 图3 - 3 5 车身的侧倾角 o5 o 52 0 t i m a ( s ) f i 9 3 - 3 2 t h el a t e r a la c c e l e r a t i o no f t h ev e h i c l e 图3 3 2 车辆的侧向加速度 o51 01 5 2 0 瓢m “t 1 f i 9 3 - 3 4t h ey a wv e l o c i t yo f f u l lv e h i c l e 图3 - 3 4 车辆的横摆角速度 o5 o1 52 0 1 3 r e ( s ) f i 9 3 3 6t h es t e e r i n gw h e e la n g l eo f t h ev e h i c l e 图3 - 3 6 转向盘转角 ， o j 童 o 4 $ ou一pioll日牖18撼焉童卫 狮 托 帕 o 重暮董之必爵idn芍ie奄豆 o 5 俘 嚣 (sf。蓄罩毒卜 4 3 2 ，o 4 o o f 5 一譬1 6 u 曩；o鼬伽蜘撇罨薹；黜啪釉誊誊渤啪黜瑚瑚啪 西华大学硕士学位论文 在仿真结果中：a 表示是在良好的沥青或混凝土( 干) 路面上，= 0 8 b 表示是在干燥的水泥路面或湿的沥青路面上，u = o 6 c 表示是汽车行驶在压紧的冰雪路面上， t = o 2 从上述仿真结果得到，仿真车辆在不同附着路面上转弯制动时，其动态响 应有着很大的差别。从图3 3 1 可以显示出车辆的行驶轨迹在i l ：o 8 ( 良好的 沥青路面) 、0 6 ( 干燥的水泥路面或湿的沥青路面) 上仿真车辆的轨迹基本重 合，而在u = o 2 ( 冰雪路面) 上，车辆根本在规定的路径内完成转向，仿真车辆 驶离车道大约有6 0 米，车辆会直接撞向路边护栏或者与对面来车发生碰撞导 致交通事故的发生。在图3 3 2 中侧向加速度的变化曲线中，b 曲线的变化比 a 曲线相对较小，主要是由于在干燥的水泥路面或湿的沥青路面上车辆转弯时 的侧向力没有在高附着系数的良好的沥青路面上的大，c 曲线的变化是在制动 的过程中轮胎很快达到附着极限侧向力不在发生变化。在图3 3 3 中a 曲线的 侧偏角变化最大达到5 0 左右，b 曲线的侧偏角最多达到2 5 0 左右并且有个减小 的变化过程，c 曲线的侧偏角变化基本趋于平缓，只是在2 0 秒结束时突然增 大。主要是由于在不同路面附着系数下车辆的侧偏力不同，而侧偏角与与侧偏 力成正比，路面附着系数大，侧偏角的值相对也要较大。在光滑的冰雪路面上 轮胎的侧向力较小，在转弯制动时会有打滑的现象，所以侧偏角基本上没有变 化。在图3 3 4 、3 3 5 中由于轮胎存在明显的侧滑倾向。特别是在光滑的冰雪 路面上，车轮短时间内不会抱死，伴有打滑的趋势；所以会有图3 1 8 和图3 3 5 中车身的横摆角速度的变化平缓、车身侧倾角变化缓慢，主要是由于轮侧滑产 生部分缓冲。相对于在干燥的水泥路面和良好的沥青路面上转弯制动时车辆的 动态性能较稳定。在图3 3 6 中在良好的沥青路面和干燥的水泥路面上，方向 盘转角的最大值基本都在2 0 0 0 左右并且完成转向。而在= 0 2 ( 冰雪路面) 上， 仿真车辆的方向盘转角为7 2 0 0 ，仍然无法完成规定弯道的转向过程。 4 1 两华大学硕士学位论文 4 轮胎爆胎的力学特性分析 4 1 充气轮胎的力学特性 轮胎的力学特性是与其复杂的物理结构密切相关的。轮胎可以看成是一个 由高度拉紧的帘线和橡胶组成的黏弹性环状体”。在现代汽车轮胎的使用中有 两种基本的轮胎结构( 子午线轮胎和斜交轮胎) ，由于子午线轮胎的接地 面宽，侧偏刚度高而随之被广泛采用9 “，其结构如图4 - 1 所示。它主要由胎 面，胎体，胎圈和带束层等几个部分组成。 胎面 带柬层 胎体 胎圈 f i 胂1t h es u u c t m e o f r a d i a i t i r e 图舢1 子午线轮胎结构 41 1 轮胎的运动坐标系 为了便于研究人员统一进行轮胎力学模型分析，国际汽车工程师协会 ( s a e ) 制定了标准的轮胎运动坐标系，并定义了轮胎的作用力和力矩及相关 运动变量。s a e 标准轮胎运动坐标系被定义为法向坐标向下的三维右手正交 坐标系j 扣】，如图4 - 2 所示。其原点是轮胎接地面的中心。x 轴是车轮平面与地 面的交线前进方向为正，z 轴垂直于路面，向上为正，y 轴在地平面内，其方 向要使坐标系成为右手直角坐标系。轮胎受到分别沿x 轴、y 轴、z 轴三个 方向的力以及绕三个轴的力矩作用，通常称为轮胎的六分力。其中f 。为纵向 力、f ，为侧向力、f 2 为法向力，力矩m 。为侧倾力矩、m 激动阻力矩、m ：为 回正力矩。 两华大学硕士学位论文 在轮胎滚动时有两个重要的角度，侧偏角0 【和外倾角丫，作用在轮胎地 面接地印迹上的侧向力是侧偏角和外倾角两者的函数。 f i 9 4 - 2t h es a et i r ec o o r d i n a t es y s t e mm o v e m e n t 图4 - 2s a e 轮胎运动坐标系 x t 4 1 2 轮胎的纵向力学特性 4 1 2 1 滚动阻力 由于轮胎的内摩擦、地面变形的阻尼( 对于软路面) 以及轮胎与地面间弹 性变形与局部滑移、地面给轮胎的垂直反力总是偏前一段距离a ，使地面反力 与垂直负荷形成力偶f z a ，它起到阻止运动的运动，称为滚动阻力偶。由图 4 3 可知，要使从动轮滚动，必须在车轮中心加推力f p l , 它与地面切向反力f f 构成一力偶矩来克服上述滚动阻力偶，即 b 1x y = 最o 【故耳，= 最 最后得到 令厂2 争，考虑到艺= 形 乃= 。 = 町 ( 4 1 ) 称乃为滚动阻力，为滚动阻力系数 西华大学硕士学位论文 _ 幺 泞一 。谚 摹事 f i 9 4 - 3 t h ef o r c eo f d r i v e nr o u n d 图4 3 从动轮受力情况 滚动阻力系数由试验确定的，滚动阻力系数与路面的种类、行驶车速以及 轮胎的构造、材料、气压有关。轮胎结构、帘线和橡胶的品种，对滚动阻力都 有影响，子午线轮胎比斜交胎滚动阻力系数低而轮胎气压高滚动阻力系数低。 行驶车速对滚动阻力系数有很大的影响，车速较高时，滚动阻力迅速增大，当 车速过高时，会产生危险的驻波现象。 4 1 2 2 纵向摩擦系数( 也称为纵向附着系数) 当车轮上受到驱动力矩乃或制动力矩瓦作用时，地面将对轮胎在接地点 作用有驱动力乃= r , r d 和制动力e = 瓦l r b ，而在这两个纵向力的最大值受轮 胎与路面间接触摩擦的限制，可传递的最大纵向力c 啡正比于垂直力忍，即 c 一= b e ，在公式中h 称为静摩擦系数，兄为轮胎上的法向反作用力。 如果车轮上要传递比e 一屹大的驱动力矩或制动力矩，则轮胎不再处于 纯滚动状态，车轮驱动时轮胎“打滑”，制动时则出现轮胎“抱死拖滑”现象，在 滑动过程中所传递的力由华东摩擦系数决定，一般小于h 。 在轮胎传递驱动力矩或制动力矩时，可由车轮在接地点的纵向速度( 等于 汽车前进速度) 屹该点由车轮角速度与半径所决定的向后切向速度匕之差值 来说明以上情况： 当v o = v ，轮胎接地点相对路面线速度为零，轮胎处于纯滚动状况。 西华大学硕士学位论文 当v 4 匕，轮胎接地点相对路面有一向前线速度a v = 屹一屹，轮胎处于拖 滑工况。 把这种速度差与原速度的百分数称为纵向滑动率九，( 或滑移率) 。为了得 到正值，在定义时要把驱动工况和制动工况分开考虑。驱动滑动率k 表示： 九，笙塑磐巽薹篓塑塑x 1 0 0 = 姓1 0 0 ( 4 - 2 ) 车轮切向速度v ， 一 。 制动滑动率以如表示： a 广整堕攀些霎些燮x 1 0 0 ：丑1 0 0 ( 4 - 3 ) 。锄 汽车行驶速度 一 。 摩擦系数= 鼻z ，( 也称为附着系数) 4 1 3 轮胎的侧偏特性 轮胎的侧偏特性是轮胎力学特性的一个重要的组成部分。侧偏特性主要是 指侧偏力、回正力矩与侧偏角间的关系，它是研究汽车操纵稳定性的基础。 汽车在行驶过程中，由于路面的侧向倾斜、侧向风或曲线行驶时的离心力 等的作用，车轮中心将受到一个侧向力e ，相应在地面上产生地面侧向反作 用力e ，由于轮胎具有侧向弹性，因而轮胎胎面中心线上诸点4 ，4 ，4 ，4 ，4 的联线将发生扭曲( 如图4 _ 4 ) ，随着车轮滚动，上述诸点4 ，4 ，4 ，4 ，4 ，其 联线所形成的轨迹a a 线与原中心面与地面交线c c 之间形成夹角仅，即为侧 偏现象，此角o c 称为侧偏角，车轮侧偏时即沿8 - a 线滚动，显然，侧偏角0 【的 数值与侧向力e 的大小有关。 西华大学硕士学位论文 l、 f i 9 4 - 4 t h ep h e n o m e n o no f t i r ec o r n e r i n g 图4 - 4 轮胎的侧偏现象 图4 5 给出轿车轮胎1 7 5 h r l 4 轮胎的侧偏力与侧偏角的关系图，曲线表明侧 偏角不超过3 。一5 。时，e 与0 成线性关系，汽车正常行驶时，侧向加速度不 超过o 4 9 ，侧偏角不超过4 。一5 。，因此在实用中可以认为侧偏力f ，与侧偏角 之间可用下面的公式表示： fy=施(4-4) 其中k 侧偏刚度，是e o 曲线在0 【= 0 。时的斜率，一般小型轿车轮胎 的k 值约为2 8 0 0 08 0 0 0 0 n r o d 范围内。侧偏刚度是决定操纵稳定性的 重要轮胎参数，轮胎应有高的侧偏刚度( 指绝对值) ，以保证汽车良好的操纵 稳定性。在较大的侧偏力时，侧偏角以较大的速率增大，而侧偏刚度则逐渐减 小这时轮胎在接地面处已经发生部分侧滑。最后，侧偏力达到附着极限时，整 西华大学硕士学位论文 个轮胎侧滑。显然，轮胎的最大侧偏力决定与附着条件，一般而言，最大侧偏 力越大，汽车的极限性能越好，譬如按圆周行驶的极限侧向加速度就越高。 南 “- t ， 誊么 r4 5 0 0 ， 妻 厂 35 0 0 叫夕 25 0 0 f 15 0 0 6v ， 一， 矿 f i 9 4 5 t h ed i a g r a mo fs i d es l i pa n g l ea n dl a t e r a lf o r c e 图4 - 5 侧偏力与侧倾角的关系图 侧偏力不是作用在支撑面得中间，而是偏后一距离，0 称为轮胎拖距， 地面侧偏力e 乘0 形成一个绕z 轴的力矩z = ex t p ，它使转向轮有趋势回复 到直线行驶位置，故称回转力矩。回正力矩与侧偏角的关系可用图4 - 6 来表示： ， e z ： o 瑗 妥 甚 丽 1l， 蘑：矗载衙- 6 0 0 0 n r 厂l5 0 0 0 n r i ，、 l