FTire模型的建立方法研究.doc

模型的建立方法研究 *FTire严金霞 1张开斌 1谢飞 1王国林 2朱茂桃 2（1.中国汽车工程研究院股份有限公司；2.江苏大学）【摘要】在熟悉 FTire 模型结构及其特性基础上，提出一种基于虚拟样机软件 ADAMS 的建立方法，并通过适当的测试模型参数， 建立了子午线轮胎的 FTire 模型。 通过分析不同间距的三维等效容积路面仿真统计数据 ，可知FTire 模型可以根据需求自动划分网格，但其最佳网格间距为 20 mm。 FTire 模型的建立为进一步进行车辆动力学分析提供了有效的轮胎模型。主题词：轮胎FTire 模型道路间距网格划分中图分类号：U463.34文献标识码：A文章编号：10003703（2011）10001304Research on Establishment Methods of FTire ModelYan Jinxia1, Zhang Kaibin1, Xie Fei1, Wang Guolin2, Zhu Maotao2（1. China Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd; 2. Jiangsu University）【Abstract】Based on familiarizing structure and characteristics of FTire model, the establishment methods are provided in virtual prototype ADAMS software and the meridian tire FTire model is established by the proper test model parameters. By analyzing the simulation statistics data of different spacing 3D equivalent volume road, it is concluded that FTire model is able to divide automatically grid according to demand, but its optimal mesh grid spacing is 20 mm. The establishment of FTire model provides an effective way to construct the tire database for vehicle dynamics analysis.Key words：Tire, FTire model, Road spacing, Grid division内特性方面具有较高精度。该模型不仅适用于车辆前言1操纵稳定性、平顺性和耐久性的研究，同样适用于轮FTire（Flexible Ring Tire）模型在仿真轮胎平面胎接地印迹的计算研究，还可以对轮胎与地面接触觹 基金项目：国家“863”高科技资助项目 中国典型汽车道路谱统计测量及应用系统开发项目（编号 2006AA110116）资助。表 4 优化前、后汽车性能指标性、 经济性仿真模型，验，确保了仿真的精度。并利用试验结果对模型进行校b.通过 GT_DRIV 软件和 modeFRONTIER 软件的联合仿真，以动力性和经济性为优化目标，对传 动系统参数进行优化， 使该车的动力性和经济性有 所改善。参 考 文 献王铁，武玉维，李萍锋，郑利锋，王晓.重型载货汽车动力传动系统参数优化匹配.汽车技术，2010（9）: 3337.王丽荣，上官云飞. 基于 Cruise 自卸车动力性经济性仿真 分析与优化.专用汽车，2007（3）： 2931.1从表 4 可以看出，3 种优化方案的动力性和经济性都有所改善。但实际上，动力性和经济性是相互制约 的，所以选取方案的时候要根据实际需要进行选取。本 文目的是在保证足够动力性的情况下提高燃油经济 性，所以选取 30 号方案为动力匹配最佳方案。2罗 卫 东 ，邱 望 标 . 汽车动力性和燃油经济性的计算机 3仿真与传动系统 参 数 优 化 设 计 . 现 代 机 械 ， 2008 （4 ） ：3235.（责任编辑 学 林）修改稿收到日期为 2011 年 7 月 30 日。结束语5a.采用 GT_DRIV 软件建立某重型汽车的动力指 标优化前优化后方案号12230动力性最高车速/kmh-1118.62117.43117.36118.011 挡最大爬坡度/%24.7325.4625.5725.98080 km/h加速时间/s82.8479.4178.0482.80经济性6 工况循环油耗/L（100 km）-146.3245.6845.8745.38设计计算研究部位的受力进行分析， 为研究轮胎磨损问题奠定了基础。 但是目前国内对该模型的研究相对较少，本使用时要求用户对该模型有相当的了解， 并能正确测取参数。 本文通过试验方法创建了某车型的 FTire文主要针对其在 ADAMS 中的表现形式，模型的建立方法。2FTire 模型介绍了该模型，通过直接测量和试验方法获取轮胎的基本参数，建立了子午线轮胎的 FTire 模型。FTire 模型所需的参数如下：3几何参数。 包括轮胎和轮辋的基本几何尺a.FTire 模型由德国 Esslingen 大学 Michael Gipser领导的小组开发。 它基于柔性环模型， 即本质是一 个物理模型。 FTire 模型是兼顾仿真精度和仿真速度 的 2.5 维非线性轮胎模型。 自 ADAMS 11.0 版本后， FTire 模型作为 MSC 官方推荐的用于车辆平顺性、 耐久性及操纵性仿真分析的轮胎模型。 FTire 模型简 化1如图 1 所示。寸等， 轮胎的断面宽度、 高宽比、 轮辋直径、 负荷指数、速度符号等参数可以直接从轮胎型号中获得；轮胎的自由半径、轮辋的轮缘高度直接通过卷尺或游标卡尺测量；轮缘高度的名义值和轮辋标定宽度即两轮缘内侧之间的距离，可以通过轮辋轮廓检验样板 获 得4； 钢丝层到凹槽底部的橡胶厚度 、 胎 肩 宽度、胎肩深度、带束层横截面的曲率半径（中面）直接 从轮胎供应商处获得。b.质量和转动惯量。质量可以直接通过台秤称重，转动惯量通过 3 线摆测取。c.胎面花纹参数。的绍氏硬度计直接测量；胎面的绍氏硬度通过标准轮胎花纹平均凹槽深度可通过游标卡尺测量轮胎胎面同一横截面内的几个主花纹沟的深度获得。图 1 FTire 模型简化示意FTire 模型的主要结构特征及特点2，3 有以下几 点：弹性环不仅能描述轮胎的面内振动，也能描述轮 胎的面外特性，胎体沿圆周方向离散，需要时也可在 胎体宽度方向离散，胎体单元之间用弹簧相连，在每d.考虑花纹作用、实际接地面积占接地印迹面积的百分比，直接测量实际接地面积和接地印迹面积（接地印迹面积是指静态轮胎在垂直负荷作用下，胎面行驶面压在刚性平面上的投影面积；接地面积是胎面花纹在刚性平面上压印的面积）。e. 胎 面 宽 度 ， 是 指 负 荷 指 数 （475 kg ） 下 、 无 外倾角的正常行驶条件下胎 面与路面的接触宽 度。 使车辆正常行驶过一堆白灰或白纸， 测量其接 触宽度。个胎体单元上有一定数量的胎面单元；轮辋与轮胎用径向、切向、侧向 3 个方向的分布弹簧相连；轮胎的自由半径和弹簧刚度随着轮胎转速的变化而改 变； 采用了复杂非线性的模型描述胎面橡胶摩擦特 性，即摩擦系数为压力和滑移速度的函数；可用于短轮胎胎面的摩擦特性参数。可通过不同压波不平路面，即适应波长小于轮胎接地印迹长度一f.半的障碍物；具有完全的非线性；频率可高达 120150 Hz；所用计算时间为实时的 520 倍；测取轮胎力和滑移速度下胎面橡胶的摩擦特性试验获得。g. 滚动周长。 可通过估算方法获得5，欧洲轮 胎与轮辋技术协会（E.T.R.T.O.）推荐用公式（1）来计 算滚动周长。的模态参数时要求轮辋固定；通过单个障碍物可获得非常高的精度；适用于轮胎误用、轮胎失压等极端情景；对于轮胎的稳态特性有足够精度。FTire 模型不需要复杂的道路数据预处理，只需CR=Fd式中，d 为轮胎的自由半径；F 为计算常数，轮胎 F=3.05，斜交轮胎 F=2.99。（1）子午线提取和分解不规则路面，甚至是非常高和锋利的障碍物。 FTire 模型可应用于很多平台， 如 ADAMS、Simpack、MATLAB/Simulink、COSIN/mbs、Virtual.Labh.轮胎静刚度试验。静垂向刚度通过测量轮胎的垂直位移载荷特性曲线获得；轮胎静态径向Motion、FEDEM 等，泛的轮胎模型。因此该模型成为应用越来越广刚度通过测量轮胎下沉量径向力特性曲线获得，需要测量两个变形下（10 mm 和 20 mm）的垂直载荷。首先通过汽车轮胎道路旋转测试台将轮胎固定，如图 2 所示，对轮胎充气至 220 kPa；施加垂直载荷（范围是 5005 000 N，从 500 N 开始，垂直载荷每增汽 车 技 术3FTire 模型参数的建立FTire 模型需要获取几何、质量、静刚度等参数， 14 设计计算研究加 500 N 采集一次轮胎下沉量），根据轮胎下沉量和施加的载荷拟合出轮胎下沉量径向力特性曲线，试验的锤头较硬。 若安装在轮胎上的传感器为单向传感器，在改变力锤锤击方向后，传感器也需要重新 安装，确保传感器方向与锤击方向一致。如图 3 所示，从而求出轮胎静态径向刚度和两个变形下的垂直载荷。图 5力锤沿径向和侧向敲击示意通过试验得到的激励力和振动加速度响应可以求得频响函数如图 6 所示，曲线的峰值频率对应轮胎相应模态振型的频率。 通过模态参数可识别出轮胎面内 0 阶转动、面内 1 阶错动、面外 0 阶平动、面 外 1 阶转动、 面内 2 阶弯曲和面外 2 阶弯曲等模态 振型及相应的模态频率。 对于单个信号数据， 常使 用 3 种方法进行阻尼测试，包括时域衰减法、半功率 带宽法和 INV 阻尼计法。 轮胎模态试验的数据处理图 2静态径向刚度试验5.04.54.03.53.02.52.01.51.0采用 5 次试验数据取平均值，求得轮胎的模态振型与相应的模态频率，如表 1 所列。0.5-505 10 15 20 25轮胎下沉量/mm30A:2XL:0.00 YL:0.00 XH:400.00 YH:1.953图 3静态径向刚度特性曲线i. 轮 胎 模 态 参 数 。获得。通过轮胎的模态 试 验6 ，7Mag对轮胎充气至 220 kPa，将轮辋固定在台架上，00采用单点测量多点激励（图 4）方法，首先将轮胎沿圆周方向 10 等分，沿胎面径向、侧向两个方向，用力 锤对轮胎的 10 等分点分别进行激励，通过 3 轴向加 速度传感器（PCB-480B21）测取轮胎的振动响应，分 析得到轮胎的模态振型和模态频率。Freq（Hz）频响函数曲线轮胎模态参数400图 6表 1将轮胎的几何尺寸、质量参数、刚度参数等试验数据写入 FTire 模型文件中，从而建立某汽车轮胎（175/70R13）的 FTire 动力学模型。FTire 模型的建立方法不同于传统的轮胎模型，如果试验条件具备，其 参数获取更为方便。 对各种不同类型轮胎 ， 建立 FTire 模型的方法一致。针对虚拟软件 ADAMS 的参数化建模思想， 只 15 图 4轮胎模态试验在轮胎模态试验中， 力锤的锤击方向分别为沿轮胎径向和侧向2，如图 5 所示。一般用于轮胎模态2011 年 第 10 期径向力/kN模态振型模态频率/Hz阻尼比/%194.524.022110.033.573132.002.884158.333.125187.023.356217.463.61设计计算研究要对不同规格型号的轮胎按上述方法进行参数化，即可建立 ADAMS 软件中 FTire 模型的轮胎数据库。4FTire 模型的包容特性在 ISO 8608 -1995 mechanical vibration -road从表 2 中可得出以下结论：随 着 网 格 间 距 的 增 大 ，虚 拟 样 机 软 件运行速度迅速a.ADAMS 的仿真运行时间快速减少，提高。仿真的网格总数目与道路的网格数目没有b.测量标关系， 与道路的长度和宽度有关。长度和宽度一定surface profiles-reporting of measured data8准中，明确了路面谱空间频率范围为0.0112.83 m-1，时，网格总数几乎不变，说明 FTire 模型可以自动划分网格。c. 网格间距为 20 mm 时，FTire 模型的网格搜 索率最高，搜索到的网格数目也最多，仿真速度也较 快。 网格间距增大或减小时，网格搜索率会下降。 考波长频率范围为 0.3590.9 m。据统计，我国路面的空间频率在 0.013 m-1 范围内， 在常用车速 1050m/s， 即 36180 km/h 时， 可以保证时间频率范围在0.530 Hz 内。 该频率范围能把悬架（车身）质量部分 的固有频率 12 Hz、非悬架（车轮）质量部分的固有 频 率 10 18 Hz 以 及研究乘坐舒适性的时间频率 0.530 Hz 有效覆盖在内。所应用的道路不平度数据利用道路纵断面剖面 检测系统采集， 并经过滤波处理， 得到空间频率在虑道路空间频谱和车辆关心的频率后，针对轮胎具有包容性，选取道路的网格间距为 20 mm。结束语5通过测量和试验（轮胎静态的径向刚度试a.0.013 m-1 范围内的路面数据。在此基础上考虑轮验和模态试验等）方法获取轮胎模型的几何参数、刚胎的包容特性，对路面数据进行插值处理，得到不同网格间距的路面数据。轮胎包容特性是指轮胎具有包容凹凸不平、减 少冲击力和延长作用时间的特性。 通过分析 FTire度参数以及模态参数等，的 FTire 动力学模型。可方便地建立子午线轮胎在考虑道路空间 频谱和车辆关心的频率 b.后，针对轮胎具有包容凹凸不平、减少冲击力和延长作用时间的包容特性， 得出 FTire 模型的道路最佳 网格间距为 20 mm。参 考 文 献模型的包容特性， 确定所能识别的道路间距。取一段长度为 3 m 宽度为 2 m 的路面数据，分别采用双3 次样条插值方法，生成不同网格间距的三维数据，1Hans R.Dorfi. Tire Cleat Impact and Force Transmission:Modeling Based on FTIRE and Correlation to ExperimentalData， SAE（2004-01-1575）.MSC Software， ADAMS 2007r1/help， ADAMS/Tire， 2007. Dr.Michael Gipser. FTire_2008.pdf.Esslingen University of Applied Sciences， Germany， 2008.QC/T 581-1999.汽车轮辋轮廓检验样板.余 志 生. 汽 车 理 论 （ 第 3 版 ）. 北 京 ： 机械工业出版社 ，2000.管迪华，彭会，范成建. 轮胎模态试验的分析研究. 汽车工 程，2005， 26（6）:691695.葛