汽车行业-变摩擦系数路面上轮胎力学特性分析

PAGEPAGE8变摩擦系数路面上轮胎力学特性分析闫治仲【1】姜洪旭【2】李忠东【2】张伟伟【2】卢荡【1】［吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室长春130022【1】青岛森麒麟轮胎股份有限公司技术中心青岛266229【2】］摘要：通过研究轮胎在由高摩擦系数路面进入低摩擦系数路面和由低摩擦系数路面进入高摩擦系数路面过程中的侧向力和回正力矩的瞬态变化，得出轮胎在滚过摩擦系数突变部位，侧向力会产生显著变化，回正力矩也会有一个瞬时突变，仿真与试验结果都体现了这一规律。关键词：变摩擦系数路面瞬态特性侧向力和回正力矩轮胎是汽车唯一的接地部件，在行驶过程中，改变汽车运动状态的力是轮胎与地面相互作用产生的轮胎力。轮胎与路面间的相互作用与车辆的运动状态相互耦合。在实际生活中车辆行驶的道路状况经常会发生改变，比如车辆会在干路面、水滑路面、冰雪路面等不同路面上行驶。车辆在通过带水路面或结冰路面，轮胎附着系数发生突变时最易发生事故。路面摩擦系数变化直接影响轮胎的力学特性[1]。对于路面摩擦系数突变时轮胎侧向力学的变化特性，较少有相关公开文献[2]。研究轮胎在变摩擦系数路面上的力学特性的变化，有助于研究车辆在极端或突变工况下的操纵稳定特性[3]。轮胎与路面之间摩擦定义从力学分析的角度看，接触是边界条件高度非线性的复杂问题，若要有效地仿真研究轮胎接地问题，必须正确模拟接触面的法向作用和摩擦行为。本研究采用精度高、适用性广的直接约束法描述接触问题，该方法会追踪物体的运动轨迹，一旦探测发生接触，便将接触所需要的运动约束和节点力作为边界条件直接施加在产生接触的节点上。切向接触条件常使用库伦摩擦模型来描述，该模型用摩擦系数µ来表征在两个表面之间的摩擦行为。临界摩擦剪应力的值为µP。在接触面间的剪应力达到µP之前(P为接触正压力)，切向运动一直保持为零，处于粘着状态；直到接触面间的剪应力等于µP时，接触面才发生相对滑移。图1.1中的实线描述了库伦摩擦的行为。作者简介：姜洪旭，男，青岛森麒麟轮胎股份有限公司，主任，主要从事轮胎有限元仿真工作邮箱：jianghongxu112@126.com。卢荡，黑龙江大庆人，吉林大学教授，博士，主要从事轮胎力学及车辆动力学研究工作邮箱：ludang960526@126.com。作者简介：姜洪旭，男，青岛森麒麟轮胎股份有限公司，主任，主要从事轮胎有限元仿真工作邮箱：jianghongxu112@126.com。卢荡，黑龙江大庆人，吉林大学教授，博士，主要从事轮胎力学及车辆动力学研究工作邮箱：ludang960526@126.com。ElasticSlip和SlipTolerance这两个参数在稳态传输分析和其他分析过程中的意义有所不同。在其他分析中，这两个参数决定了允许弹性滑动量γi，典型的允许弹性滑动量设置成“单元特征长度”的很小一部分(10-2-10-4)。而在稳态传输分析中，ElasticSlip参数表示允许弹性滑动速度，SlipTolerance参数表示滑动容差Fr。在应用中，Fr反映了发生滑动时两接触体的临界相对速度，其缺省值为0.005，该缺省值足够小，能满足一般的精度要求，同时可以收敛。图1.1摩擦行为轮胎变摩擦系数（粗糙-光滑）路面试验介绍图2.1吉林大学平板式轮胎力学特性试验台图中左侧的白色平板是聚四氟乙烯材料，作为低摩擦系数路面，右侧黑色平板为具有高摩擦系数的磨砂路面。并需要用适当厚度的垫片，保持两侧路面高度、平整度一致，过渡处状态良好。以图2.1为参照，试验开始前，轮胎停靠在试验滑台的最右端，试验开始后，轮胎以一定侧偏角从右向左滚动，试验过程与前文中侧偏角阶跃工况相同。轮胎从静止开始在高摩擦路面滚动1000mm时，摩擦系数突然变小，进入到低摩擦路面，继续滚动800mm停止，一次试验完成。摩擦系数跃变路面上的仿真3.1从低附着系数跃变到高附着系数路面上的仿真结果如果车辆在不同的附着系数的路面上运动，车辆运动状态将会将会发生变化，尤其是在不同的路面交界处（如从冰路面突然运动到沥青路面），此时车辆的附着性能将会显著提高。图3.1.1~图3.1.2为205/55R16轮胎在对接路面上速度为0.432km/h，胎压为250KPa，载荷为6000N，1度侧偏角下侧偏工况的试验测试结果。图3.1.1轮胎变摩擦系数试验侧向力与滚动距离的关系曲线图3.1.2轮胎变摩擦系数试验回正力矩与滚动距离的关系曲线图3.1.3~图3.1.4为205/55R16轮胎在对接路面上速度为0.432km/h，胎压为250KPa，载荷为6000N，3度侧偏角下侧偏工况的试验测试结果。图3.1.3轮胎变摩擦系数试验侧向力与滚动距离的关系曲线图3.1.4轮胎变摩擦系数试验回正力矩与滚动距离的关系曲线图3.1.5~图3.1.6为轮胎在对接路面上速度为0.432km/h，胎压为250KPa，载荷为6000N，6度侧偏角下侧偏工况的试验测试结果。图3.1.5轮胎变摩擦系数试验侧向力与滚动距离的关系曲线图3.1.6轮胎变摩擦系数试验回正力矩与滚动距离的关系曲线轮胎以一个恒定的侧偏角和恒定的载荷滚过两种不同的路面，记录此时轮胎的受力情况，可以得到轮胎在摩擦系数变化的路面上的侧偏特性曲线。根据真实轮胎变摩擦系数试验，设定轮胎工况进行仿真，仿真工况如表3.1所示。调用隐式动态求解器进行仿真，路面设定两段对接路面，预设路面初段为冰雪路面（假设动摩擦系数为0.3），一定距离后跃变到沥青路面（假设动摩擦系数为1）。低附着系数路面高附着系数路面胎压载荷侧偏角摩擦系数路面长度（mm）摩擦系数路面长度（mm）250KPa6000N1度、3度、6度0.310001.0800表3.1从低附着系数跃变到高附着系数路面上的工况设置图3.1.7~图3.1.8为轮胎在对接路面上速度为0.45km/h，胎压为250KPa，载荷为6000N，1度侧偏角下侧偏工况的仿真结果。图3.1.7205轮胎变摩擦系数仿真侧向力与滚动距离的关系曲线图3.1.8轮胎变摩擦系数仿真回正力矩与滚动距离的关系曲线图3.1.9~图3.1.10为轮胎在对接路面上速度为0.45km/h，胎压为250KPa，载荷为6000N，3度侧偏角下侧偏工况的仿真结果。图3.1.9轮胎变摩擦系数仿真侧向力与滚动距离的关系曲线图3.1.10轮胎变摩擦系数仿真回正力矩与滚动距离的关系曲线图3.1.11~图3.1.12为轮胎在对接路面上速度为0.45km/h，胎压为250KPa，载荷为6000N，6度侧偏角下侧偏工况的仿真结果。图3.1.11轮胎变摩擦系数仿真侧向力与滚动距离的关系曲线图3.1.12轮胎变摩擦系数仿真回正力矩与滚动距离的关系曲线可以看到此时侧向力发生突变，迅速增大，随后便保持稳定状态，不再变化。回正力矩也随着路面摩擦系数的跃升而剧烈变化，最终趋于稳定。在较大侧偏角时，回正力矩在阶跃摩擦系数变化前有一尖峰突起。仿真结果与试验结果完全一致。图3.1.13~图3.1.14为轮胎在对接路面上速度为0.45km/h，胎压为250KPa，载荷为2000N和6000N，1度侧偏角下侧偏工况的仿真结果对比图。图3.1.13轮胎变摩擦系数仿真侧向力与滚动距离的关系曲线图3.1.14轮胎变摩擦系数仿真回正力矩与滚动距离的关系曲线由上面两幅对比图可看出，无论轮胎模型在大载荷还是小载荷下，侧向力和回正力矩的变化趋势都是一样的，在路面摩擦系数分界处侧向力和回正力矩会发生突变，最终趋于稳定。3.2从高附着系数跃变到低附着系数路面上的仿真结果图3.2.1~图3.2.2为205轮胎在对接路面上速度为0.432km/h，胎压为250KPa，载荷为6000N，1度侧偏角下侧偏工况的试验测试结果。图3.2.1轮胎变摩擦系数试验侧向力与滚动距离的关系曲线图3.2.2轮胎变摩擦系数试验回正力矩与滚动距离的关系曲线图3.2.3~图3.2.4为205/55R16轮胎在对接路面上速度为0.432km/h，胎压为250KPa，载荷为6000N，3度侧偏角下侧偏工况的试验测试结果。图3.2.3轮胎变摩擦系数试验侧向力与滚动距离的关系曲线图3.2.4轮胎变摩擦系数试验回正力矩与滚动距离的关系曲线图3.2.5~图3.2.6为轮胎在对接路面上速度为0.432km/h，胎压为250KPa，载荷为6000N，6度侧偏角下侧偏工况的试验测试结果。图3.2.5轮胎变摩擦系数试验侧向力与滚动距离的关系曲线图3.2.6轮胎变摩擦系数试验回正力矩与滚动距离的关系曲线轮胎以一个恒定的侧偏角和恒定的载荷滚过两种不同的路面，记录此时轮胎的受力情况，可以得到轮胎在摩擦系数变化的路面上的侧偏特性曲线。根据真实轮胎变摩擦系数试验，设定轮胎工况进行仿真，仿真工况如表3.2所示。调用隐式动态求解器进行仿真，路面设定两段对接路面，预设路面为初段为沥青路面（假设动摩擦系数为1），一定距离后跃变到冰雪路面（假设动摩擦系数为0.3）。高附着系数路面低附着系数路面胎压载荷侧偏角摩擦系数路面长度摩擦系数路面长度250KPa6000N1度、3度、6度11000mm0.3800mm表3.2从高附着系数跃变到低附着系数路面上的工况设置图3.2.7~图3.2.8为轮胎在对接路面上速度为0.45km/h，胎压为250KPa，载荷为6000N，1度侧偏角下侧偏工况的仿真结果。图3.2.7轮胎变摩擦系数仿真侧向力与滚动距离的关系曲线图3.2.8轮胎变摩擦系数仿真回正力矩与滚动距离的关系曲线图3.2.9~图3.2.10为轮胎在对接路面上速度为0.45km/h，胎压为250KPa，载荷为6000N，3度侧偏角下侧偏工况的仿真结果。图3.2.9轮胎变摩擦系数仿真侧向力与滚动距离的关系曲线图3.2.10轮胎变摩擦系数仿真回正力矩与滚动距离的关系曲线图3.2.11~图3.2.12为轮胎在对接路面上速度为0.45km/h，胎压为250KPa，载荷为6000N，6度侧偏角下侧偏工况的仿真结果。图3.2.11轮胎变摩擦系数仿真侧向力与滚动距离的关系曲线图3.2.12轮胎变摩擦系数仿真回正力矩与滚动距离的关系曲线可以看到此时侧向力发生突变，迅速减小，随后便保持稳定状态，不再变化。回正力矩也随着路面摩擦系数的跃升而剧烈变化，最终趋于稳定。在较大侧偏角时，回正力矩在阶跃摩擦系数变化前有一尖峰突起。仿真结果与试验结果完全一致。图3.2.13~图3.2.14为轮胎在对接路面上速度为0.45km/h，胎压为250KPa，载荷为2000N和6000N，1度侧偏角下侧偏工况的仿真结果对比图。图3.2.13轮胎变摩擦系数仿真侧向力与滚动距离的关系曲线图3.2.14轮胎变摩擦系数仿真回正力矩与滚动距离的关系曲线4、总结轮胎的力学特性非常复杂，当轮胎接地印痕内的路面摩擦系数不同时更是如此。在摩擦系数突过程中，轮胎从接地印痕前端点开始进入不同路面，轮胎接地印痕内分布的侧向合力作用点位置偏移，这导致轮胎拖距发生变化，这也是回正力矩“尖峰”突起的现象产生的原因。摩擦系数突然变大，则拖距减小，这会使回正力矩突然减小，随着轮胎接地部分更多的进入粗糙路面，侧向力逐渐增大，拖距又回到正常状态，回正力矩又开始增大。摩擦系数突然变小，拖距突然增大，虽然侧