复合工况下轮胎稳态模型研究

轮胎力学特性是车辆动力学分析和研究的基础，包括侧偏、侧倾以及纵滑的全复合工况下的轮胎特性对于车辆的行驶稳定性和安全性有重大影响。目前，对于实际轮胎大载荷时常出现的强各向异性刚度下的侧偏纵滑耦合特性，以及进一步包括大侧倾影响的全复合工况的轮胎力学特性的研究和建模还很不充分；另外，复合工况力学特性试验难度大、周期长、成本高，开发不再需要复合工况数据的预测模型具有重要的意义，是当前轮胎模型发展的研究热点。 围绕上述问题，在郭孔辉教授提出的UniTire统一轮胎模型的体系上，本文开展了以下研究工作： 首先，建立了不考虑胎体弹性的侧偏纵滑复合工况刷子简化理论模型，并引入侧倾的影响，建立了考虑侧倾的轮胎侧偏特性简化理论模型。重点分析在无量纲空间内，复合工况下总切力和回正力臂的变化趋势，以及侧倾对侧向力和回正力臂的影响。揭示了侧偏纵滑工况下无量纲总切力和回正力臂是相对综合滑移率的单变量函数，与纯工况具有统一的表达，而当包含侧倾时，这种单变量函数关系被破坏，传统的仅仅依靠将侧倾等效为侧偏角(侧向滑移率)的方法不足以表达侧倾对力和力矩特性的影响。侧倾对于无量纲侧向力和回正力臂过渡阶段的影响必须要引起关注。简化理论模型的意义在于定性把握力学特性的宏观特性，表达简洁，更为关键的是能够表达成无量纲的函数关系，能够为UniTire半经验建模提供直接的理论框架。 其次，考虑胎体的弹性，对各向异性刚度条件下总切力方向的变化机理进行了分析，并在此基础上，结合胎体的复杂变形、轮胎与地面间的任意压力分布以及动态摩擦特性，分别建立了不考虑胎宽和考虑胎宽影响的具有普遍适应性的包括侧倾、侧偏以及纵滑的全复合工况精细理论模型。对各工况下的轮胎力学特性进行了仿真分析，结果表明，该模型能够合理解释试验中出现的各种细节的力学现象，对于各向异性刚度以及大侧倾角影响下的侧偏、侧倾和纵滑的耦合特性能够进行很好的表达。分析了胎体弹性对关键力学特性的影响，揭示了以下重要力学现象的产生机理：胎体侧向弯曲弹性和扭转弹性会引起轮胎侧偏刚度的降低，而且，一般情况下，随着载荷的增加，相对侧偏刚度也会逐渐减小，这将会对车辆的转向特性产生重大的影响；胎体的平移弹性会使得复合工况下纵向力产生回正力矩，并且在胎体扭转弹性的作用下产生扭转角，引起轮胎侧偏刚度随纵向力的变化；胎体扭转弹性还会引起侧倾纵滑和侧偏侧倾纵滑全复合工况时侧向力曲线的“S”形现象等等。这些力学现象机理的阐述能够在简化理论模型所提供的理论框架的基础上，指导UniTire对细节特性的半经验建模，为建立高精度的UniTire半经验模型提供了重要的理论依据。 然后，以简化理论模型为纲，以精细理论模型指导细节特性的建模，结合试验中某些特殊现象的定性分析，建立了能够表达各向异性刚度和大侧倾影响的UniTire统一半经验轮胎模型。1)针对侧偏纵滑复合工况的建模，从总切力的量值、总切力的方向以及纵向力对侧偏刚度的影响三个方面进行分析：利用UniTire基本方程计算总切力的量值；提出了满足理论边界条件的总切力方向因子用于表达各向异性刚度下印迹内总切力方向的变化；分析了在纵向力作用下，侧偏刚度变化的机理，并建立了半经验模型。2)针对侧倾对侧偏特性的影响，结合理论指导和试验分析，除了引入侧倾等效侧向滑移率外，同时考虑了侧倾对侧向力曲率因子、摩擦系数的影响，以及对回正力臂过渡阶段曲率因子和残余回正力矩的影响，建立了相应的半经验模型。3)针对侧倾对纵滑特性和侧偏纵滑复合工况的影响，在上述模型的基础上，结合精细理论模型机理的分析，进一步引入纵向力引起的等效侧向滑移率来表达侧向力的“S”形现象，建立和侧倾相关的侧向拖臂来表达回正力矩的变化。通过大量的试验数据对所建立的UniTire半经验模型进行验证，结果显示模型具有很好的表达能力和表达精度。 最后，引入“综合滑移率圆”的概念，对同一综合滑移率下的轮胎力学特性进行了分析，在此基础上，结合各向异性刚度下复合工况总切力方向的变化机理，提出了“状态刚度法”预测侧偏纵滑复合工况下的轮胎力学特性，能够很好地解决各向异性刚度条件下复合工况的预测问题。进一步考虑侧倾的影响，建立了侧偏、侧倾以及纵滑全复合工况下的UniTire预测模型。该预测模型具有广泛的适应性，且不再需要任何复合工况数据，试验验证结果显示模型具有较高的预测精度。 本文主要创新点如下：1、揭示了各向异性刚度下轮胎印迹内总切力方向的变化机理，并提出了满足边 界条件的总切力方向因子，能够准确描述总切力方向的变化规律；2、建立了考虑侧倾、侧偏以及纵滑的全工况稳态精细理论模型，从物理本质上 理解和分析轮胎的稳态力学特性；3、对侧倾影响下的力学特性进行了全面细致的理论分析和半经验建模，解决了 大侧倾下轮胎力学特性精确表达的问题；4、提出了新的复合工况力学特性预测方法——状态刚度法，能够准确预测各向 异性刚度下的轮胎复合工况力学特性。