轮胎动摩擦特性研究及其对车辆操纵稳定性的影响

本文从橡胶摩擦特性的试验研究入手，建立橡胶动摩擦试验系统，获得 各工况下的橡胶摩擦特性数据。在此基础上进行轮胎侧偏力学的理论研究， 先后建立了考虑简单动摩擦的统一刷子模型、考虑动摩擦特性的一般理论模 型和考虑动摩擦的统一指数半经验模型，并将考虑动摩擦的统一指数半经验 模型加入整车动力学模型中研究橡胶动摩擦特性对车辆动力学仿真结果的影 响。 为掌握轮胎橡胶的摩擦特性首先进行了轮胎橡胶在干路面、冰面的摩擦 试验。设计出了高效、可行的试验方法并获得了不同速度、压力、温度下的 橡胶摩擦系数试验结果。将 Savkoor 摩擦系数模型扩展为不仅是滑移速度的 函数还同时是压力、温度的函数，用以实现任意工况下摩擦系数的表达和对 试验数据的参数辨识。通过轮胎橡胶的摩擦试验进一步提高了对轮胎摩擦特 性的认识，同时为下一步轮胎理论模型和半经验模型的改进打下基础。 从轮胎统一刷子理论模型出发，进行动摩擦特性的理论研究。将最简单 的动摩擦模型加入轮胎理论模型中。通过改变 stiction 摩擦模型中的动摩擦系 数、静摩擦系数来研究其对轮胎侧偏特性的影响。结合轮胎橡胶的摩擦实验 结果，设计出高速下和低速下的轮胎侧偏特性所对应的动、静摩擦系数组合。 由此初步定量分析动摩擦特性对轮胎侧偏特性的影响。应用该模型还分析了 胎面刚度、轮胎印迹长度、载荷等因素对轮胎侧偏特性的影响。应用最简单 I 吉林大学博士学位论文 的动摩擦模型分析了考虑动摩擦后轮胎侧偏特性的变化，仅通过改变两个参 数（动摩擦系数，静摩擦系数）就实现了不同速度下的侧向力和回正力矩的 计算。这种方法虽然简单却为下一步建立更复杂的理论模型打下了基础，也 为轮胎半经验模型的改进提供了理论依据。 以考虑胎体复杂变形的轮胎一般理论模型为基础，结合第二章所获得的 轮胎橡胶动摩擦半经验模型，更细致地分析动摩擦各因素对轮胎侧偏特性的 影响。首先，在考虑胎体复杂变形的前提下推导出考虑动摩擦特性的轮胎一 般理论模型（UGTMDF）。应用该模型定量分析了动摩擦各特性参数对轮胎 侧偏特性的影响并与轮胎实验数据作了对比。与第二章所获得的轮胎橡胶在 冰面的摩擦特性模型结合计算了轮胎在冰面上的侧向力及回正力矩，并分析 了速度、温度、压力等因素对轮胎侧偏特性的影响。本章把考虑胎体复杂变 形的轮胎一般理论模型与轮胎动摩擦特性相结合，初步实现了应用轮胎橡胶 块摩擦特性计算轮胎侧偏特性。这种方法使我们可以不必去作更多的复杂的、 高成本的、高难度的、危险的轮胎侧偏试验，而仅进行简单的、低投入的、 易控的、高效的轮胎橡胶单元的摩擦试验同样获得所需要的干、湿路面，高、 低附着路面，冰面，高、低速度等工况下的轮胎侧偏特性。本章的工作进一 步提高了对轮胎动摩擦特性的认识，为半经验模型的改进提供了方向性的指 导。 第五章在统一指数半经验模型的基础上，以前面理论模型和橡胶摩擦试 验研究为依据，进一步改进轮胎半经验模型。通过理论模型所给出的边界确 定半经验模型的系数关系。根据橡胶摩擦特性半经验模型改进统一指数半经 验模型中的摩擦系数表达式。应用考虑动摩擦的统一指数半经验模型 （UESETMDF）拟合了一组轮胎试验数据。对改进前后的模型的拟合精度进 行对比，阐述了改进摩擦系数表达式的必要性。应用该模型初步预测了该轮 胎在高速时的侧向力和回正力臂。本章的工作改进了统一指数模型，提高了 模型的拟合精度，再一次看到了统一指数模型的广泛的理论适应性。为进一 步提高车辆仿真精度提供了支持，也为提高人们对不同速度轮胎侧偏特性变 化的认识提供了示例。 动摩擦特性给轮胎特性带来的变化会对整车的操纵性有影响吗，这种影 II 中 文 摘 要 响有多大，都影响哪些指标呢？如果影响不大是否就可以不考虑动摩擦的影 响，不进行各种速度下的轮胎实验了呢？为解决这些疑问，第六章着重研究 动摩擦特性给车辆动力学仿真结果带来的变化。为充分比较，首先设计了四 种轮胎半经验模型方案：1、高附着静摩擦，2、高附着动摩擦，3、低附着静 摩擦，4、低附着动摩擦。将这四种轮胎模型分别加入同一整车 29 自由度模 型中，进行同样输入下的各车辆力学指标输出结果对比分析。从中清晰地看 到动、静摩擦下车辆动力学仿真结果的显著不同，集中显示了考虑动摩擦的 必要性。也清楚地看到仅应用静摩擦轮胎模型，不考虑速度变化将给车辆仿 真和操纵稳定性评价带来过于理想的、不接近实际的结果。