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胎压对轮胎力学特性和整车载荷的影响分析
2020-08-18 21:06:21· 来源：上汽安全与CAE技术
0 引言
轮胎是汽车与地面接触的唯一零件，路面的激励都是通过车轮传递到悬架，进而传递到车身，因此胎压的高低对整车受力状态有着至关重要的影响[1]。
如何在开发早期缺少物理样车的情况下评估胎压变化对车辆耐久性能的影响，通过数字化轮胎结合整车动力学模型仿真使之变为可能。
1 F-tire模型
F-tire模型是一种基于柔性环假设的3D非线性轮胎模型，其中结构模型是构成F-tire的一项核心组成部分。结构模型包括带束-胎体-胎圈结构和胎面力学特性。如图1所示，带束节点与轮辋之间通过刚度单元、阻尼单元、摩擦单元和Maxwell单元并联连接，这些都是与胎压相关的非线性单元。其中，Maxwell单元可以描述轮胎高速滚动时的动刚度特性；摩擦单元可以模拟影响轮胎径向刚度的橡胶迟滞损失现象。如图2所示，带束单元与相邻单元的面内连接用刚性平移弹簧等效，与面外连接用弯曲弹簧等效，带束节点与轮辋之间用扭力弹簧连接，所有的刚度值都与实际胎压有关，不同的胎压可以理解为不同工况，在仿真中可以强制修改，这并不会妨碍积分过程[2]。
因此，在一定胎压变化范围内，可以通过外推获得不同胎压下的数字轮胎模型。
图1 带束节点与轮辋之间的力学模型 [3]
图2 带束单元相邻节点之间的力学模型 [2]
2 胎压对轮胎特性的影响分析
2.1 静止状态轮胎力学特性测试模型
只有掌握了胎压对轮胎自身力学特性的影响，才能更好地研究胎压对整车载荷的影响。如图3所示，由轮胎、路面和部件构成的轮胎三向刚度仿真试验台，通过查看轮胎的受力--变形曲线能够对轮胎的垂向、纵向和侧向静态刚度进行快速分析。
图3 轮胎三向刚度仿真模型
2.2 复合工况下轮胎力学特性测试模型
Adams/car中有轮胎试验台模块tire testring，通过该模块中可视化的图形界面可以更改轮胎参数研究轮胎的侧偏刚度、纵滑刚度以及回正力矩等特性。该试验台的测试原理模型如图4所示，在仿真过程中，弹簧和预加载的单作用力施加通过移动副和旋转副施加在车轮上后，车轮胎面与试验台平面接触[4]。
图4 tire testring单轮模型试验台
2.3 胎压对轮胎力学特性的影响分析
获得不同胎压数字化轮胎模型后，即可研究它们之间的力学特性差异，轮胎垂向、侧向、纵向刚度曲线如图5所示。在一定的胎压范围内，三向刚度均随着胎压增大而增大。
图5 轮胎三向刚度随胎压变化曲线
如图6所示，在Tire Testring中除了设置轮胎属性文件、质量和惯量等轮胎参数信息外，还可以通过设置纵向初始速度、轮胎运动方式以及轮胎滑移率、侧偏角和侧倾角等参数，来模拟车轮在各种复合工况下的运动状态。
图6 tire testring中的参数设置
如图7所示，针对某一型号轮胎，只保持胎压单一变量前提下，通过Tire Testring仿真得到的轮胎侧偏刚度、纵向滑移刚度以及回正力矩曲线对比图。
图7 不同胎压在复合工况下的轮胎力学特性
3 胎压对整车载荷的影响分析
将F-tire轮胎模型、数字路面、整车动力学模型结合使用，进行结构试验场环境下的整车动力学载荷分析，支持耐久性能评估。不同胎压对车辆动力学载荷（强度/耐久）影响如图8和图9所示：
图8 P2路面胎压对轮心力的影响
图9 Pave路面胎压对轮心力的影响
4 结论
轮胎气压是车轮的一项重要参数，不仅会影响轮胎的力学特性和使用寿命，还会对整车动力、操纵稳定以及耐久等性能有巨大影响[5]。在汽车早期设计阶段，快速评估胎压变化对整车各项性能影响有助于设计方案的决策及时推进项目，缩短开发时间。本文是基于F-tire模型和Adams平台中的Tire Testring模块预测胎压变化对轮胎力学特性的方法，并结合3D数字路面研究了不同胎压对整车载荷的影响，可以快速支持胎压变化对整车零件耐久性能影响评估。
参考文献
[1]辛运，谢伟忠，罗泽敏等.轮胎胎压对整车性能的影响[J].2011.
[2]费瑞萍.Ftire轮胎模型的仿真分析及试验研究[D].吉林大学，2011.
[3] 孙成智，段向雷，翁洋，王光耀.基于3D数字路面的整车耐久性能评价方法研究[J].2017.
[4]田顺，何海浪等.车辆轮胎动力学仿真模型分析[J].汽车实用技术，2014,06-47-04.
[5]卢荡，郭孔辉.轮胎侧偏力学特性的胎压影响分析及预测[J].2011.
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