汽车系统动力学与仿真2

规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第1页第2章轮胎动力学与仿真2.1轮胎六分力2.2轮胎动力学模型的类型2.3轮胎理论模型2.4ADAMS软件中的轮胎模型2.5轮胎动力学仿真规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第2页2.1轮胎六分力汽车行驶时，轮胎受到沿三个方向的力以及绕三个轴的力矩，即为轮胎六分力。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第3页2.1轮胎六分力（1）纵向力，是指地面对轮胎作用力在地平面内沿轴方向的分量，其作用是对汽车进行驱动或制动，为正时是驱动力，为负时是制动力；（2）侧向力，是指地面对轮胎作用力在地平面内沿轴方向的分量，根据轮胎转向或外倾的方向，侧向力使轮胎向相应的方向运动，实现汽车的转向；（3）法向力，是指地面对轮胎作用力垂直于地平面沿轴方向的分量，根据定义，该法向反作用力为负值，因此垂直载荷的符号与法向反作用力相反，为正值；规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第4页2.1轮胎六分力（4）翻转力矩，是指地面对轮胎作用力绕轴旋转的轮胎分力矩,其说明了垂直力作用点相对于接触中心左右移动的现象，影响轮胎的外倾性能；（5）滚动阻力矩，是指地面对轮胎作用力绕轴旋转的轮胎分力矩，其说明了垂直力作用点相对于接触中心前后移动的现象；（6）回正力矩，是指地面对轮胎作用力绕轴旋转的轮胎分力矩，其说明了纵向力和侧向力在道路平面内的作用点偏离接触中心，影响汽车的回正性能。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第5页2.1轮胎六分力定义轮胎侧偏角为车轮中心平面与车轮中心运动方向的夹角，顺时针方向为正，它等于车轮接地印迹中心处的侧向速度与前进速度之比的反正切函数，是影响轮胎侧偏特性的重要因素之一。外倾角为由车前方看车轮中心线与垂直线所成的夹角，向外为正，向内为负。轮胎滑移率是指汽车在制动时，车轮抱死程度；轮胎滑转率是指汽车驱动时，车轮滑转程度。把轮胎滑移率和轮胎滑转率统称为轮胎滑动率。轮胎模型不同，建立的轮胎滑动率也略有差异。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第6页2.2轮胎动力学模型的类型轮胎动力学模型是研究轮胎六分力与轮胎结构参数和使用参数的关系，即轮胎在不同工作条件下的输入与输出之间的关系。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第7页2.2轮胎动力学模型的类型轮胎动力学模型对汽车动力学仿真技术的发展及仿真计算结果有很大的影响，轮胎动力学模型的精度必须与汽车动力学模型精度相匹配。因此，选用轮胎动力学模型是至关重要的。由于轮胎具有结构的复杂性和力学性能的非线性，选择符合实际又便于使用的轮胎动力学模型是研究汽车系统动力学的关键。轮胎动力学模型根据建模方法的不同，可以分为理论模型、经验模型、半经验模型和自适应模型四大类。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第8页2.2.1轮胎理论模型轮胎理论模型是在简化的轮胎物理模型基础上建立的对轮胎力学特性的一种数学描述。根据轮胎的力学特性，用物理结构去代替轮胎结构，用物理结构变形看作是轮胎的变形。优点是具有解析表达式，能探讨轮胎特性的形成机理；缺点是模型精度和计算效率较低，一般形式较为复杂，在描述轮胎特性的实际应用中有很大的局限性。轮胎理论模型主要有Fiala轮胎模型和Gim轮胎模型等。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第9页2.2.1轮胎理论模型-Fiala轮胎模型zyzzzyFKlFMFFtan1621181616127131043232规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第10页2.2.1轮胎理论模型-Gim轮胎模型在Gim轮胎模型中，制动和驱动工况下的轮胎纵向滑动率定义为：驱动工况制动工况RRuuuuuRuuuusRRRx规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第11页2.2.1轮胎理论模型-Gim轮胎模型制动和驱动工况下的轮胎侧向滑动率定义为：假设轮胎摩擦系数随滑移率的变化发生线性变化，即：驱动工况制动工况tan1tanxyss22100yxss规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第12页2.2.1轮胎理论模型-Gim轮胎模型轮胎纵向摩擦系数和侧向摩擦系数分别为：2222yxyyyxxxssssss规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第13页2.2.1轮胎理论模型-Gim轮胎模型轮胎纵向临界滑动率、侧向临界滑动率和无量纲滑动率分别为：yyxxzsxxcyxycxzxcscscFsssccscFs222313规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第14页2.2.1轮胎理论模型-Gim轮胎模型假设轮胎与路面无量纲接触长度为，则轮胎纵向力和侧向力分别为：sssl1xcxzxxcxsszxsxxxssFssllFlscF322231ycyzyycysszysyyyssFssllFlscF322231规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第15页2.2.2轮胎经验模型轮胎经验模型是利用一定的经验公式拟合试验测试数据建立的模型。轮胎经验模型公式简单，与试验结果较接近，便于计算和实际应用，但需要大量的试验数据。由于试验条件限制和路面状况的多变性，难以得到所有路面状况和所有轮胎运动状态的试验数据。因此，经验模型只是根据有限的试验数据得到，模型外推性不好，参数没有明确的物理意义，预测能力较差，目前较少应用。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第16页2.2.3轮胎半经验模型轮胎半经验模型是在轮胎理论模型基础上通过满足一定边界条件建立的模型。轮胎半经验模型精度较高，外推性较好，可以描述轮胎基本的物理和结构特性，仿真结果与试验测试结果比较接近，便于在汽车动力学仿真中应用。具有代表性的轮胎半经验模型主要有魔术公式模型和UniTire模型等。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第17页2.2.3轮胎半经验模型-UniTire模型UniTire模型是郭孔辉院士根据刷子模型和试验测试数据提出的一种半经验模型，该模型用指数函数描述无量纲总切力与无量纲总滑移率的关系以及无量纲气胎拖距与无量纲总滑移率的关系，其表达式为：32213032121exp12/1exp1DDDDDDEEFx规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第18页2.2.3轮胎半经验模型-UniTire模型轮胎无量纲纵向滑动率、无量纲侧向滑动率和无量纲总滑动率分别为：zyyyyzxxxxyxFscFsc22规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第19页2.2.3轮胎半经验模型-UniTire模型轮胎纵向力、侧向力和回正力矩为：cxcxyzzyyyzxxxyFxDFMFFFFFF//规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第20页2.2.4轮胎自适应模型轮胎自适应模型是在理论和试验数据的基础上，通过模拟生物体的某些结构和功能，针对各种不同输入参数建立起来的对外界环境具有一定自适应能力的智能模型。这种模型建模效率高，且具有相当高精度，如神经网络轮胎模型和基于遗传算法的轮胎模型等。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第21页2.3轮胎理论模型轮胎理论模型包括：轮胎制动-驱动特性理论模型；自由滚动轮胎侧偏特性理论模型；制动-驱动工况下的轮胎侧偏特性理论模型。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第22页2.3.1轮胎制动-驱动特性理论模型轮胎的制动-驱动特性是影响汽车制动安全性与加速性的重要特性，也是研究制动-驱动工况下的轮胎侧偏特性的基础。在建立轮胎制动-驱动工况理论模型时，假设：（1）轮胎的胎体为刚性，轮胎的弹性集中在胎面；（2）轮胎侧偏角和外倾角为零；（3）轮胎与路面之间各点的摩擦系数为固定常数；（4）垂直载荷在印迹上的分布为抛物线分布，在印迹宽度上的分布是相同的。轮胎的制动-驱动特性可以用滑动率和制动力-驱动力的关系来描述。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第23页2.3.1轮胎制动-驱动特性理论模型轮胎无侧偏时的制动滑移率和驱动滑转率分别为：11RRRdRRbuuuuusVuuuus规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第24页2.3.1轮胎制动-驱动特性理论模型假设轮胎胎面由若干个具有一定长度的弹簧组成，轮胎制动或驱动时，印迹内的胎面变形如图所示。规格严格功夫到家（威海）HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGYSCHOOLOFAUTOMOBILEENGINEERING汽车工程学院第25页2.3.1轮胎制动-驱动特性理论模型轮胎制动或驱动时，胎面层在印迹内任一点的纵向变形分别为：xsuututuutxxxxs