輪胎包絡面的仿真與測量

劉立剛，張秋雁，舒 進，楊萬安

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

0 前言

輪胎包絡面是指車輪隨著懸架的運動所掃過的一個三維空間，它決定了輪罩造型的輪廓，縱梁的位置和截面尺寸，在車輛的開發過程中，對整車架構和總布置起著十分重要的作用[1]。輪胎包絡面與周圍部件的間隙過大，不但影響外觀，而且會占用駕駛室（乘客室或后備箱）非常有限的空間，除此以外，縱梁的截面尺寸也會受到限制，給碰撞的安全指標和發動機的懸置布置等問題帶來極大挑戰；相反，如果輪胎與周圍零部件間隙過小，發生干涉，摩擦噪音會引起客戶的抱怨，嚴重時導致輪胎破損，可能會引起行車安全事故。可見，開發一個精確的輪胎包絡面至關重要。輪胎包絡目前主要有3種方法生成：（1）模擬分析：建立整車模型，模擬各種可能的極限工況，輪子相對車身的軌跡即形成輪胎包絡；（2）試驗手段：在輪罩內附著可以方便切割、刮擦的材料，按試驗流程，當輪胎與該材料發生干涉時，該材料發生磨損，反復進行試驗，最終不再發生干涉的輪廓能夠描述輪胎包絡；（3）測量技術：使用測量設備，測量輪心相對車身的各方向運動，通過輪心的軌跡在工程軟件中生成輪胎包絡。

隨著汽車產業的相互競爭，控制成本，縮減周期，計算機輔助設計在前期開發中的角色也愈加重要。尤其對于開發一個全新的輪胎包絡，沒有樣車，也沒有同樣懸架可以參考的情況下，要得到一個精度較高的輪胎包絡，模擬分析就顯得格外重要。本文主要介紹如何通過模擬分析的手段得到輪胎包絡，如何驗證及解決輪胎包絡的干涉問題。

1 模型

1.1 建模

使用多體動力學軟件建立整車動力學模型。在建立動力學模型之前，一些工程數據需要被收集。具體包含：懸架硬點，襯套剛度，緩沖限位塊的剛度、位置，彈簧的剛度及自由長度，穩定桿的直徑，轉向機行程，輪跳行程，后橋的柔性體，輪胎型號及尺寸等信息[2]。大部分數據需要工程圖紙或基于樣車數據測量的支持。整車模型的建立被特征化成簡單的子系統模塊，如轉向機構，前懸架，后懸架等。本文以前懸麥弗遜，后懸扭桿梁，前驅前轉向結構為例，建立的模型如圖1所示。

圖1 多體車輛動力學模型

1.2 驗證模型

模型完成后首先需要檢查模型的正確性，目的是為了確保模型與被模擬的車有同樣的運動關系。通過靜態仿真分析，檢查懸架剛度，輪跳行程，襯套剛度，緩沖塊位置等參數是否合理。例如，在圖2所示的懸架剛度曲線上，斜率突然改變的兩點分別對應上下緩沖塊起作用的位置，曲線在橫坐標的極限位置，可確定輪心行程。同樣的方法，檢查輪心的側向力位移和縱向力位移是否合理，以確保懸架模型與設計參數的一致性。

圖2 懸架剛度曲線

1.3 仿真分析

輪胎包絡面應該能夠體現各種極限工況下車輪所掃過的空間。前后懸架的模擬可以分別進行仿真分析。

對于前懸架，不僅需要考慮輪子跳動，車輛的側傾，還需要考慮車輪的轉向。即前輪包絡面包含前后制動引起車輪縱向位移、左右轉向和上下跳動的耦合、側向力引起的車輪相對車身的側向變形，以及在側向力作用下，車輪上下跳動過程中，外傾和前束的變化。仿真時，可以把輪胎當作剛性體考慮，車輪與地面用平面鉸和垂直方向的移動鉸連接，側向力和縱向力施加在輪胎接地點，車輪的上下跳動通過移動鉸和運動約束控制，同理，轉向也通過模擬齒輪齒條的移動鉸和運動約束控制。

對于后懸，與前懸相比，沒有轉向的影響，減小了模擬的復雜性，輪包也相對較小，值得注意的是，需考慮扭梁柔性體的扭轉變形的影響。

1.4 結果檢查

使用多體動力學后處理軟件MotionView的動畫播放更能，設置軌跡跟蹤，可以看到輪胎的輪廓，見圖3所示。把周圍關系的零部件幾何添加到動畫中，設定最小間隙的允許值，運行動畫，在不滿足給定判定標準的工況，動畫會暫停并可以高亮顯示間隙不滿足要求的區域。為方便數模的干涉檢查，可以把輪心跳動文件輸出到UG，根據輪胎的截面形狀，生成輪胎包絡數模，這樣方便檢查與車身的最小間隙。

圖3 MotionView中的前后懸輪胎包絡示意圖

圖4 輪胎包絡面刮擦試驗

2 試驗驗證

前面提到輪胎包絡的三種方法，除模擬分析外的另外兩種方法都可以作為試驗驗證的手段。試驗的前提是樣車要具有比實際情況更大的輪包，才不會影響附著材料的刮擦（見圖4）或測量設 備 （見 圖 5）的數據采集。輪胎包絡的試驗驗證主要包含路沿、方坑、爬坡、加速、制動與全轉向的各種工況組合。對于刮擦出來的最終包絡，可以通過三坐標掃描，曲面逆向重構后導入車輛坐標系下，檢查與周圍零部件的間隙或與模擬分析做對比；對于測量設備(Wheel Tracker/Wheel Watch)，靠測量車輪相對車身的各方向（除車輪旋轉的5個自由度）運動，得到車輪的跳動文件，然后在UG等工程軟件中生成輪胎包絡面。

圖5 輪胎包絡面測量設備

3 帶防滑鏈的輪胎包絡

按照GB7063-2011法規對汽車護輪板的設計要求：如果汽車是兩輪驅動，汽車制造廠應保證把汽車設計成至少有一種型式的防滑鏈適用于該車驅動輪的一種型式的車輪和輪胎。防滑鏈的使用勢必增加了輪胎包絡的空間，在設計階段，通常把光胎包絡向外偏置相當于防滑鏈厚度的一段距離，市場上常見的防滑鏈按材料分為三種：鐵鏈、聚氨酯鏈和布罩防滑鏈，如圖6～8。鐵鏈最早出現，常用于卡車，鏈條厚度約12 mm，適合于冰、雪路面，但容易磨損輪胎；聚氨酯防滑鏈厚度約7 mm，不損壞輪胎，有取代鐵鏈的趨勢；布罩防滑鏈厚度僅約2 mm，僅適用于純雪地路面，安裝簡便，容易布置，但本身易磨損。

圖6 鐵鏈

圖7 聚氨酯防滑鏈

裝有防滑鏈的車輛，行駛速度一般要求低于50 km/h，駕駛工況不像光胎干地上那么惡劣，因此垂向上比較接近或略大于光胎的包絡，但是全轉向時與輪罩、控制臂和縱梁的距離會明顯減小，也是最有可能發生干涉的位置。生產廠家可以指定兩款輪胎，小尺寸輪胎配防滑鏈，滿足那些冬季雪地行駛的需求；大尺寸輪胎相對美觀，針對那些不會用到防滑鏈的客戶。輪胎大小尺寸的選擇原則是盡可能有一致的外徑，小尺寸輪胎盡量窄以滿足帶防滑鏈的輪胎包絡空間的要求。

圖8 布罩防滑鏈

4 問題解決

模擬分析計算的包絡為安全起見，需要考慮零件的制造和裝配誤差，以減少實車可能出現極限工況下干涉的風險。如果在設計或試驗驗證中出現了輪胎與周圍部件干涉的情況，就需要更改設計。通常的措施有：（1）靠更改限位塊減小車輪上跳行程，會損失舒適性，也會增加極限工況的峰值載荷，對耐久不利；（2）限制轉向行程，會增加轉彎直徑，影響窄路掉頭；（3）改變車輪的偏置，需要輪罩內有足夠的空間；（4）加大懸架襯套的剛度，會影響車輛的操縱穩定性；（5）更改包絡干涉的零件，切掉干涉的區域或更改局部形狀。可見前期的模擬分析是十分必要的。

5 結論

通過本文的介紹，在車輛的前期開發中，一般使用仿真分析方法計算的輪胎包絡，以進行總布置的研究，在樣車成功試制后，需要進行一輪試驗認證，以確保輪胎包絡與周圍部件沒有干涉的風險。

［1］朱敏杰.輪胎包絡面計算流程和分析方法［J］.上海汽車，2009（09）：19-20.

［2］黃宏成，何維廉.輪胎包絡面設計與運動干涉分析［J］.傳動技術，2002（01）：13-16.