汽車輪胎剛度對道路友好性的影響分析

張俊玲

(貴州工業職業技術學院機械與電氣工程學院，貴州貴陽550003)

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汽車輪胎剛度對道路友好性的影響分析

張俊玲

(貴州工業職業技術學院機械與電氣工程學院，貴州貴陽550003)

汽車輪胎對路面的動載荷是影響道路破壞的重要因素，它與車速、載重、路面不平度、輪胎剛度及阻尼等有關。運用分析軟件ADAMS，建立了1/4車輛動力學模型，通過車輛對路面破壞的評價指標，分析了輪胎剛度對道路友好性的影響。

重型汽車 輪胎剛度 ADAMS 道路友好性

0 引言

道路友好性是指汽車對道路破壞程度的大小，破壞程度越大，道路友好性越差；破壞程度越小，道路友好性越好[1]。

影響道路破壞的因素很多，從汽車設計的角度來看，主要有懸架的靜載荷分布狀況、車軸的形式、 輪胎的形式以及汽車輪胎對路面的動載荷[2]。動載荷是由于汽車受到路面不平度的激勵產生的振動引起的；它與輪胎剛度、阻尼、載重、車速、路面不平度等因素有關，本文主要分析輪胎剛度對道路友好性的影響。

1 汽車對道路破壞的評價指標

汽車對道路破壞的評價指標有：動載荷系數和95百分位四次冪和力。

1.1 動載荷系數

動載荷系數DLC(即dynamic load coefficient) ，表示動載荷偏離靜載荷的程度。

(1)

從上式可看出，動載荷變化越劇烈，對道路破壞程度越大。但事實上，用DLC評價動載荷對道路的破壞程度，是假設道路破壞程度的大小與動載荷之間呈線性關系，忽略了載荷與道路破壞之間的具體物理關系，其不能準確反映出各個輪胎與路面接觸處動載荷的相關性，所以它只能粗略的反映動載荷與道路破壞之間的關系。一般情況下，動載荷系數DLC僅用于車輛對道路破壞的初步評價。對于典型的行駛工況和車輛，DLC一般在0.1～0.3范圍內。

1.2 95百分位四次冪和力

1996年，Cole和Cebon提出95百分位四次冪和力評價指標考慮了動載荷的空間重復性[3]，本文使用的就是這個指標。由于動載荷的峰值會反復出現在道路上某些固定的地方，所以道路的壽命應由載荷的峰值決定而非均值。輪荷是一個隨機量，沒有確定的最大值，其峰值可以用95百分位來近似表示，即：μ+1.644 9σ，其中：μ為輪荷的均值，σ為標準偏差。95百分位四次冪和力就是把各個輪胎的動載荷的四次冪疊加，用來評價整輛汽車對道路的破壞。用理論道路破壞系數J表示。

(2)

式中：σA4、mA4表示A4的標準差和均值，A4表示汽車的四次冪和力。

J是峰值載荷和靜載荷道路破壞之比，它反映的是汽車對道路破壞的性能，而不是破壞的絕對大小。汽車對道路破壞的絕對大小用某裝載量下峰值載荷道路破壞與滿載下靜載荷道路破壞之比表示，即：汽車的絕對道路破壞系數。

(3)

由此可見，載荷的增加將使汽車對道路的絕對破壞增大。

2 汽車懸架的簡化與數學模型的建立

車輛的懸架系統是一個復雜的多自由度“質量—剛度—阻尼”振動系統，特點是：不確定性，非線性和時變性。理論上，自由度選取越多系統就越接近真實，但需要測定的相關參數也就越多，測量誤差會使計算結果出現較大的誤差。因此，對車輛懸架系統模型進行適當的簡化，忽略次要因素，研究其主要因素，從而使問題的研究既簡單又接近實際。

為便于研究，將車輛的懸架系統簡化為車身與車輪兩個自由度振動系統的1/4車輛動力學模型，該模型能反映車輛實際問題中的大部分基本特征[3]。1/4模型是最簡單的汽車振動模型(圖1) ，只保留了兩個最主要的運動，即簧載和非簧載質量的垂直振動，在下文中將用它來進行分析。

針對實際車輛系統，為便于模型建立，做以下假設：

1)汽車的車身為剛體，且運動方向垂直于路面；

2)非懸掛質量運動方向垂直于路面；

3)前后車輪受到的路面不平度激勵無延時性；

4)左右車輪受到的路面不平度激勵相等；

5)忽略輪胎的阻尼。

圖1 1/4車輛動力學模型

根據假設，建立車身與車輪兩個自由度振動系統的1/4車輛動力學模型，如圖1所示。

其中，ms為簧載質量；mu為非簧載質量；k1為輪胎剛度，k2為懸架剛度，c2為懸架阻尼，x0為路面不平度位移輸入，x1為非簧載質量位移，x2為簧載質量位移。車輪動載荷為k1(x1-x0)。輪胎對地面的動載荷為：

F=k1(x1-x0)

(4)

3 基于ADAMS空氣懸架建模

選取東風某重型汽車，由于重型汽車的后懸架承擔了大部分載重，所以選取后空氣懸架作為主要研究對象。本文選用的是某公司的944 N型空氣彈簧，P=0.76 MPa，設計高度的剛度值k=5.21×105N·m-1，后懸架的具體參數見表1。

表1 懸架主要參數

圖2 ADAMS建立的四分之一車輛模型

在ADAMS/VIEW中創建幾何點，運用零件庫創建各個部件，并根據懸架參數定義各部件。在約束庫中選取適當的約束副，以確定部件之間的連接情況和運動方式。基于ADAMS建立的四分之一車輛模型見圖2。

本文將用裝備944 N型的空氣彈簧的懸架進行仿真。

4 輪胎剛度對道路友好性的影響

輪胎剛度變化可粗略歸結為輪胎充氣壓力變化，輪胎剛度對動態輪胎力會造成影響,為了對不同輪胎剛度下的動態輪胎力進行研究。選取車速40 km/h，B級路面時，將原輪胎剛度分別提高10%，50%，100%。得到三種剛度下的車輪動載荷，仿真如圖3所示。

圖3 車速40 km/h，B級路面分別將輪胎剛度分別提高10%，50%，100%得到的車輪動載荷

從仿真結果中可得(表2)。

表2

參數名稱原剛度提高10%提高50%提高100%車輪動載荷均方根值RMS/N498052696565815295百分位四次冪和力?(1018N4)8.678.6710.5111.82道路破壞系數J5.866.257.057.85

在車速40 km/h，B級路面的條件下，分別將輪胎剛度提高10%，50%，100%，車輪動載荷分別提高了5.80%、31.83%、63.69%；95百分位四次冪和力φ分別增加了0.00%、21.22%、36.33%；道路破壞系數J分別提高了6.66%、20.31%、33.96%。

由上述分析可得出，在現有參數基礎上增加輪胎剛度將使車輛對道路的破壞程度急速增大。即：車輛輪胎剛度在現有參數基礎上增加會使道路友好性降低。

而輪胎剛度與輪胎充氣壓力緊密相關，增加充氣壓力會直接引起輪胎剛度的增加，導致車輛對路面作用的動載荷增加，使車輛對道路破壞程度增大。因此，為了提高道路友好性，應限制高壓輪胎的使用。

[1] 鄭明軍，林逸，陳瀟凱.空氣懸架車輛道路友好性分析[J]. 拖拉機與農用運輸車，2007，34(4)：40-41.

[2] 莊德軍．膜式空氣彈簧非線性彈性特性有限元分析[D]．長春：吉林大學，2003.

[3] 何鋒，張軍,曹龍田，等．基于ADAMS的重型汽車道路友好性仿真研究[J]．拖拉機與農用運輸車,2010，37(4)：54-56.

[4] 劉青. 基于ADAMS的大客車空氣懸架系統性能研究[D].武漢：華中科技大學,2005.

[5] 李曾剛.ADAMS 入門詳解與實例[M].北京：國防工業出版社，2006.

[6] 曹永軍.載重汽車空氣懸架道路友好性研究[D].貴陽：貴州大學，2009.

The influence of tire rigidity on the road friendliness of heavy vehicles

ZHANG Junling

The dynamic load of the tire on the road is an important factor that influences the road damage condition, and it relates to the speed and load of the vehicle, the unevenness of the road, and the tire rigidity and damping. With ADAMS, we established the dynamic model of a quarter of the vehicle, and analyzed the influence of tire rigidity on the road friendliness through indexes of road damage condition.

heavy vehicle，tire rigidity，ADAMS，road friendliness

TH21

A

1002-6886(2016)05-0068-03

張俊玲(1973-)，女，貴州貴陽人，貴州工業職業技術學院機械與電氣工程學院，副教授，工程碩士。

2016-05-27