輪胎側偏剛度對整車操穩性能的影響

景立新，吳利廣，李廣，曹嬌嬌

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輪胎側偏剛度對整車操穩性能的影響

景立新1，吳利廣1，李廣2，曹嬌嬌2

（1.中國汽車技術研究中心，天津 300300；2.河北工業大學機械學院，天津 300130）

文章主要研究輪胎側偏剛度特性對整車操縱穩定性的影響。通過在仿真模型中改變輪胎側偏剛度的值，研究后軸等效側偏角、整車不足轉向、整車橫擺響應頻率、整車穩定性、整車響應、轉向回正的等操縱穩定性指標的變化趨勢及變化量大小，進而指導整車操縱穩定性設計。

輪胎特性；側偏剛度；操縱穩定性

前言

輪胎是連接汽車與路面的唯一部件，輪胎與路面間的相互作用力與力矩，以及輪胎的運動方式決定了車輛的運動狀態及性能[1-2]，對于輪胎力學特性的研究具有重要的現實意義以及應用前景。但是，輪胎由于具有復雜的物理結構和橡膠的材料特性，導致輪胎其受力狀況、運動狀態以及與路面間的相互作用復雜多變。這些復雜性都極大增加了輪胎力學特性研究的難度。

本文主要從輪胎力學特性方面研究其對車輛操縱穩定性的影響。輪胎力學特性包含靜態特性和動態特性[3]。其中，側偏特性是輪胎力學特性的一個重要組成部分，主要指側偏力、回正力矩與側偏角的關系（見圖1和圖2），是研究車輛操縱穩定性的基礎[4]。本文通過進行輪胎的純側偏試驗、復合工況試驗等試驗，結合ADAMS/CAR軟件建立輪胎及整車模型，研究不同側偏剛度對于輪胎力學特性的影響，進而研究側偏剛度變化對于整車操縱穩定性的影響。

圖1 輪胎側偏特性示意圖

圖2 輪胎側向力與側偏角的關系曲線

1 整車模型建立

基于輪胎側偏剛度的變化對汽車操穩的影響，需要通過建立準確的輪胎模型以及簡化的整車模型來分析其具體影響，本文以某款SUV車的數據為模型，其整車參數見表1所示，仿真采用的輪胎模型為PAC2002模型，前后輪胎型號為235/60 R18。對輪胎進行力學特性試驗，得到側偏性能數據，輪胎力學特性如圖3所示。

表1 整車參數

利用車輛動力學仿真軟件ADMAS/CRA建立車輛仿真模型。它包括車輛的各個子系統，如車體、懸架、轉向、制動和動力傳動系統等[5]，整車模型如圖4所示，模型進行角脈沖和角階躍工況仿真，結果如圖5～圖8所示，驗證了模型的準確性，可用于汽車操縱穩定性能的仿真[6]。

圖4 車仿真模型

圖5 側傾角-時間（角階躍）

圖6 橫擺角速度-時間（角階躍）

圖7 方向盤轉角-側向加速度（穩態回轉）

圖8 橫擺角速度幅頻特性（角脈沖）

2 輪胎側偏剛度對整車操縱性能的影響研究

本節主要從后軸等效側偏角、整車不足轉向度、整車橫擺響應頻率及快慢等方面，研究輪胎側偏剛度對整車操穩性能的影響。

2.1 輪胎側偏剛度對后軸等效側偏角的影響

在前后軸荷不變的前提下，研究輪胎側偏角剛度對于后軸等效側偏角的影響，以某SUV車型為例，通過縮放后輪胎側偏剛度值進行對比分析，如圖9所示：當輪胎側偏剛度增大時，后軸等效側偏角減小；當輪胎側偏剛度減小時，后軸等效側偏角增大；后輪側偏角與側偏剛度反比例變化；后軸側偏角與側偏剛度也近似反比例變化。

因此在整車開發過程中，后軸荷確定的情況下，可以提出輪胎側偏剛度的要求。

圖9 輪胎側偏剛度對后軸等效側偏角影響

2.2 輪胎側偏剛度對整車不足轉向的影響

整車的不足轉向度由前后軸等效側偏角之差決定，通常的簡化理論計算中不足轉向度a1-a2= Fy1/Ky1- Fy2/Ky2，如果Ky1和Ky2同時增大n倍，則不足轉向度將減小為原來的1/n，按照一般不足轉向度為2deg/g計算，如果側偏剛度增大1.5倍，則不足轉向度變為2/1.5=1.33；當前后側偏剛度不同時增大，如前軸輪胎側偏剛度減小，后軸輪胎側偏剛度增大時，不足轉向度將增大。

圖10 前后輪胎側偏剛度同時變化對整車不足轉向度影響

通過圖10可以看出前后輪胎側偏剛度同時縮放時整車不足轉向度變化并不是很明顯，輪胎側偏剛度變化30%時，不足轉向度變化10%左右。

圖11 前輪胎側偏剛度變化對整車不足轉向度影響

通過圖11可以看出只有前輪胎側偏剛度縮放時整車不足轉向度變化明顯，輪胎側偏剛度變化30%時，不足轉向度變化70%左右，前輪胎側偏剛度越大，不足轉向度越小。

圖12 后輪胎側偏剛度變化對整車不足轉向度影響

通過圖12可以看出只有前輪胎側偏剛度縮放時整車不足轉向度變化明顯，輪胎側偏剛度變化30%時，不足轉向度變化70%左右，后輪胎側偏剛度越大，不足轉向度越大。

2.3 輪胎側偏剛度對整車橫擺響應頻率的影響

輪胎側偏剛度增大將增大整車的橫擺響應頻率，輪胎側偏剛度變化30%時，橫擺響應頻率變化20%左右。

圖13 前后輪胎側偏剛度變化對整車橫擺頻率影響

圖14 前后輪胎側偏剛度變化對整車橫擺角滯后影響

輪胎側偏剛度增大將減小整車的橫擺角速度相位滯后，輪胎側偏剛度變化30%時，橫擺角速度相位滯后變化50%左右。

2.4 輪胎側偏剛度對整車響應快慢的影響

正常情況下，輪胎本身有松弛長度，會對輪胎力建立有延遲影響，本文研究過程中不改變輪胎的松弛長度。

圖15 前后輪胎側偏剛度變化對角階躍工況橫擺角速度影響

圖16 前后輪胎側偏剛度變化對角階躍工況車身側傾角影響

側偏剛度增大將減小整車的橫擺角速度響應時間，車輛響應變快；由前面的分析我們知道，增加輪胎側偏剛度將減小整車的不足轉向度，相同方向盤轉向對應的穩態橫擺角速度也將變大，超調量變化不明顯。

側偏剛度增大將減小整車的側傾響應時間，車輛響應變快；增加輪胎側偏剛度將減小整車的不足轉向度，相同方向盤轉向對應的穩態側傾角也將變大，超調量變化不明顯。

圖17 后輪胎側偏剛度變化對角階躍工況橫擺角速度影響

當僅后輪胎側偏剛度增大時，由上述可知后軸側偏角將減小，不足轉動度將增大，則相同方向盤轉向對應的穩態橫擺角速度也將減小；由圖17可得，由于前輪胎側偏剛度保持不變，車輛的初始橫擺響應速度基本不變，隨著后懸架的介入，橫擺角速度穩態值及超調量將產生差異，呈現隨后輪胎側偏剛度增大，不足轉向度增大、穩態橫擺角增益減小、超調量增大、橫擺響應加快的趨勢。

圖18 前、后輪胎側偏剛度變化對角階躍工況車身側傾角影響

只改變前或后輪胎側偏剛度時，整車的不足轉動度均有角明顯變化，同時橫擺角速度增益及側向加速度增益均有明顯變化，對應的車身側傾角也將有明顯變化。

當僅前輪胎側偏剛度增大時，側傾響應速度將增大，不足轉向度減小，穩態橫擺角速度及側向加速度將增大，對應的主觀感受為側傾速度快、側傾幅度增大。

當僅后輪胎側偏剛度增大時，側傾響應速度基本不變，不足轉向度增大，穩態橫擺角速度及側向加速度將減小，對應的主觀感受為側傾速度不變、側傾幅度減小。

圖19 前輪胎側偏剛度變化對角階躍工況橫擺角速度影響

僅前輪胎側偏剛度增大時，前軸側偏角將減小，不足轉向度將減小，則相同方向盤轉向對應的穩態橫擺角速度也將增大；由圖19可得，由于前輪胎側偏剛度增大，車輛的初始橫擺響應速度增大，隨著后懸架的介入，橫擺角速度穩態值及超調量將產生差異，呈現隨前輪胎側偏剛度增大，不足轉向度減小、穩態橫擺角增益增大、超調量減小的趨勢；雖然穩態橫擺角速度增大，但由于穩態橫擺角也增大，響應時間變化不明顯。

2.5 其它

輪胎側偏剛度除對上述操穩性能有影響外，還對回正性能及車輛的穩定性等有影響。如果輪胎側偏剛度選擇不正確，還可能會導致車輛低速行駛時，在極限轉向位置出現轉向不回正性能。

3 總結

通過本文研究，可以發現輪胎側偏剛度對整車操穩有非常重要的影響。性能指標方面主要表現在對前后軸等效側偏角、不足轉向度、響應快慢、橫擺頻率等特性的影響，需要在底盤開發中得到充分重視。通過選擇不同的側偏剛度參數，可以得到不同的操穩特性，進而實現車輛設計開發目標。

[1] DIXON J C. Tires, suspension and handling [M].2 nd ed. Warrendale: The SAE Publications Group,1996.

[2] PACEJKA H B.In-plane and out-of-plane dynamics of pneumatic tyres [J].Vehicle System Dynamics,1981,10(4-5):221-251.

[3] 袁忠誠. UniTire輪胎穩態模型研究[D].長春:吉林大學,2006.

[4] 余志生,汽車理論[M].北京:機械工業出版社,2012.

[5] 王濤,江進豐,林佑廷,林秋豐,張文明.基于CarSim軟件的閃避障礙物駕駛者模型[J].農業工程學報,2010,26(05):159-163.

[6] 陳煥明,郭孔輝.輪胎性能對車輛操縱穩定性影響的仿真研究[J].汽車工程,2015,37(05):491-494.

Influence of tire cornering stiffness on vehicle stability performance

Jing Lixin1, Wu Liguang1, Li Guang2, Cao Jiaojiao2

（1.China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300;2.School of mechanical engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130）

This paper mainly studies the influence of tire lateral stiffness characteristics on vehicle handling stability. By changing the value of the tire cornering stiffness in the simulation model, the stability of the rear axle equivalent side angle, the vehicle understeer, the vehicle yaw response frequency, the vehicle stability, the vehicle response, and the steering return are studied. The trend of the indicators and the amount of change, and then guide the design of vehicle handling stability.

Tire characteristics; Cornering stiffness; Handling stability

U463.341

B

1671-7988(2018)21-82-04

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1671-7988(2018)21-82-04

景立新，就職于中國汽車技術研究中心。高級工程師，研究方向：汽車底盤性能開發。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.029