汽車行業(yè)-變摩擦系數(shù)路面上輪胎力學(xué)特性分析

PAGEPAGE8變摩擦系數(shù)路面上輪胎力學(xué)特性分析閆治仲【1】姜洪旭【2】李忠東【2】張偉偉【2】盧蕩【1】［吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點實驗室長春130022【1】青島森麒麟輪胎股份有限公司技術(shù)中心青島266229【2】］摘要：通過研究輪胎在由高摩擦系數(shù)路面進入低摩擦系數(shù)路面和由低摩擦系數(shù)路面進入高摩擦系數(shù)路面過程中的側(cè)向力和回正力矩的瞬態(tài)變化，得出輪胎在滾過摩擦系數(shù)突變部位，側(cè)向力會產(chǎn)生顯著變化，回正力矩也會有一個瞬時突變，仿真與試驗結(jié)果都體現(xiàn)了這一規(guī)律。關(guān)鍵詞：變摩擦系數(shù)路面瞬態(tài)特性側(cè)向力和回正力矩輪胎是汽車唯一的接地部件，在行駛過程中，改變汽車運動狀態(tài)的力是輪胎與地面相互作用產(chǎn)生的輪胎力。輪胎與路面間的相互作用與車輛的運動狀態(tài)相互耦合。在實際生活中車輛行駛的道路狀況經(jīng)常會發(fā)生改變，比如車輛會在干路面、水滑路面、冰雪路面等不同路面上行駛。車輛在通過帶水路面或結(jié)冰路面，輪胎附著系數(shù)發(fā)生突變時最易發(fā)生事故。路面摩擦系數(shù)變化直接影響輪胎的力學(xué)特性[1]。對于路面摩擦系數(shù)突變時輪胎側(cè)向力學(xué)的變化特性，較少有相關(guān)公開文獻[2]。研究輪胎在變摩擦系數(shù)路面上的力學(xué)特性的變化，有助于研究車輛在極端或突變工況下的操縱穩(wěn)定特性[3]。輪胎與路面之間摩擦定義從力學(xué)分析的角度看，接觸是邊界條件高度非線性的復(fù)雜問題，若要有效地仿真研究輪胎接地問題，必須正確模擬接觸面的法向作用和摩擦行為。本研究采用精度高、適用性廣的直接約束法描述接觸問題，該方法會追蹤物體的運動軌跡，一旦探測發(fā)生接觸，便將接觸所需要的運動約束和節(jié)點力作為邊界條件直接施加在產(chǎn)生接觸的節(jié)點上。切向接觸條件常使用庫倫摩擦模型來描述，該模型用摩擦系數(shù)μ來表征在兩個表面之間的摩擦行為。臨界摩擦剪應(yīng)力的值為μP。在接觸面間的剪應(yīng)力達到μP之前(P為接觸正壓力)，切向運動一直保持為零，處于粘著狀態(tài)；直到接觸面間的剪應(yīng)力等于μP時，接觸面才發(fā)生相對滑移。圖1.1中的實線描述了庫倫摩擦的行為。作者簡介：姜洪旭，男，青島森麒麟輪胎股份有限公司，主任，主要從事輪胎有限元仿真工作郵箱：jianghongxu112@126.com。盧蕩，黑龍江大慶人，吉林大學(xué)教授，博士，主要從事輪胎力學(xué)及車輛動力學(xué)研究工作郵箱：ludang960526@126.com。作者簡介：姜洪旭，男，青島森麒麟輪胎股份有限公司，主任，主要從事輪胎有限元仿真工作郵箱：jianghongxu112@126.com。盧蕩，黑龍江大慶人，吉林大學(xué)教授，博士，主要從事輪胎力學(xué)及車輛動力學(xué)研究工作郵箱：ludang960526@126.com。ElasticSlip和SlipTolerance這兩個參數(shù)在穩(wěn)態(tài)傳輸分析和其他分析過程中的意義有所不同。在其他分析中，這兩個參數(shù)決定了允許彈性滑動量γi，典型的允許彈性滑動量設(shè)置成“單元特征長度”的很小一部分(10-2-10-4)。而在穩(wěn)態(tài)傳輸分析中，ElasticSlip參數(shù)表示允許彈性滑動速度，SlipTolerance參數(shù)表示滑動容差Fr。在應(yīng)用中，F(xiàn)r反映了發(fā)生滑動時兩接觸體的臨界相對速度，其缺省值為0.005，該缺省值足夠小，能滿足一般的精度要求，同時可以收斂。圖1.1摩擦行為輪胎變摩擦系數(shù)（粗糙-光滑）路面試驗介紹圖2.1吉林大學(xué)平板式輪胎力學(xué)特性試驗臺圖中左側(cè)的白色平板是聚四氟乙烯材料，作為低摩擦系數(shù)路面，右側(cè)黑色平板為具有高摩擦系數(shù)的磨砂路面。并需要用適當(dāng)厚度的墊片，保持兩側(cè)路面高度、平整度一致，過渡處狀態(tài)良好。以圖2.1為參照，試驗開始前，輪胎?？吭谠囼灮_的最右端，試驗開始后，輪胎以一定側(cè)偏角從右向左滾動，試驗過程與前文中側(cè)偏角階躍工況相同。輪胎從靜止開始在高摩擦路面滾動1000mm時，摩擦系數(shù)突然變小，進入到低摩擦路面，繼續(xù)滾動800mm停止，一次試驗完成。摩擦系數(shù)躍變路面上的仿真3.1從低附著系數(shù)躍變到高附著系數(shù)路面上的仿真結(jié)果如果車輛在不同的附著系數(shù)的路面上運動，車輛運動狀態(tài)將會將會發(fā)生變化，尤其是在不同的路面交界處（如從冰路面突然運動到瀝青路面），此時車輛的附著性能將會顯著提高。圖3.1.1~圖3.1.2為205/55R16輪胎在對接路面上速度為0.432km/h，胎壓為250KPa，載荷為6000N，1度側(cè)偏角下側(cè)偏工況的試驗測試結(jié)果。圖3.1.1輪胎變摩擦系數(shù)試驗側(cè)向力與滾動距離的關(guān)系曲線圖3.1.2輪胎變摩擦系數(shù)試驗回正力矩與滾動距離的關(guān)系曲線圖3.1.3~圖3.1.4為205/55R16輪胎在對接路面上速度為0.432km/h，胎壓為250KPa，載荷為6000N，3度側(cè)偏角下側(cè)偏工況的試驗測試結(jié)果。圖3.1.3輪胎變摩擦系數(shù)試驗側(cè)向力與滾動距離的關(guān)系曲線圖3.1.4輪胎變摩擦系數(shù)試驗回正力矩與滾動距離的關(guān)系曲線圖3.1.5~圖3.1.6為輪胎在對接路面上速度為0.432km/h，胎壓為250KPa，載荷為6000N，6度側(cè)偏角下側(cè)偏工況的試驗測試結(jié)果。圖3.1.5輪胎變摩擦系數(shù)試驗側(cè)向力與滾動距離的關(guān)系曲線圖3.1.6輪胎變摩擦系數(shù)試驗回正力矩與滾動距離的關(guān)系曲線輪胎以一個恒定的側(cè)偏角和恒定的載荷滾過兩種不同的路面，記錄此時輪胎的受力情況，可以得到輪胎在摩擦系數(shù)變化的路面上的側(cè)偏特性曲線。根據(jù)真實輪胎變摩擦系數(shù)試驗，設(shè)定輪胎工況進行仿真，仿真工況如表3.1所示。調(diào)用隱式動態(tài)求解器進行仿真，路面設(shè)定兩段對接路面，預(yù)設(shè)路面初段為冰雪路面（假設(shè)動摩擦系數(shù)為0.3），一定距離后躍變到瀝青路面（假設(shè)動摩擦系數(shù)為1）。低附著系數(shù)路面高附著系數(shù)路面胎壓載荷側(cè)偏角摩擦系數(shù)路面長度（mm）摩擦系數(shù)路面長度（mm）250KPa6000N1度、3度、6度0.310001.0800表3.1從低附著系數(shù)躍變到高附著系數(shù)路面上的工況設(shè)置圖3.1.7~圖3.1.8為輪胎在對接路面上速度為0.45km/h，胎壓為250KPa，載荷為6000N，1度側(cè)偏角下側(cè)偏工況的仿真結(jié)果。圖3.1.7205輪胎變摩擦系數(shù)仿真?zhèn)认蛄εc滾動距離的關(guān)系曲線圖3.1.8輪胎變摩擦系數(shù)仿真回正力矩與滾動距離的關(guān)系曲線圖3.1.9~圖3.1.10為輪胎在對接路面上速度為0.45km/h，胎壓為250KPa，載荷為6000N，3度側(cè)偏角下側(cè)偏工況的仿真結(jié)果。圖3.1.9輪胎變摩擦系數(shù)仿真?zhèn)认蛄εc滾動距離的關(guān)系曲線圖3.1.10輪胎變摩擦系數(shù)仿真回正力矩與滾動距離的關(guān)系曲線圖3.1.11~圖3.1.12為輪胎在對接路面上速度為0.45km/h，胎壓為250KPa，載荷為6000N，6度側(cè)偏角下側(cè)偏工況的仿真結(jié)果。圖3.1.11輪胎變摩擦系數(shù)仿真?zhèn)认蛄εc滾動距離的關(guān)系曲線圖3.1.12輪胎變摩擦系數(shù)仿真回正力矩與滾動距離的關(guān)系曲線可以看到此時側(cè)向力發(fā)生突變，迅速增大，隨后便保持穩(wěn)定狀態(tài)，不再變化?；卣匾搽S著路面摩擦系數(shù)的躍升而劇烈變化，最終趨于穩(wěn)定。在較大側(cè)偏角時，回正力矩在階躍摩擦系數(shù)變化前有一尖峰突起。仿真結(jié)果與試驗結(jié)果完全一致。圖3.1.13~圖3.1.14為輪胎在對接路面上速度為0.45km/h，胎壓為250KPa，載荷為2000N和6000N，1度側(cè)偏角下側(cè)偏工況的仿真結(jié)果對比圖。圖3.1.13輪胎變摩擦系數(shù)仿真?zhèn)认蛄εc滾動距離的關(guān)系曲線圖3.1.14輪胎變摩擦系數(shù)仿真回正力矩與滾動距離的關(guān)系曲線由上面兩幅對比圖可看出，無論輪胎模型在大載荷還是小載荷下，側(cè)向力和回正力矩的變化趨勢都是一樣的，在路面摩擦系數(shù)分界處側(cè)向力和回正力矩會發(fā)生突變，最終趨于穩(wěn)定。3.2從高附著系數(shù)躍變到低附著系數(shù)路面上的仿真結(jié)果圖3.2.1~圖3.2.2為205輪胎在對接路面上速度為0.432km/h，胎壓為250KPa，載荷為6000N，1度側(cè)偏角下側(cè)偏工況的試驗測試結(jié)果。圖3.2.1輪胎變摩擦系數(shù)試驗側(cè)向力與滾動距離的關(guān)系曲線圖3.2.2輪胎變摩擦系數(shù)試驗回正力矩與滾動距離的關(guān)系曲線圖3.2.3~圖3.2.4為205/55R16輪胎在對接路面上速度為0.432km/h，胎壓為250KPa，載荷為6000N，3度側(cè)偏角下側(cè)偏工況的試驗測試結(jié)果。圖3.2.3輪胎變摩擦系數(shù)試驗側(cè)向力與滾動距離的關(guān)系曲線圖3.2.4輪胎變摩擦系數(shù)試驗回正力矩與滾動距離的關(guān)系曲線圖3.2.5~圖3.2.6為輪胎在對接路面上速度為0.432km/h，胎壓為250KPa，載荷為6000N，6度側(cè)偏角下側(cè)偏工況的試驗測試結(jié)果。圖3.2.5輪胎變摩擦系數(shù)試驗側(cè)向力與滾動距離的關(guān)系曲線圖3.2.6輪胎變摩擦系數(shù)試驗回正力矩與滾動距離的關(guān)系曲線輪胎以一個恒定的側(cè)偏角和恒定的載荷滾過兩種不同的路面，記錄此時輪胎的受力情況，可以得到輪胎在摩擦系數(shù)變化的路面上的側(cè)偏特性曲線。根據(jù)真實輪胎變摩擦系數(shù)試驗，設(shè)定輪胎工況進行仿真，仿真工況如表3.2所示。調(diào)用隱式動態(tài)求解器進行仿真，路面設(shè)定兩段對接路面，預(yù)設(shè)路面為初段為瀝青路面（假設(shè)動摩擦系數(shù)為1），一定距離后躍變到冰雪路面（假設(shè)動摩擦系數(shù)為0.3）。高附著系數(shù)路面低附著系數(shù)路面胎壓載荷側(cè)偏角摩擦系數(shù)路面長度摩擦系數(shù)路面長度250KPa6000N1度、3度、6度11000mm0.3800mm表3.2從高附著系數(shù)躍變到低附著系數(shù)路面上的工況設(shè)置圖3.2.7~圖3.2.8為輪胎在對接路面上速度為0.45km/h，胎壓為250KPa，載荷為6000N，1度側(cè)偏角下側(cè)偏工況的仿真結(jié)果。圖3.2.7輪胎變摩擦系數(shù)仿真?zhèn)认蛄εc滾動距離的關(guān)系曲線圖3.2.8輪胎變摩擦系數(shù)仿真回正力矩與滾動距離的關(guān)系曲線圖3.2.9~圖3.2.10為輪胎在對接路面上速度為0.45km/h，胎壓為250KPa，載荷為6000N，3度側(cè)偏角下側(cè)偏工況的仿真結(jié)果。圖3.2.9輪胎變摩擦系數(shù)仿真?zhèn)认蛄εc滾動距離的關(guān)系曲線圖3.2.10輪胎變摩擦系數(shù)仿真回正力矩與滾動距離的關(guān)系曲線圖3.2.11~圖3.2.12為輪胎在對接路面上速度為0.45km/h，胎壓為250KPa，載荷為6000N，6度側(cè)偏角下側(cè)偏工況的仿真結(jié)果。圖3.2.11輪胎變摩擦系數(shù)仿真?zhèn)认蛄εc滾動距離的關(guān)系曲線圖3.2.12輪胎變摩擦系數(shù)仿真回正力矩與滾動距離的關(guān)系曲線可以看到此時側(cè)向力發(fā)生突變，迅速減小，隨后便保持穩(wěn)定狀態(tài)，不再變化?；卣匾搽S著路面摩擦系數(shù)的躍升而劇烈變化，最終趨于穩(wěn)定。在較大側(cè)偏角時，回正力矩在階躍摩擦系數(shù)變化前有一尖峰突起。仿真結(jié)果與試驗結(jié)果完全一致。圖3.2.13~圖3.2.14為輪胎在對接路面上速度為0.45km/h，胎壓為250KPa，載荷為2000N和6000N，1度側(cè)偏角下側(cè)偏工況的仿真結(jié)果對比圖。圖3.2.13輪胎變摩擦系數(shù)仿真?zhèn)认蛄εc滾動距離的關(guān)系曲線圖3.2.14輪胎變摩擦系數(shù)仿真回正力矩與滾動距離的關(guān)系曲線4、總結(jié)輪胎的力學(xué)特性非常復(fù)雜，當(dāng)輪胎接地印痕內(nèi)的路面摩擦系數(shù)不同時更是如此。在摩擦系數(shù)突過程中，輪胎從接地印痕前端點開始進入不同路面，輪胎接地印痕內(nèi)分布的側(cè)向合力作用點位置偏移，這導(dǎo)致輪胎拖距發(fā)生變化，這也是回正力矩“尖峰”突起的現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。摩擦系數(shù)突然變大，則拖距減小，這會使回正力矩突然減小，隨著輪胎接地部分更多的進入粗糙路面，側(cè)向力逐漸增大，拖距又回到正常狀態(tài)，回正力矩又開始增大。摩擦系數(shù)突然變小，拖距突然增大，雖然側(cè)