轮胎性能对车辆操纵稳定性影响的仿真研究*

陈焕明，郭孔辉

(1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022； 2.青岛大学机电工程学院，青岛 266071)



2015087

轮胎性能对车辆操纵稳定性影响的仿真研究*

陈焕明1，2，郭孔辉1

(1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022； 2.青岛大学机电工程学院，青岛 266071)

本文中进行整车动力学仿真，以研究轮胎性能对车辆操纵稳定性影响。首先，对3组轮胎进行轮胎力学性能试验，利用所获得的力和力矩数据建立Unitire轮胎模型。然后，用CarSim软件进行车辆动力学建模、仿真和试验验证。最后，利用所建车辆模型进行稳态回转试验、转向盘角阶跃试验和双移线试验，对试验数据进行分析，并客观评价了轮胎性能对车辆操纵稳定性影响。

轮胎模型；车辆操纵稳定性；开闭环仿真；客观评价

前言

轮胎作为车辆与地面间唯一的传力介质，其力学性能对于车辆动力学性能有重要的影响。轮胎经济性和耐久性有较完善的客观评价标准。关于轮胎对车辆操纵稳定性的影响，由于缺少统一标准，并且不同的车辆对于轮胎的要求也不尽相同，仅局限于轮胎性能很难对操纵稳定性做出评价[1-2]。

车辆操纵稳定性评价主要有客观评价和主观评价两种方法。客观评价是通过标准实验得到汽车状态量，再计算汽车操纵稳定性的评价指标，这可通过实车试验和模拟仿真完成。在车辆开发初期可通过车辆动力学仿真进行车辆操作稳定性研究[3-9]。主观评价包括驾驶员-汽车-环境闭环系统的特性分析，对汽车的操纵稳定性进行研究和评价。通常是由有经验的、专业的试车员驾驶汽车行驶一段特定路程，进行特定操纵后定性描述汽车各方面的特性[10-11]。

国内外的研究已经注意到了轮胎和车辆性能之间的关系。文献[12]中只对轮胎和车辆性能的关系作了阐述，没有给出具体定性或定量描述。文献[1]中也对轮胎与车辆的匹配作了相关的研究。文献[2]中利用开环实验对5组轮胎的性能进行了评价。

本文中拟采用开闭环结合的方法开展轮胎性能对车辆操纵稳定性影响的仿真研究。

1 轮胎模型

在车辆动力学仿真建模过程中轮胎模型的准确性非常重要。目前有几种轮胎模型，如Unitire、Magic Formula、Pacejka89、Pacejka94、PAC2002和Fiala等轮胎模型。本文中采用郭孔辉及其团队开发的Unitire模型。

采用3组不同性能的轮胎，见表1。对轮胎进行力学特性试验，得到性能数据，轮胎纯侧偏和纯侧倾工况下的轮胎力学特性如图1～图4所示。利用试验数据拟合得到Unitire模型。

表1 轮胎型号

2 车辆模型与验证

2.1 车辆模型

利用车辆动力学仿真软件CarSim建立车辆仿真模型。它包括车辆的各个子系统，如车体、悬架、转向、制动和动力传动系统等[13]。其中悬架、转向制动和动力传动系统的性能数据皆来自试验数据。车辆车体主要参数如表2所示。

表2 车辆参数

2.2 试验验证

在某试验场进行蛇形试验，试验数据与仿真数据的对比如图5所示。可以看出，仿真数据和试验数据峰值均超过0.8g，两者间最大差值为4.87%，说明所建模型正确，可用于车辆操纵稳定性仿真。

3 仿真试验

目前国内外有很多关于车辆操纵稳定性评价的试验标准，但并没有公认的可以完全反映车辆操纵稳定性评价的试验流程，各大汽车公司对自己的评价体系也讳莫如深[9]。本文中选用开闭环结合的方法进行车辆操纵稳定性评价，开环评价选用稳态回转试验和转向盘阶跃输入试验，闭环试验选用较为典型的双移线试验。

3.1 稳态回转试验

参照GB/T 6323—2014[14]，分别对3组轮胎进行稳态回转试验。根据QC/T 480—1999[15]，分别按中性转向点的侧向加速度值an、不足转向度U、车厢侧倾度Kφ进行评分，如表3所示。评分结果显示，轮胎C的各项评分最均衡，综合得分最高，总体表现优于轮胎A和B。

表3 稳态回转试验评分表

3组轮胎对应的车辆质心侧偏角响应曲线如图6所示。车辆质心侧偏角变化的大小表征车辆对理想轨迹跟随程度的好坏[16]。装备轮胎A的车辆质心侧偏角最大，轮胎B和轮胎C依次减小，与评分一致。

3.2 转向盘阶跃输入试验

转向盘阶跃试验是一种典型的汽车开环瞬态试验，可反映出转向盘角输入情况下车辆的瞬态响应。仿真参照GB/T 6323—2014进行，3组轮胎对应的车辆侧向加速度曲线如图7所示。根据QC/T 480—1999进行评分。按侧向加速度值为2m/s2时的汽车横摆角速度响应时间T进行评分，结果如表4所示。可见，轮胎C响应最快，轮胎A和轮胎B性能接近。

表4 转向盘角阶跃试验评分表

为更加充分完整地评判车辆侧向加速度从低到高整个范围内车辆的响应特性，在上述试验的基础上做转向盘转角从小到大的一系列仿真试验，通过车辆动态响应从小到大变化过程的趋势评价车辆操纵稳定性。

车辆侧向动态响应在低侧向加速度小于0.3g情况下基本保持线性。大部分驾驶员对于车辆动态响应的感觉来自线性区域。车辆动态响应区域的线性程度越高，意味着车辆越易于驾驶，在高侧向加速度区域背离驾驶员意图的动态反应也越小。对于普通驾驶员来说容易适应。侧向动态响应可用侧向加速度ay、侧倾角φ和横摆角速度ψ′来表征，见表5。因此，可以使用线性区域的仿真数据进行线性拟合，利用拟合所得公式计算非线性区域数值。用仿真数据与线性假设数据的百分比表示该指标的线性程度。

表5 轮胎线性程度表 %

结果显示，轮胎C动态响应的线性程度明显好于轮胎A和轮胎B，即轮胎C更易于驾驶。

转向盘角阶跃试验中3组轮胎侧偏角响应曲线如图8所示。轮胎C的侧偏角响应超调最小，并能很快收敛，轮胎A的侧偏角响应超调最大。因此，轮胎C的侧偏性能能够很好地满足快速响应、迅速收敛的要求。

3.3 双移线试验

目前双移线试验是被广泛采用的闭环操纵稳定性评价试验[17]。分别对3组轮胎进行相同速度的双移线试验。

为了更好地评价轮胎操纵稳定性，须综合考虑车辆动态响应的各个方面。打分采用郭孔辉团队提出的评价体系。其评价指标包括车辆轨道跟踪优劣的误差、驾驶员负担、翻车危险性、侧滑危险性和驾驶员路感等指标，见式(1)。

(1)

式中：Ji为各项指标评分值；wi为各项指标加权值。

根据式(1)对3组轮胎的双移线试验进行评分，结果见表6。由表可见，轮胎A评分好，轮胎B次之，轮胎C最差。

表6 双移线评分值

3组轮胎对应的车辆质心侧偏角如图9所示。轮胎A对应的车辆质心侧偏角峰值最小，轮胎C的最大。可见，在双移线这样剧烈的转向盘操作工况中，轮胎侧偏刚度大的轮胎A更能满足要求。

综上所述，3组轮胎在上述3项试验中的表现各不相同。在每一项试验中各个评分指标的表现也不尽统一。不同类型的车辆对于操纵稳定性各方面的要求也不一样，因此可以用仿真的方法在车辆和轮胎设计初期就合理地匹配车辆和轮胎来满足车辆操纵稳定性的要求。

4 结论

本文中基于整车操纵稳定性仿真方法，利用CarSim车辆仿真软件，采用开闭环结合客观评价来研究轮胎性能对于车辆操纵稳定性的影响。对稳态回转试验、转向盘角阶跃试验和双移线试验进行仿真，并参照国标进行评分。重点分析轮胎侧偏特性对车辆质心侧偏角的影响，从而研究轮胎性能对车辆操纵稳定性的影响。

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Simulation of the Effects of Tire Performance on Vehicle Handling Stability

Chen Huanming1,2& Guo Konghui1

1.JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130022;2.CollegeofMechanicalEngineering,QingdaoUniversity,Qingdao266071

A vehicle dynamic simulation is conducted in this paper to study the effects of tire performance on the handling stability of vehicle. Firstly tire mechanical performance test is performed on three set of tires, and with the force and moment data obtained from test, a Unitire tire model is built. Then a vehicle dynamics model is set up, a simulation is carried out with CarSim and the model is verified by test. Finally with the verified vehicle model, steady state circular test, steering wheel angle step input test and double lane change test are proceeded, with test results analyzed and the effects of tire performance on the handling stability of vehicle objectively evaluated.

tire model; vehicle handling stability; open/closed loop simulation; objective evaluation

*高等学校博士学科点专项科研基金(20100061110049)资助。

原稿收到日期为2013年9月5日，修改稿收到日期为2013年12月13日。