轮胎侧偏特性对汽车操纵稳定性的影响分析

祝学亮，侯致武，柴荣军

(延安大学西安创新学院，陕西 西安 710100)

轮胎侧偏特性对汽车操纵稳定性的影响分析

祝学亮，侯致武，柴荣军

(延安大学西安创新学院，陕西 西安 710100)

轮胎侧偏特性是轮胎重要力学特性。通过数学模型和轮胎仿真模型，对影响轮胎侧偏动特性各因素进行分析，从而研究轮胎侧偏动特性对汽车操纵稳定性的影响，为增强汽车抵抗外界干扰、准确响应驾驶员操纵指令的能力提供理论依据。

轮胎侧偏；操纵稳定性；数学模型；仿真分析

引言

轮胎是汽车的重要组成部件，车辆正常行驶过程中除了车身受到空气阻力外，就是通过轮胎作用于车辆系统的外力了。车辆行驶过程中，轮胎对汽车操纵稳定性产生较大影响，因此在整个车辆动力学系统中研究轮胎侧偏特性就具有很重要的作用。本文就是基于二自由汽车模型下分析轮胎侧偏特性对汽车操纵稳定性的影响。

1. 轮胎侧偏特性概述

1.1相关概念

由于汽车在行驶中会受到路面侧倾等因素产生的侧向外力的作用，这个侧向力沿车轴方向作用在车轮中心(见图1-1)使车轮产生侧向运动的趋势，此时来自地面的侧向附着力即侧偏力与之抗衡，即使外界侧向力没有达到车轮与地面间的附着极限，由于轮胎的弹性特点，轮胎会产生侧向变形而使车轮倾斜，导致车轮偏离预定的行驶路线，这种现象就称为汽车轮胎的侧偏现象。

如图1-1所示，侧向力F使轮胎中心线与车轮平面错开了一定距离，并且有一个夹角，这个夹角就叫做汽车轮胎侧偏角。轮胎发生侧偏时，会使轮胎产生一个绕OZ轴的回正力矩(见图1-2)，轮胎侧偏特性就是指侧偏力和回正力矩与侧偏角的关系(见图1-3)。

图1-1 侧向力Fy与侧偏力FY

图1-2 侧偏力、侧偏角、回正力矩

图1-3 轮胎侧偏特性

1.2 轮胎侧偏分类

(1)轮胎稳态侧偏特性

当汽车以30～40km/h的速度在良好的路面上行驶时，汽车横摆频率一般低于2Hz，此时轮胎的行驶状态表现为稳态。即使车速较高时，轮胎在路径频率低于0.7rad/min时侧向输入而引起的轮胎力(非稳态值)和稳态值差别非常小，故非稳态值可忽略不计，此时轮胎的行驶状态依然为稳态。

(2)轮胎非稳态侧偏特性

汽车在行驶过程中，轮胎会经常遇到起步、制动、急剧转向、突然横向风响应、前轮摆振、紧急超车、躲避运动等现象，所以车轮大部分时间处在非稳态工况，表现出典型的非稳态侧偏特性。本文着重研究轮胎非稳态侧偏特性对汽车操纵稳定性的影响。

2.轮胎侧偏动特性数学模型的建立

2.1 建模机理分析

由于车轮侧向运动的输入量的性质不同(时变与非时变)，所以就导致轮胎的非稳态侧偏特性明显不同于稳态侧偏特性。在建立轮胎侧偏模型时，接触区域(即印迹)是个焦点，所以目前应用的模型是以印迹变形为基础的。

2.2 轮胎侧偏动特性数学模型的建立

(2.1)

式中：F—侧偏力；KU—轮胎侧偏刚度。

根据轮胎的侧向变形，还可计算出轮胎的侧向力为：F=Kyy

(2.2)

式中，Ky—轮胎的侧向刚度。

(2.3)

(2.4)

图2-1 轮胎侧偏动特性的变形模型

3.车辆仿真模型

3.1 模型假设

把整个轮胎胎面印迹区分为两个区，一个滑移区和一个附着区，忽略掉纵向力的影响，不考虑轮的胎动摩擦特性，建立二自由度转向模型，如图4-1所示。规定所有方向以逆时针正，并作如下假设：

(1)汽车在纵向不发生滑移和滑转，且只有侧向运动和横摆运动两个自由度；

(2)忽略空气动力作用，汽车做匀速运动；

(3)忽略左右轮胎载荷变化和回正力矩的影响。

图3-1 二自由度转向模型

3.2 模型的建立

图3-1所示系统运动微分方程为：

(3.1)

侧向加速度ay、横摆角速度以及汽车质心侧偏角β、横摆角ψ有如下关系：

ay+(Fy1+Fy2)/m=V(β&+r)r=Ψ&

(3.2)

前后轮的侧偏角分别为：

(3.3)

因此根据轮胎的稳态E指数模型，侧向力为：

(3.4)

其中，i=1，2分别代表前后轮。

汽车的质心位置(X，Y)由下式确定：

(3.5)

轮胎侧偏动特性用(3.4)式进行模拟。仿真时设定前轮转角为单周期正弦输入，频率为0.7Hz，幅值为5，并不断改变轮胎的滞后系数，分别对车辆低速和高速行驶的运动轨迹特征进行仿真，分析轮胎侧偏特性对车辆操纵稳定性的影响。

4.轮胎对汽车操纵稳定性的影响分析

图4-1为低速和高速两种情况下不同轮胎的车辆相轨线图(本文采用侧偏角和横摆角速度这两个变量组成的相轨线来表示车辆的稳定状态)，横坐标为轮胎侧偏角，纵坐标为车身横摆角速度。从图4-1(a)可以看出，低速时虽然轮胎的滞后系数不同，但各条相轨线非常相似，这就说明低速时不同轮胎运动特性对操纵稳定性的影响不大。当车速提高以后，车辆相轨线明显与低速时不同，图线出现了较大变化，从图4-1(b)可知，车速在100km/h的情况下，车辆的相轨线明显偏离稳定区域，处于非稳定状态，这就说明高速时不同的轮胎运动特性对车辆操纵稳定性的影响较大。

图4-1 不同滞后系数下的车辆相轨线图

图4-2是车速为100km/h时的车辆行驶运动轨迹图。由图可知，如果不考虑轮胎侧偏特性，车辆基本上做的是稳定的直线行驶；如果考虑轮胎侧偏特性，即使前轮转角恢复到0度，车辆仍然以不断增大横摆角速度和侧向速度沿曲线做非稳态行驶(图中轨迹线和横坐标之间的夹角代表车辆横摆角的大小)。

5.结论

汽车操纵稳定性的很多研究还处于探索和完善阶段，本文主要通过研究模型得到了仿真结果，分析了轮胎侧偏特性对汽车操纵稳定性的影响，结论如下：

(1)轮胎侧偏对车辆操纵稳定性影响较大，车辆操纵过程的各种失控状况都能在轮胎侧偏角控制和分布上找到原因。

(2)低速时轮胎侧偏对汽车操纵稳定性影响较小，车速较高时轮胎侧偏对汽车操纵稳定性的影响较大。

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Analysis of the Influence of Tire Side Slip Characteristics on Vehicle Handling Stability

ZHUI Xue-liang，HOU Zhi-wu，CHAI Rong-jun

(Xi'an Innovation College of Yan'an University, Xi'an 710100, China)

Tire side slip characteristics are the important mechanical properties of tire. By means of mathematical model and tire simulation model, this paper analyzes the influence factors of tire side slip dynamic characteristics, so as to study the influence of tire side slip characteristics on the vehicle handling stability, and to provide theoretical basis for enhancing the ability of the vehicle to resist external disturbance and accurately respond to the driver's control instructions.

tire side deviation; handling stability; mathematical model; simulation analysis

2016-10-13

祝学亮(1986- )，男，大学，延安大学西安创新学院助教，研究方向：车辆系统动力学。

U463.341

A

1671-3974(2016)04-0064-04