汽车轮胎刚度对道路友好性的影响分析

张俊玲

(贵州工业职业技术学院机械与电气工程学院，贵州贵阳550003)



汽车轮胎刚度对道路友好性的影响分析

张俊玲

(贵州工业职业技术学院机械与电气工程学院，贵州贵阳550003)

汽车轮胎对路面的动载荷是影响道路破坏的重要因素，它与车速、载重、路面不平度、轮胎刚度及阻尼等有关。运用分析软件ADAMS，建立了1/4车辆动力学模型，通过车辆对路面破坏的评价指标，分析了轮胎刚度对道路友好性的影响。

重型汽车 轮胎刚度 ADAMS 道路友好性

0 引言

道路友好性是指汽车对道路破坏程度的大小，破坏程度越大，道路友好性越差；破坏程度越小，道路友好性越好[1]。

影响道路破坏的因素很多，从汽车设计的角度来看，主要有悬架的静载荷分布状况、车轴的形式、 轮胎的形式以及汽车轮胎对路面的动载荷[2]。动载荷是由于汽车受到路面不平度的激励产生的振动引起的；它与轮胎刚度、阻尼、载重、车速、路面不平度等因素有关，本文主要分析轮胎刚度对道路友好性的影响。

1 汽车对道路破坏的评价指标

汽车对道路破坏的评价指标有：动载荷系数和95百分位四次幂和力。

1.1 动载荷系数

动载荷系数DLC(即dynamic load coefficient) ，表示动载荷偏离静载荷的程度。

(1)

从上式可看出，动载荷变化越剧烈，对道路破坏程度越大。但事实上，用DLC评价动载荷对道路的破坏程度，是假设道路破坏程度的大小与动载荷之间呈线性关系，忽略了载荷与道路破坏之间的具体物理关系，其不能准确反映出各个轮胎与路面接触处动载荷的相关性，所以它只能粗略的反映动载荷与道路破坏之间的关系。一般情况下，动载荷系数DLC仅用于车辆对道路破坏的初步评价。对于典型的行驶工况和车辆，DLC一般在0.1～0.3范围内。

1.2 95百分位四次幂和力

1996年，Cole和Cebon提出95百分位四次幂和力评价指标考虑了动载荷的空间重复性[3]，本文使用的就是这个指标。由于动载荷的峰值会反复出现在道路上某些固定的地方，所以道路的寿命应由载荷的峰值决定而非均值。轮荷是一个随机量，没有确定的最大值，其峰值可以用95百分位来近似表示，即：μ+1.644 9σ，其中：μ为轮荷的均值，σ为标准偏差。95百分位四次幂和力就是把各个轮胎的动载荷的四次幂叠加，用来评价整辆汽车对道路的破坏。用理论道路破坏系数J表示。

(2)

式中：σA4、mA4表示A4的标准差和均值，A4表示汽车的四次幂和力。

J是峰值载荷和静载荷道路破坏之比，它反映的是汽车对道路破坏的性能，而不是破坏的绝对大小。汽车对道路破坏的绝对大小用某装载量下峰值载荷道路破坏与满载下静载荷道路破坏之比表示，即：汽车的绝对道路破坏系数。

(3)

由此可见，载荷的增加将使汽车对道路的绝对破坏增大。

2 汽车悬架的简化与数学模型的建立

车辆的悬架系统是一个复杂的多自由度“质量—刚度—阻尼”振动系统，特点是：不确定性，非线性和时变性。理论上，自由度选取越多系统就越接近真实，但需要测定的相关参数也就越多，测量误差会使计算结果出现较大的误差。因此，对车辆悬架系统模型进行适当的简化，忽略次要因素，研究其主要因素，从而使问题的研究既简单又接近实际。

为便于研究，将车辆的悬架系统简化为车身与车轮两个自由度振动系统的1/4车辆动力学模型，该模型能反映车辆实际问题中的大部分基本特征[3]。1/4模型是最简单的汽车振动模型(图1) ，只保留了两个最主要的运动，即簧载和非簧载质量的垂直振动，在下文中将用它来进行分析。

针对实际车辆系统，为便于模型建立，做以下假设：

1)汽车的车身为刚体，且运动方向垂直于路面；

2)非悬挂质量运动方向垂直于路面；

3)前后车轮受到的路面不平度激励无延时性；

4)左右车轮受到的路面不平度激励相等；

5)忽略轮胎的阻尼。

图1 1/4车辆动力学模型

根据假设，建立车身与车轮两个自由度振动系统的1/4车辆动力学模型，如图1所示。

其中，ms为簧载质量；mu为非簧载质量；k1为轮胎刚度，k2为悬架刚度，c2为悬架阻尼，x0为路面不平度位移输入，x1为非簧载质量位移，x2为簧载质量位移。车轮动载荷为k1(x1-x0)。轮胎对地面的动载荷为：

F=k1(x1-x0)

(4)

3 基于ADAMS空气悬架建模

选取东风某重型汽车，由于重型汽车的后悬架承担了大部分载重，所以选取后空气悬架作为主要研究对象。本文选用的是某公司的944 N型空气弹簧，P=0.76 MPa，设计高度的刚度值k=5.21×105N·m-1，后悬架的具体参数见表1。

表1 悬架主要参数

图2 ADAMS建立的四分之一车辆模型

在ADAMS/VIEW中创建几何点，运用零件库创建各个部件，并根据悬架参数定义各部件。在约束库中选取适当的约束副，以确定部件之间的连接情况和运动方式。基于ADAMS建立的四分之一车辆模型见图2。

本文将用装备944 N型的空气弹簧的悬架进行仿真。

4 轮胎刚度对道路友好性的影响

轮胎刚度变化可粗略归结为轮胎充气压力变化，轮胎刚度对动态轮胎力会造成影响,为了对不同轮胎刚度下的动态轮胎力进行研究。选取车速40 km/h，B级路面时，将原轮胎刚度分别提高10%，50%，100%。得到三种刚度下的车轮动载荷，仿真如图3所示。

图3 车速40 km/h，B级路面分别将轮胎刚度分别提高10%，50%，100%得到的车轮动载荷

从仿真结果中可得(表2)。

表2

参数名称原刚度提高10%提高50%提高100%车轮动载荷均方根值RMS/N498052696565815295百分位四次幂和力ϕ(1018N4)8.678.6710.5111.82道路破坏系数J5.866.257.057.85

在车速40 km/h，B级路面的条件下，分别将轮胎刚度提高10%，50%，100%，车轮动载荷分别提高了5.80%、31.83%、63.69%；95百分位四次幂和力φ分别增加了0.00%、21.22%、36.33%；道路破坏系数J分别提高了6.66%、20.31%、33.96%。

由上述分析可得出，在现有参数基础上增加轮胎刚度将使车辆对道路的破坏程度急速增大。即：车辆轮胎刚度在现有参数基础上增加会使道路友好性降低。

而轮胎刚度与轮胎充气压力紧密相关，增加充气压力会直接引起轮胎刚度的增加，导致车辆对路面作用的动载荷增加，使车辆对道路破坏程度增大。因此，为了提高道路友好性，应限制高压轮胎的使用。

[1] 郑明军，林逸，陈潇凯.空气悬架车辆道路友好性分析[J]. 拖拉机与农用运输车，2007，34(4)：40-41.

[2] 庄德军．膜式空气弹簧非线性弹性特性有限元分析[D]．长春：吉林大学，2003.

[3] 何锋，张军,曹龙田，等．基于ADAMS的重型汽车道路友好性仿真研究[J]．拖拉机与农用运输车,2010，37(4)：54-56.

[4] 刘青. 基于ADAMS的大客车空气悬架系统性能研究[D].武汉：华中科技大学,2005.

[5] 李曾刚.ADAMS 入门详解与实例[M].北京：国防工业出版社，2006.

[6] 曹永军.载重汽车空气悬架道路友好性研究[D].贵阳：贵州大学，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

张俊玲(1973-)，女，贵州贵阳人，贵州工业职业技术学院机械与电气工程学院，副教授，工程硕士。

2016-05-27