趙 亮,韋 勇,韋寶侶,方 華,賈永輝
(上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西 柳州 545007)
整車平順性又稱乘坐舒適性,對駕駛員的舒適感、疲勞、健康及貨物的完好程度有很大的影響,是評價汽車性能的重要指標(biāo)之一[1]。輪胎作為汽車與地面接觸的唯一部件,對緩沖路面的振動、力的傳遞和整車平順性有著重要的作用。
隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提升,仿真技術(shù)在車輛開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用,可以縮短開發(fā)周期,提高開發(fā)效率。
由車輛動力學(xué)可知,研究輪胎與路面之間相互作用力(力矩)至關(guān)重要。在車輛仿真中,穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的力及力矩的交互作用通常用Magic Formula輪胎模型描述,而平順性通常用Flexible Ring Tire(FTire)模型描述[2]。通過研究FTire輪胎模型與輪胎力學(xué)試驗(yàn)工況的關(guān)系以及FTire輪胎模型參數(shù)對平順性的影響來分析輪胎性能對整車平順性的影響,對輪胎與整車的匹配開發(fā)有著指導(dǎo)性的作用[3]。
本工作應(yīng)用FTire軟件研究輪胎模型參數(shù)對整車平順性的影響。
FTire輪胎模型主要包括4個部分,其核心由2個獨(dú)立部分構(gòu)成,一是輪胎的結(jié)構(gòu)模型,用于描述輪胎的結(jié)構(gòu)剛度、阻尼以及質(zhì)量特性;二是胎面模型,用于描述胎面與道路的接觸狀況,計(jì)算輪胎接地印痕內(nèi)的壓力分布和摩擦力[4]。另外2種模型分別是熱模型和磨損模型,熱模型主要用于描述輪胎在運(yùn)動過程中產(chǎn)生的熱量;磨損模型主要用于模擬輪胎磨損時力學(xué)特性的變化。
(1)完全的三維非線性平面內(nèi)和平面外輪胎模型,可用于帶束層動態(tài)特性、接地面處壓力分布、滾動遲滯、胎側(cè)接觸、大外傾角和輪胎誤用等工況的模擬。
(2)因短波不平路面、質(zhì)量不平衡、胎面花紋不規(guī)則或不均勻等產(chǎn)生的激勵所激發(fā)的頻率響應(yīng)可以達(dá)到200 Hz。
(3)環(huán)模型不僅能夠描述輪胎的面內(nèi)特性,也能描述面外特性。胎體可在圓周方向和胎體寬度方向離散;胎體單元之間用彈簧連接,并且每個胎體單元上分布一定數(shù)量的胎面單元。
(4)用復(fù)雜的非線性摩擦模型表示胎面膠的摩擦特性,即摩擦因數(shù)是壓力和滑移速度的函數(shù)。
(5)輪胎與輪輞間用徑、切、側(cè)3個方向的分布彈簧相連。輪輞可在面內(nèi)平移并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動,同時也可在面外運(yùn)動。而環(huán)與輪輞之間采用了彈簧與彈簧-阻尼單元并聯(lián)的表達(dá)方式。
(6)計(jì)算速度快,使用靈活方便,是有限元模型計(jì)算速度的多倍。
(7)依據(jù)模型復(fù)雜程度和仿真平臺的不同,至多進(jìn)行10~20倍的實(shí)時仿真。
(8)可用于因質(zhì)量分布不均勻和局部磨損引起的不平衡仿真。
(9)核心是采用一種隱式的積分算法來計(jì)算帶束層的形狀,能夠順利仿真微小的帶束層變形及極限工況而不會產(chǎn)生任何數(shù)值畸變。
本研究基于GB/T 4970—2009[5]中的三角脈沖凸塊路面仿真工況,以座椅導(dǎo)軌最大垂向和縱向加速度為評價指標(biāo),分別評價整車垂向和縱向平順性。其中FTire輪胎模型運(yùn)用FTire/fit軟件辨識得到,如圖1所示。
圖1 FTire/fit軟件界面
利用Adams/car軟件進(jìn)行整車模型搭建,整車模型由懸架子系統(tǒng)、車身子系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、橫向穩(wěn)定桿和輪胎組成。裝配好的整車模型如圖2所示。
圖2 Adams整車模型
整車模型的質(zhì)量參數(shù)見表1。半載的四輪定位參數(shù)(數(shù)模狀態(tài)為半載)見表2。
表1 整車模型的質(zhì)量參數(shù) kg
表2 半載輪胎初始定位參數(shù) (°)
滿載質(zhì)心坐標(biāo)為(-1 274.24,63.4,663.34)。滿載轉(zhuǎn)動慣量(操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)為滿載狀態(tài))Ixx,Iyy,Izz分別為732.2,2 596.8和2 814.2 kg·m2。
將三角形凸塊(見圖3)放置在道路中間,并按汽車輪距調(diào)整好凸塊的寬度(必須大于輪寬)。
圖3 三角形凸塊示意
為保證汽車左右車輪同時駛過凸塊,應(yīng)將凸塊放在與汽車行駛方向垂直的一條直線上。試驗(yàn)時,汽車以規(guī)定的車速勻速駛過凸塊。
試驗(yàn)車速為40,50,60和70 km·h-1,本研究以60 km·h-1的速度進(jìn)行仿真(見圖4)。仿真時,脈沖輸入的評價指標(biāo)為最大加速度(絕對值)。
圖4 車輛脈沖輸入仿真
最大垂向加速度(Azmax)能反映整車垂向平順性,其計(jì)算公式為
式中,n為脈沖試驗(yàn)次數(shù),n≥5;Azmaxj為第j次試驗(yàn)的最大垂向加速度,m·s-2。
由于縱向加速度能反映整車縱向平順性,本工作將最大縱向加速度(絕對值)也考慮在內(nèi)。車輛脈沖輸入下的加速度曲線見圖5。
圖5 車輛脈沖輸入下的加速度曲線
2.3.1 徑向變形參數(shù)
設(shè)定輪胎第一和第二徑向變形參數(shù)分別為d1和d2,d1和d2對應(yīng)的徑向載荷分別為F1和F2。
d1,d2,F(xiàn)1,F(xiàn)2對徑向剛度的影響可以理解為一條直線的兩點(diǎn)(d1,d2為橫坐標(biāo),F(xiàn)1,F(xiàn)2為縱坐標(biāo))對直線形狀及斜率的影響。當(dāng)d1,d2及F1確定時,隨著F2的增大,徑向剛度曲線斜率增大,即向上傾斜;在進(jìn)行徑向剛度調(diào)整時,應(yīng)根據(jù)各個參數(shù)的影響趨勢,合理地調(diào)整各參數(shù)值,使辨識精度達(dá)到最優(yōu)。
FTire模型中徑向變形參數(shù)表示在某一載荷時,輪胎0°外傾角下水平面上的徑向變形量。徑向變形參數(shù)對輪胎的徑向剛度有較大影響,其他參數(shù)不變,輪胎垂向剛度一般隨著徑向變形參數(shù)的增大而減小;但當(dāng)徑向變形參數(shù)增大到一定程度,垂向剛度反而隨著其增大而增大。
座椅導(dǎo)軌最大垂向和縱向加速度與d1的關(guān)系曲線如圖6所示。
圖6 座椅導(dǎo)軌最大垂向和縱向加速度與d1的關(guān)系曲線
由圖6可知:座椅導(dǎo)軌最大垂向加速度先隨d1的增大而減??;之后又隨其增大而增大;最大縱向加速度隨d1的增大整體呈減小趨勢。
2.3.2 帶束層單元最大徑向剛度相對于零位移狀態(tài)下的徑向剛度增量百分比(Pmr)
Pmr對徑向負(fù)載-變形曲線的斜率變化有較大影響,隨著Pmr的增大,徑向負(fù)載-變形曲線斜率有下降的趨勢。
座椅導(dǎo)軌最大垂向和縱向加速度與Pmr的關(guān)系曲線如圖7所示。
圖7 座椅導(dǎo)軌最大垂向和縱向加速度與Pmr的關(guān)系曲線
由圖7可知,隨著Pmr的增大,座椅導(dǎo)軌處最大垂向和縱向加速度均減小。
2.3.3 輪胎縱向剛度參數(shù)(Stl)
在進(jìn)行水平面上縱向剛度參數(shù)辨識時,忽略大位移下的差異,需要對摩擦特性進(jìn)行辨識。在變形條件下,若辨識縱向力-縱向變形曲線與試驗(yàn)有差異,可以通過增大Stl使縱向剛度增大,從而提高模型辨識精度。本工作中,隨著Stl的增大,縱向剛度曲線上升段斜率有上升的趨勢。
座椅導(dǎo)軌最大垂向和縱向加速度與Stl的關(guān)系曲線如圖8所示。
圖8 座椅導(dǎo)軌最大垂向和縱向加速度與Stl的關(guān)系曲線
由圖8可知,在辨識參數(shù)(222.667)附近,座椅導(dǎo)軌最大垂向和縱向加速度均隨Stl的增大而減小。
2.3.4 分布在帶束層節(jié)點(diǎn)上的質(zhì)量占輪胎總質(zhì)量的百分比(Pfm)
Pfm對過凸塊的動態(tài)響應(yīng)有重要影響,應(yīng)根據(jù)辨識與試驗(yàn)的對比精度逐步調(diào)整。
座椅導(dǎo)軌最大垂向和縱向加速度與Pfm的關(guān)系曲線如圖9所示。
圖9 座椅導(dǎo)軌最大垂向和縱向加速度與Pfm的關(guān)系曲線
由圖9可知:當(dāng)Pfm在辨識參數(shù)(71.198)附近變化時,座椅導(dǎo)軌最大垂向加速度與Pfm呈正線性變化關(guān)系;座椅導(dǎo)軌最大縱向加速度隨Pfm的增大而單調(diào)遞增。因此,增大帶束層質(zhì)量會降低整車平順性。
2.3.5 軸向阻尼(D1)
座椅導(dǎo)軌最大垂向和縱向加速度與D1的關(guān)系曲線如圖10所示。
由圖10可知:座椅導(dǎo)軌最大垂向加速度隨D1的增大而單調(diào)遞減;最大縱向加速度隨D1的增大而單調(diào)遞增。由此可知,D1的增大有利于提高整車垂向平順性,但相應(yīng)地會降低整車縱向平順性。
圖10 座椅導(dǎo)軌最大垂向和縱向加速度與D1的關(guān)系曲線
2.3.6 徑向阻尼(D2)
座椅導(dǎo)軌最大垂向和縱向加速度與D2的關(guān)系曲線如圖11所示。
圖11 座椅導(dǎo)軌最大垂向和縱向加速度與D2的關(guān)系曲線
由圖11可知,座椅導(dǎo)軌最大垂向和縱向加速度均隨D2的增大先大幅減小,而后略有增大。由此可知,整車平順性會隨D2的增大而提高,但當(dāng)D2達(dá)到一定值時,整車平順性反而會略有降低。
2.3.7 彈簧-阻尼單元的徑向剛度達(dá)到穩(wěn)定值相對于速度為零時所對應(yīng)的剛度增量百分比(Prs)
為描述輪胎的動剛度,F(xiàn)Tire模型在帶束層單元節(jié)點(diǎn)與輪輞構(gòu)造了彈簧-阻尼單元,當(dāng)達(dá)到一定速度時,彈簧-阻尼單元的剛度(包括徑向與垂向)會漸進(jìn)趨向一個穩(wěn)定值。參數(shù)Prs在一定程度上表達(dá)了輪胎的徑向動剛度。
座椅導(dǎo)軌最大垂向和縱向加速度與Prs的關(guān)系曲線如圖12所示。
圖12 座椅導(dǎo)軌最大垂向和縱向加速度與Prs的關(guān)系曲線
由圖12可知,座椅導(dǎo)軌最大垂向和縱向加速度均隨Prs的增大而單調(diào)遞增。由此可知,增大Prs不利于整車平順性的提高。
2.3.8 輪胎在最大滾動速度下的圓周增量相對于靜止?fàn)顟B(tài)下的百分比(Pbe)
Pbe對輪胎的縱向響應(yīng)特性會產(chǎn)生影響,因此也會對輪胎的動態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生影響。
座椅導(dǎo)軌最大垂向和縱向加速度與Pbe的關(guān)系曲線如圖13所示。
圖13 座椅導(dǎo)軌最大垂向和縱向加速度與Pbe的關(guān)系曲線
由圖13可知,座椅導(dǎo)軌最大垂向和縱向加速度均隨Pbe的增大而減小。由此可知,較小的Pbe有利于提高整車的平順性。
2.3.9 輪胎壓力在帶束層區(qū)域膜張力在縱向的補(bǔ)償量占側(cè)向及縱向總量的百分比(Prl)
對大部分輪胎而言,Prl一般為70%~80%。在實(shí)踐中,Prl對橫置凸塊精度提高影響有限,反而會對動態(tài)過橫置凸塊響應(yīng)有影響,因此可以結(jié)合該工況與動態(tài)過橫置凸塊協(xié)調(diào)調(diào)整。
座椅導(dǎo)軌最大垂向和縱向加速度與Prl的關(guān)系曲線如圖14所示。
圖14 座椅導(dǎo)軌最大垂向和縱向加速度與Prl的關(guān)系曲線
由圖14可知:座椅導(dǎo)軌最大垂向加速度隨Prl的增大而單調(diào)遞增;最大縱向加速度隨Prl的增大先增大后減小,Prl在辨識參數(shù)(80.56)有極大值。
2.3.10 胎面膠阻尼(D3)
座椅導(dǎo)軌最大垂向和縱向加速度與D3的關(guān)系曲線如圖15所示。
圖15 座椅導(dǎo)軌最大垂向和縱向加速度與D3的關(guān)系曲線
由圖15可知,座椅導(dǎo)軌最大垂向和縱向加速度均隨D3的增大而單調(diào)遞減。因此減小胎面膠阻尼有利于提高整車平順性。
通過整車平順性仿真分析,可知有10個關(guān)鍵參數(shù)對整車平順性有一定的影響,并可得出各參數(shù)對整車平順性的影響趨勢。
FTire輪胎模型關(guān)鍵參數(shù)對整車垂向平順性影響權(quán)重如表3所示。
從表3可以看出,對整車垂向平順性影響比較大的參數(shù)有描述輪胎垂向剛度的d1和Pmr、描述帶束層質(zhì)量的Pfm、描述輪胎縱向剛度的Stl、描述輪胎垂向動剛度的Prs和描述帶束層膜張力在輪胎縱向上分量的Prl(該參數(shù)是輪胎充氣壓力的函數(shù))。
表3 FTire輪胎模型關(guān)鍵參數(shù)對整車垂向平順性影響權(quán)重
FTire輪胎模型關(guān)鍵參數(shù)對整車縱向平順性影響權(quán)重如表4所示。
從表4可以看出,對整車縱向平順性影響較大的參數(shù)有描述帶束層質(zhì)量的Pfm、描述輪胎垂向剛度的d1和Pmr、描述輪胎縱向剛度的Stl、描述輪胎轉(zhuǎn)動阻尼的D1及描述帶束層膜張力在輪胎縱向上分量的Prl。
表4 FTire輪胎模型關(guān)鍵參數(shù)對整車縱向平順性影響權(quán)重
通過FTire軟件對輪胎模型參數(shù)進(jìn)行辨識和研究,得到輪胎模型參數(shù)與輪胎性能以及整車平順性的關(guān)系。結(jié)果表明:對整車平順性影響較大的輪胎力學(xué)性能有輪胎垂向剛度和縱向剛度、帶束層質(zhì)量、輪胎軸向阻尼比和輪胎充氣壓力。