车轮侧偏？聊聊我的子午线轮胎侧偏特性仿真研究

导读：“四个轮胎都是球形，可以前后左右随便开，停车的时候，四个轮子会各自向相反方向横向自动锁住，这种过程只需0.1秒！即使你踩了油门，也只能“原地刨坑”~”！这是固特异的轮胎。它模仿了珊瑚的形状，在干燥路面上，轮胎会自动变硬，减少摩擦；在有积水的路面上，轮胎会变软一些，增加摩擦，减少打滑，让雨雪天气行驶更加安全。

近日，奥迪已经决定要发售采用这种轮胎的车，相信它很快就将飞入寻常百姓家。作为一名轮胎研发工程师，对它也十分好奇。（这种轮胎的汽车操作稳定性到底如何），而今天我将针对车轮侧偏现象，带来高性能子午线轮胎侧偏特性研究，希望能够引发大家的共鸣。

一、写在前面

汽车的操纵稳定性在很大程度上取决于轮胎的侧偏特性，所以对轮胎侧偏特性的研究是汽车操纵稳定性研究的基础。

在汽车行驶过程中，由于路面的侧向倾斜、转弯时的离心力等因素， 使车轮的运动方向偏离其中心，此时车轮的旋转平面与行驶方向的夹角称为侧偏角， 如图所示。

传统的试验方法是研究轮胎侧偏特性的重要手段，郭孔辉院士于年开发了一款名为：QY7392的平板式静态特性轮胎试验台。多年来，对试验台的功能进行不间断的调试与改进。吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室在郭孔辉教授的指导下，研发出了一款更高水平，并且用途更为广泛的低速平板式轮胎特性试验台，这款试验台功能相比于之前，不仅功能更为强大，并且可以开展更多种的轮胎力学性能测试，在对轮胎力学特性的分析和研究中发挥了巨大的作用。

通过这款试验台已经取得了许多科研成果，例如：

• 轮胎侧偏的一般理论模型
• 轮胎侧偏半经验模型
• 轮胎侧倾力学特性模型

• 轮胎纵滑和侧偏联合工况下的统一轮胎模型等稳态轮胎模型。

在汽车操纵动力学方面，以及现代汽车动力学方面，都得到了十分广泛的应用。轮胎力学特性试验台如下所示：

利用轮胎力学特性试验台进行轮胎侧偏侧倾实验的具体方法为：

• 首先将轮胎从试验胎面上抬起，倾斜一个指定角度β；
• 轮胎倾斜角β调整好后，将轮胎落下置于胎面上，逐渐调整液压缸，使轮胎载荷达到试验所需载荷；
• 调整试验台平板转角，使轮胎侧偏角α满足要求；

• 使平板往复运动周，并记录下整个运动过程中轮胎的状态及六分力。

轮胎侧偏侧倾实验示意图

近年来，随着计算机技术的飞速发展和有限元商用分析软件的不断完善，有限元仿真分析方法开始应用于轮胎侧偏特性的研究。从理论上讲， 行驶时车轮的航向与车辆的行驶方向应该是相同的，但是由于设计、制造等因素的影响，尤其是轮胎内部帘线周向排布不均匀，使得胎在直线行驶时由于胎体的非对称性而产生侧向力，导致汽车在行驶过程中，车轮的实际行驶方向并不在它的旋转平面内，即车轮产生了侧偏现象。

二、轮胎侧偏有限元仿真分析

在进行轮胎侧偏有限元仿真分析时，需要进行二维轮胎有限元分析前处理、二维轮胎充气仿真分析、三位轮胎的生成及充气负载分析、稳态滚动分析等。

三、子午线轮胎有限元前处理

1、二维子午线轮胎充气分析：仿真条件如下：充气压强：0.2 MPa

关键字*SYMMETRIC MODEL GENERATION生成3D轮胎

*SYMMETRIC MODEL GENERATION,REVOLVE,ELEMENT=10000,NODE=10000,FILE NAME=step2rev0.0, 0.0, 0.0,    0.0, 1.0, 0.0 0.0, 0.0, 1.0   150.0,20,1.0,GENERAL 30.0,10,1.0,GENERAL 30.0,10,1.0,GENERAL 150.0,20,1.0,GENERAL*SYMMETRIC RESULTS TRANSFER**

3、子午线轮胎稳态滚动仿真分析

*HEADING  Step3: roll_tire from step2rev.inp*RESTART,READ*STEP,INC=500,NLGEOM=YES,UNSYMM=YES  4: roll_tire at 60km/h*STEADY STATE TRANSPORT,LONG TERM,INERTIA=YES  0.5, 1.0, 1E-6, 1.0*TRANSPORT VELOCITY  NODE_TIRE,57.011*MOTION,TYPE=VELOCITY,TRANSLATION  NODE_TIRE,1,,16666.67*CHANGE FRICTION,INTERACTION=SRIGID*FRICTION,SLIP=0.02  1.0*NODE PRINT,FREQUENCY=0………………………….（见附件）*END STEP******************************************* 2 DEGREE SLIP****************************************STEP,NLGEOM,UNSYMM=YE,INC=300*STEADY STATE TRANSPORT,INERTIA=YES0.5,1.0…………………….   （见附件）*END STEP

四、结果讨论

K=F/θ

式中， F为轮胎的侧向力，θ为侧偏角。

以此次仿真所用子午线轮胎为例，其稳态侧偏刚度为：

K=F/θ=938.463/1=938.463

四、写在最后

除了上述分析外，还可研究同一侧偏角下不同负荷的接地印痕变化、带束层角度对侧偏刚度的影响、不同侧偏角对轮胎磨损量的影响等，在此就不在一一讲述。

本文所述稳态滚动及侧偏分析inp文件都会以附件的形式发给大家，谢谢。