基于的整车平顺性仿真研究

【关键词】
汽车Ｆｔｉｒｅ轮胎模型平顺性 Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃａｒ Ｒｉｄｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ
ｏｎ
ｏｎ
Ｆｔｉｒｅ
Ｆｅｉ Ｒｕｉｐｉｎｇ，Ｌｕ Ｄａｎｇ，Ｇｕｏ Ｋｏｎｇｈｕｉ Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ
ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ
Ｄｙｎａｍｉｃ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
平顺性作为现代汽车的主要性能之一，已经成为衡量汽车整 体性能的重要指标。汽车平顺性主要是指保持汽车在行驶过 程中产生的振动和冲击环境对乘员舒适性的影响在一定界限 之内，对载货汽车还包括保持货物完好的性能。车辆振动不 仅可能导致车上乘员疲劳和货物的破损，还会使整车零部件 过早磨损和疲劳损坏，影响车辆的正常使用寿命。一直以 来，世界各大汽车厂商和研究机构均在提高车辆平顺性方面 进行了大量的研究工作，并取得了一定成效。但是由于平顺 性涉及到的车辆各总成之间的耦合关系比较复杂，并且平顺 性与操纵稳定性、动力性等车辆主要性能相互影响，目前平 顺性仍是车辆性能研究的热点之一，平顺性在提升整车行驶 性能中的作用至关重要。 平顺性的优劣与整车各结构参数密切相关，轮胎作为底盘
Ｃａｒ ｒｉｄｅ
模型能够准确描述高频振动时轮胎的力学特性，可以满足不同
引
言
频率下车辆平顺性仿真的需要。 本文根据轮胎环模型理论，以相应的轮胎参数为依据， 基于Ｆｔｉｒｅ／ｔｏｏｌｓ软件，建立某乘用车轮胎的Ｆｔｉｒｅ模型，同时 基于ＡＤＡＭＳ虚拟样机软件建立某乘用车的整车模型，进而
随着高速公路的迅速发展和汽车行驶车速的不断提高，
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图３三角形凸块路面截面图
图５左后轮簧下垂直加速度对比曲线
３仿真结果及分析
利用建立的整车平顺性仿真环境，通过使用Ｆｔｉｒｅ轮胎 模型进行平顺性仿真的研究。仿真车速为６０ｋｍ／ｈ，车辆匀 速驶过三角形双凸块路面。由于整车模型是对称建立的，因 此图４和图５只给出了车辆左侧前轮和左侧后轮簧下垂直加
ｍｏｄｅｌ’Ｓ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｈａｖｅ
ｈｉｓｈ
ａｇｒｅｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅ
Ｆｔｉｒｅ
ｒｅｓｕｌｔｓ，ａｎｄ ｔｉｒｅ ｍｏｄｅｌ
ｔｈｅｎ ｔｈｅ
ａｄｖａｎｔａｇｅ
ｏｆ Ｆｔｉｒｅ ｆｏｒ ｒｉｄｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ．
行驶乎顺性影响较大，因此合适的路面不平度引起的激励对
整车行驶平顺性的研究不可或缺。
根据汽车平顺性试验的评价标准，引起汽车振动的路面
可以分为两种，一种是接近平稳随机输入的不同等级路面；
另一种是冲击型不平路面或称为典型路面，其通常用路面的
几何尺寸来描述。考虑到主要研究车辆的中高频平顺性，本 文采用冲击型不平路面作为平顺性仿真的典型工况。依据 ５９０２－－１９８６汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法，试验
ｏｎ
ｖｅｈｉｃｌｅ ｒｉｄｅ ｂａｓｅｄ
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ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｍｏｄｅｌ ｐｕｌｓｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｂｙ ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ ｂｕｍｐ
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Ｆｔｉｒｅ ｔｉｒｅ
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ｍａｋｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ．ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ Ｆｔｉｒｅ ｔｉｒｅ
Ｆｔｉｒｅ轮胎模型主要参数
符 号 数 值 单
ｍｍ ｎｌｍ
位
２订７ｂｅｌｔ ｄｉ。
１７６３．４６ ３５５．６ １６５．１ １５２．５６４ １１ ８ ６４ １．７２１２５ｅ６ ６５
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ｗ－ｍ ｗｋ８ｄ
ｍｔｈ
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印迹宽度（无侧倾） 轮胎总质量 胎面高度
ｍｍ
ｋｇ
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ｄ酬
Ｓ
坜‰
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胎面橡胶邵氏硬度 带束平面内弯曲刚度
速度的对比曲线，右侧车轮的响应曲线与此类似。从前后轮
的簧下质量垂直加速度对比曲线中可以看出，基于Ｆｔｉｒｅ轮 胎模型的仿真结果与试验数据基本一致，尤其是车辆经过凸 块产生高频振动时，Ｆｔｉｒｅ基本能够准确反映车辆的垂直加 速度变化。 通过仿真验证了基于某乘用车建立的平顺性仿真环境的
准确性和有效性，从仿真曲线对比图中可以看出ｈｉｒｅ轮胎
仿真研究时，高频轮胎模型至关重要。目前常用的轮胎模型如 滚子接触模型、点接触模型等主要是针对车辆操纵稳定性研究 的，在进行车辆中高频平顺性仿真研究时效果不理想。而等效 平面模型、径向弹簧模型和有限元模型因模型参数获取困难， 难以建立准确的轮胎模型。ｎ沁（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ
Ｒｉｎｇ Ｔｉｒｅ
Ｍｏｄｅｌ）轮胎
ＳＡＥ．Ｃ２０１０Ｃ１６５
２０１０中国汽车工程学会年会论文集
面，将胎圈、胎体、带束层等分成９０—３６０个带束单元，彼
的Ｆｔｉｒｅ模型参数，进而完成Ｆｔｉｒｅ轮胎模型的搭建。 表１
参数名称 轮胎滚动周长 轮辋直径 轮辋宽度
此之间用非线性随压力变化的刚度和阻尼单元相连，每个带
束单元都有４＋算个自由度分别是：纵向位移、侧向位移、 垂直位移和绕圆周方向的转动，其中ｚ指用形状函数龙表示 的侧向弯曲刚度。胎面则由１０００～１００００互相接触的摩擦单 元与带束相连，与路面粘性滑动接触。
≮
≯鹣罗
２．３路面激励
ＧＢ／Ｔ
图２整车模型结构示意图
仿真的路面模型，基于Ｆｔｉｒｅ／ｔｏｏｌｓ软件和相关轮胎数据建立
了Ｆｔｉｒｅ轮胎模型，构建车辆的中高频平顺性仿真环境。
２．１
Ｆｔｉｒｅ轮胎模型的建立
Ｆｔｉｒｅ轮胎模型的建立以固定轮辋时轮胎的模态试验以
车辆正常行驶时的激励源根据来源不同通常分为两大
类——路面不平度引起的激励和车辆自身的激振。车辆激振 主要来自包括轮胎——车轮总成，传动系统和发动机等旋转
２０１０中国汽车工程学会年会论文集
ＳＡＥ．Ｃ２０１０Ｃ１６５
基于Ｆｔｉｒｅ的整车平顺性仿真研究
费瑞萍卢荡 郭孔辉
吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室
【摘要】
以Ｆｔｉｒｅ轮胎模型和ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ车辆动力学整车模型为平台，进行了汽车平顺性仿真研究。将Ｆｔｉｒｅ软件辨识
得到的轮胎模型与ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ整车模型结合，利用三角形凸块路面对整车模型进行脉冲激励，研究在此激励下整车的平顺 性。将Ｆｔｉｒｅ轮胎模型仿真结果与试验测量结果进行比较，结果表明Ｆｔｉｒｅ轮胎模型仿真结果与试验结果有很好的吻合度，从 而验证了Ｆｔｉｒｅ轮胎模型在汽车平顺性研究中的优势。
动力学模型。整车模型的前悬架为麦弗逊悬架，后悬架为扭 转梁悬架。建立整车多体模型时，各部件之间采用铰链或衬 套连接，同时为使模型更加准确，前悬架稳定杆采用柔性体 结构。考虑所建立的模型主要应用于车辆的平顺性分析，因 此建模时对发动机、传动系、动力总成进行了简化。由此得 到了某乘用车的整车多体动力学模型。如图２所示为基于 ＡＤＡＭＳ平台的整车多体动力学模型结构示意图。
２０１０中国汽车工程学会年会论文集
ＳＡＥ．Ｃ２０１０Ｃ１６５
时，将凸块放置在试验道路中间，并按汽车车轮距离设置凸 块的间距，车辆匀速通过两个三角形凸块，并记录下四个簧 下垂直加速度随时间变化数据，三角形凸块截面图如图３所 示。仿真时，基于ＡＤＡＭＳ路面建模器（Ｒｏａｄ ｂｕｉｌｄｅｒ），构建 了典型脉冲输入路面行驶环境，类似于试验过程，使车辆匀 速通过脉冲输入路面，输出四个簧下垂直加速度随时间变化 数据Байду номын сангаас以便用于下文比较分析。
部件。与车辆自身激振相比，路面不平度引起的激励对汽车
及不同压力和滑移速度下胎面橡胶的摩擦特性试验为基础， 利用试验获得的相关参数，辨识得到相应的Ｆｔｉｒｅ轮胎模型。 Ｆｔｉｒｅ轮胎模型辨识常用的参数有轮胎的几何参数包括轮胎 轮辋的半径胎面宽度等，质量和转动惯量，胎面花纹参数， 胎面邵氏硬度，轮胎纵向、径向、侧向以及扭转刚度等。本 文根据相应的轮胎结构参数利用Ｆｔｉｒｅ／ｔｏｏｌｓ生成了Ｆｔｉｒｅ轮胎 模型，Ｆｔｉｒｅ生成的．ｔｉｒ文件中的主要参数见表１。其中ｎ— ｉｒｅ／ｔｏｏｌｓ是调用Ｆｔｉｒｅ／ｅｓｔｉｍ专业的数学估计公式，根据已知 轮胎的Ｆｔｉｒｅ特性参数，估计与此轮胎结构和尺寸近似轮胎
系统中的关键部件，其对整车平顺性的影响更不能忽视。实车
试验需要消耗大量的时间和人力物力，同时高速极限工况测试
还具有一定的危险性，因此在车辆设计开发前期，虚拟仿真得
到了广泛应用。针对平顺性的仿真研究作为一种行之有效的手 段，在整车平顺性的研究中占据着不可替代的作用。由于平顺
性涉及的车辆振动频率范围从ｏ．５一踯比，因此在进行平顺性
的侧偏特性。胎体沿着圆周方向离散，也可在胎体宽度方向离 散；体单元之间用弹簧相连，在每个胎体单元上有一定数量的 胎面单元。②轮辋与轮胎用径向、切向、侧向三个方向的分布 弹簧相连，可以在面内平移和转动，也可在面外运动。环与轮 辋之间用了弹簧并联—个串联的弹簧．阻尼单元的形式。③在对 模型进行线性化分析自然频率和阻尼系数时包括轮胎特性，从 而得到模型完整的静态特性。④采用了复杂非线性的摩擦模型 描述胎面橡胶的摩擦特性，即摩擦系数为压力和平移速度的函
数。＠Ｆｔｉｒｅ不需要复杂的道路模型预处理，而是提取和分解不 规则路面，甚至是非常高和锋利的障碍物。⑥轮胎的滚动半径
与弹簧的刚度随轮胎转速变化而变化。⑦可用于短波不平路面， 适用频率范围超过１２０Ｈｚ甚至可达到１５０Ｈｚ。⑧对于轮胎稳态 特性有足够的精度。
２整车平顺性仿真模型建立
包括整车模型在内的仿真环境是进行平顺性仿真研究的 基础，整车模型的精确性和道路模型的可靠性将直接影响仿 真分析的准确性。本节将某乘用车作为参考目标车型，以 ＡＤＡＭＳ为平台，搭建整车模型，同时建立能够满足平顺性
模型的优点。Ｆｔｉｒｅ轮胎模型是一种典型的环模型，其由德
国Ｅｓｓｈｎｇｅｎ大学的Ｍｉｃｈａｅｌ Ｇｉｐｓｅｒ教授领导的小组开发，是 一种能够反映轮胎高频特性的全新模型，可用于车辆操纵稳 定性和平顺性计算，以及平整路面和不平路面的车辆动力学 模拟。由于Ｆｔｉｒｅ是基于柔性环构建的物理轮胎模型，其在 与车辆模型连接时，将轮辋考虑在轮胎模型中，路面对轮胎 的作用作为外界输入，能够准确描述轮胎的稳态和动态纯侧 偏特性、稳态滚动特性和动态包容特性。 如图ｌ所示为Ｆｔｉｒｅ轮胎模型中平面内环形块与轮辋连 接结构。在Ｆｔｉｒｅ物理模型中，轮胎的胎体由一些无质量环 形块来替代，通过弹簧相互连接起来。这些环形块相对于轮 辋可以在任意方向弯曲并在三个方向（旋转、纵向、侧向）传 递轮胎的非线性刚度和阻尼，一个环形块的弯曲形态取决于 路面的激励情况和相邻的环形块对其的作用。在轮胎结构方
实现Ｆｔｉｒｅ模型与整车模型的连接，构建用于平顺性仿真的 整车模型。利用ＡＤＡＭＳ中的路面建模器搭建典型平顺性仿 真路面，进行某乘用车的中高频平顺性仿真分析，验证Ｆｔ．
ｉｒｅ在车辆平顺性仿真中的作用。 １
Ｆｔｉｒｅ轮胎模型介绍
环模型是目前国际上解决轮胎在不平路面动特性仿真的
主要方法，环模型的共同特点主要包括：具有一定的频带， 基于试验模态分析技术实现模型搭建，而且具有许多有限元
Ｓｈｏｒｅ Ａ Ｎ／ｍｍ ％
Ｃｂｅｎｄ．ｉｎ
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轮胎高宽比
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图１平面内环形块与轮辋连接示意图 ２．２
基于ＡＤＡＭＳ的整车模型建立
本文以ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ为平台搭建了某乘用车的整车多体
基于以上结构特点和建模机理构建的Ｆｔｉｒｅ轮胎模型主要特
征包括：①弹性环不仅能描述轮胎的面内振动，还能描述轮胎
模型能够准确描述轮胎在路面中高频激励下的力学特性，充
分体现Ｆｔｉｒｅ轮胎模型在平顺性仿真方面的优势。
４结论
暑／越删器蜘御卜舷
本文针对车辆在中高频区的平顺性仿真应用，将某 乘用车作为目标车型，基于Ｆｔｉｒｅ软件和ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ车 辆动力学仿真软件建立了整车模型以及平顺性仿真环境。 利用典型脉冲输入路面作为路面激励，进行了整车平顺 性仿真，并通过对比分析，验证了所建立模型在整车乎 顺性仿真中的准确性。通过仿真结果与试验数据的对比
ｏｎ
ｔＩｌｅ ｐｌａｔｆｏｉｒｌｓ ｏｆ Ｆｔｉｒｅ ｔｉｒｅ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ ｖｅｈｉｃｌｅ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｍｏｄｅｌ。Ｃａｒ ｒｉｄｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｈａｓ
ｂｅｅｎ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅ ｔｉｒｅ ｍｏｄｅｌ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ ｂｙ Ｆｔｉｒｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ ｖｅｈｉｃｌｅ ｍｏｄｅｌ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｃｏｍｂｉｎｅｄ．Ｍａｋｉｎｇ ｔ｝ｌｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ