轮胎侧偏动特性对汽车操纵稳定性的影响

1.2.2 国内概况
我国对轮胎的侧偏特性研究起步较晚，80年代初才开始涉足。1984年，我国的工程院士郭孔辉以Fiaia的理论为基础通过试验建立了侧向力和回正力矩的半经验模型，并于1986年根据新的实验数据进行了改进.该模型的一个很大的优点就是用无量纲的量来表示侧向力和回正力矩与侧偏角之间的关系，从而使模型变得比较简单实用。1990年，郭孔辉等人提出了基于任意载荷分布与胎体变形规律的轮胎侧偏特性的一般理论模型。1992年，郭孔辉等人提出了基于任意载荷分布用于汽车制动、驱动和转向的轮胎侧偏特性模型.北京理工大学的孙逢春Wiiiumeit的“胎带-胎冠-轮辋”模型为基础，将其推广到动态范围，进行了轮胎侧偏动力模型的非线性分析.哈尔滨工业大学的崔胜民，对子午线轮胎侧偏特性分析建立了子午线轮胎侧偏特性的理论模型.吉林工业大学的刘青根据胎体复杂变形的轮胎非稳态侧偏特性理论模型在空间域内的表达，推导侧偏力和回正力矩关于转动角与侧向位移的积分表达式，将其离散化并实现了非稳态侧偏特性在空间域内的仿真.2000年，郭孔辉等人在考虑胎体复杂变形的轮胎非稳态侧偏特性理论模型的基础上，提出了非稳态转向特性半经验模型.该模型可反映出胎体的弯曲刚度与扭曲刚度对轮胎非稳态侧偏特性的影响，它与现有的半经验模型相比精度较高，而且结构简单，便于在车辆动力学仿真计算中应用.清华大学的尚进等人在对轮胎垂直特性和稳态侧偏特性建模的基础上，利用由轮胎模态试验提取的试验模态参数建立了非稳态侧偏模型.该模型考虑了印迹的动态变形和胎宽的影响，对印迹进行离散化并初步计入速度对非稳态特性的影响，推导出了轮胎侧向力和回正力矩关于侧向位移和摆动角的传递函数的解析公式.华中科技大学的侯永平等人［48］在稳态指数统一模型和一阶线性微分方程的基础上，研究了大侧偏角下动态过程中侧偏松驰长度的特性，它是由轮胎的侧向弹性决定的，它随着侧偏角的增大而减小，小侧偏角下侧偏松驰长度是一个常数，它也是研究轮胎非稳态侧偏特性的基础。
侧偏最常见于汽车转弯。汽车转弯时，如同一个物体围绕某个圆心旋转，必然产生一个向外的离心力，这个力和车重及车速的平方成正比，汽车和地面接触只有四个轮胎，显然，这个抵抗离心力的力，必然要由轮胎来产生，前后轮都会产生侧偏力和侧偏角。
Key words:automotive dynamics；steering stability；tire cornering dynamic characteristics.
1绪论
1.1研究内容
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，因此，轮胎对车辆行驶过程中的操纵稳定性、平稳度具有很大的影响，对轮胎侧偏特性的研究在整个车辆动力学系统中占有重要地位。本文就是针对这一事实，对轮胎侧偏动特性进行研究，从而找出轮胎侧偏动特性对车辆操纵稳定性的影响关系。
轮胎侧偏动特性对汽车操纵稳定性的影响
摘要：随着经济、科技等各方面的发展日新月异，汽车已成为人们不可或缺的出行工具，人们对汽车的外观、舒适性、操纵稳定性等各方面的要求也日渐提高。汽车操纵稳定性，是指在驾驶员不感觉过分紧张、疲劳的条件下，汽车能按照驾驶员通过转向系统及转向车轮给定的方向(直线或转弯)行驶；且当受到外界干扰(路不平、侧风、货物或乘客偏载)时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的性能。影响汽车操纵稳定性的因素有很多，其中轮胎是汽车与地面连接的纽带，对汽车行驶过程的平稳度、舒适度有很大的影响。轮胎侧偏特性是轮胎的重要力学特性。侧偏特性主要是指侧偏力、回正力矩与侧偏角间的关系，它是研究汽车操纵稳定性的基础。本文通过数学模型和轮胎仿真模型，对轮胎侧偏动特性各影响因素进行分析，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。
(1.2)
式中的X、Y分别表示输入输出，都有一定的物理和几何意义。
90年代以后，国外轮胎侧偏特性研究领域开始引入有限元分析法、神经网络分析法，至今对轮胎稳态侧偏特性的研究已基本成熟，能够满足汽车动力学仿真的要求。目前的研究主要涉及越野、泥坑等恶劣路面、大货车转向与制动联合工况、碰撞瞬时驾驶员响应状况等各种轮胎非稳态运转情况，旨在建立高速、高频、大幅度、瞬态变工况下的轮胎非稳态侧偏特性模型。
2轮胎侧偏特性研究
2.1轮胎侧偏概念
1930年德国人Formm和法国人Broulhiet发现了轮胎侧偏角现象，即“弹性偏离”。汽车在行驶过程中，由于路面的侧向倾斜，侧向风或者曲线行驶时的离心力等的作用，地面提供一个侧向附着力即侧偏力（cornering force)与之抗衡，这个侧向力沿车轴方向作用在车轮中心（见图2-1）。因为车轮是有弹性的，即使该外界侧向力并未达到轮胎侧向附着力的极限，即未达到车轮与地面间的最大摩擦力时，也会使轮胎产生变形，使车轮倾斜，导致车轮行驶方向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。汽车轮胎的中心线，在侧向力F的作用下，与车轮平面错开了一定距离，而且有一个倾斜角，这个倾斜角，就叫做汽车轮胎的侧偏角。轮胎发生侧偏时，会产生作用于轮胎绕OZ轴的力矩，该力矩称为回正力矩。侧偏特性主要是指侧偏力、回正力矩与侧偏角间的关系。
(1.1)
60~70年代，计算机技术在国外的各个领域得到广泛应用，人们逐渐开始利用计算机技术来研究轮胎的动态的和非线性的侧偏特性，通过理论与试验结合的研究方式，分别引入了摩擦圆的概念、带有胎冠微元的受拉伸弦模型、带束轮胎圆环模型、“胎带-胎冠-轮辋”模型、弹性滚动体模型等，对轮胎制动时的侧偏特性、侧偏特性各个影响因素进行了较深入的研究。到80年代后，各国学者开始广泛深入地研究多种参数影响下轮胎的侧偏特性，将轮胎侧偏角、滑移率、外倾角、垂直载荷、气压、速度、温度和转鼓曲率等参数对轮胎胎面摩擦系数和变形的影响考虑进来，以求比较精确的描述轮胎的侧偏特性，同时向转向与制动联合、纯纵滑、纯侧偏、纯外倾、纵滑-侧偏、侧偏-外倾、纵滑-侧偏-外倾等各种工况下轮胎侧偏特性的研究进军。1991年，H.B.Pace ka，E.Baker通过大量的实验建立了著名的“MagicFormuia”模型，该模型可以准确地描述在稳态下轮胎侧偏特性，其主要公式：
1.2国内外研究现状
1.2.1国外概况
轮胎的侧偏特性是指轮胎在侧偏条件下的侧向力与回正力矩的特性，而影响轮胎侧偏力与回正力矩的因素很多，诸如轮胎的侧偏角、侧倾角、垂直载荷及其印迹上的分布、路面摩擦系数及轮胎的纵向滑现轮胎的侧偏现象以来，国内外的学者对汽车轮胎的侧偏特性进行了大量深入广泛的研究。国外早在20世纪30年代就开始研究轮胎侧偏特性。30~50年代主要通过定性分析、轮胎转鼓试验等方式来研究侧向力、回正力矩与侧偏角、径向载荷以及外倾角之间的关系，并取得一定的进展。1954年，德国学者FiaIa［5］提出了著名的轮胎弹性梁模型。他假设轮胎胎面只在接触区内产生横向变形，将胎面窄的胎带看作是一个相当于受连续横向弹性支撑的弹性梁，推导出了轮胎侧向力和回正力矩的无量纲表达式：
1.4研究方法及预期结论
轮胎侧偏动特性几种表现在其侧偏力产生的滞后性。目前，各国的学者们已经建立了不同的描述轮胎侧偏动特性的属性模型，其中大部分为一阶或二阶微分方程形式。本文在这些模型的基础上通过数字仿真的方法，着重研究轮胎侧向力滞后对车辆操纵稳定性的影响。
预期得到的结论是轮胎侧偏动特性对高速行驶车辆的操纵稳定性有较大的影响。
1.3研究目的及意义
轮胎的力学特性对汽车的运动和操纵性能具有至关重要的影响，对轮胎力学特性的研究是汽车动力学的重要内容。轮胎力的计算已有各种成熟的、高精度的理论和经验公式，但不部分仅限于模拟轮胎的稳态力特性。而在轮胎的实际运转过程中，轮胎会表现出固有的动态侧偏特性，轮胎力，尤其是侧向力的动态特性
将对汽车在高速和高侧向加速度的情况下的操纵稳定性和行驶平顺性有很大的影响。基于此点考虑，本文旨在通过对轮胎侧偏动特性的研究，来找到轮胎侧偏动特性与汽车操纵稳定性之间的关系，为汽车驾驶着提供安全驾驶依据，为汽车设计与制造者提供安全设计理论基础。
关键词：汽车动力学；操纵稳定性；轮胎侧偏动特性.
Tire cornering the influence of the dynamic characteristics of vehicle handling stability
Abstract:with the development of economy, science and technology and so on various aspects with each passing day, the car has become indispensable to people travel tools, appearance, comfort and handling stability of vehicles and so on various aspects requirements are also rising. Vehicle handling stability, it is to point to the driver don't feel too much tension, fatigue, under the condition of automobile can be in accordance with the driver by steering system and steering wheel driving the given direction (linear or turning); And when the interference (road uneven, side wind, goods or passengers partial load), the car can resist interference and stable performance. There are many factors that can influence the stability of vehicle handling, which is car tire and ground connection link, smooth degree, comfort to the process of the car has a big impact.Tire cornering characteristics is important mechanical properties of the tire. Cornering characteristics mainly refers to the cornering force, is the relationship between torque and side-slip Angle, it is the basis of the research on vehicle handling stability. Simulation model based on the mathematical model and the tire, the tire cornering various influencing factors of dynamic characteristic is analyzed, thus the tire cornering dynamic characteristics influence on vehicle handling stability, to enhance resistance to interference, accurate response ability to provide theoretical basis for pilot control instructions.