基于轮胎数值计算的汽车坡道牵引力仿真

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1、604第15届中国轮胎技术研讨会论文集基于轮胎数值计算的汽车坡道牵引力仿真王友善1，朱日莹2，赵桂范2(1．哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所．黑龙江哈尔滨150080；2．哈尔滨工业大学汽车工程学院，山东威海264209)摘要：为改善汽车牵引性能模拟的实际性和准确性。采用轮胎三维有限元分析方法建立汽车牵引性能仿真轮胎模型。在此基础上研究了整车牵引性能模拟。针对四轮驱动车型建立加速过程数学模型，在simuIink仿真环境下进行了动态仿真，并与双线性轮胎模型仿真结果进行对比。分析结果表明，利用轮胎数值计算方法建立轮胎模型进行

2、汽车牵引性能仿真分析能有效地反映汽车实际加速过程。关键词：汽车；牵引性能；轮胎模型；有限元分析汽车实现各种运动的所用地面作用力都是通过轮胎作用到汽车上的[1]，因此轮胎作为汽车与地面间的唯一接触载体，在汽车牵引性能分析中的作用是不容忽视的。国内外很多学者都在汽车动力学控制仿真方面做了大量研究[2。6]，但这些研究均基于轮胎经验模型，对具体轮胎进行分析时，其性能参数取值具有一定的不合理性。本工作利用ABAQUS通用有限元分析软件对某四轮驱动车轮胎进行驱动特性有限元分析，通过数值计算建立轮胎数值计算模型，并利用建立模型进行了车

3、辆牵引性能仿真分析。l轮胎数值计算模型滑转率(A)能有效地反映轮胎与路面之间的附着原理，在驱动工况下的计算公式为A=警㈩式中，可为轮胎直线运动速度，cc，为轮胎滚动角速度，R。为轮胎有效滚动半径。利用ABAQUS通用有限元分析软件，对建立轮胎模型进行三维有限元分析，通过改变轮胎滚动角速度，即改变轮胎的滚动速度，就可以相应地得到轮胎的驱动滑转率，从而可以得到在不同滑转率下的稳态结果。地面纵向附着因数与滑转率关系曲线如图1所示，图1可准确表征轮胎的驱动特性，同时对汽车的驱动性能分析也具有重要的意义。地面纵向附着因数口定义为滑转

4、翠／％图l地面纵向附着因数与滑转率关系曲线F口=等(2)j_z式中，E为纵向驱动力，疋为轮胎所受竖直载荷。利用有限元分析软件对不同滑转率情况下的轮胎进行有限元分析计算，对所得到数据进行处理，可拟合出如图1所示的滑转率一附着因数曲线，此曲线将用来描述汽车牵引性能仿真中的轮胎模型。2汽车加速过程数学模型(1)发动机模型发动机的输出动态转矩为Mcd=M。已一■5／(1+疋S)(3)式中，Me。为动态扭矩，Me。为稳态扭矩，T。为系统滞后时间常数，瓦为系统时间常数，S为拉氏变换算子。(2)传动系统模型对发动机、离合器、变速器、分动

5、器、前传动王友善等．基于轮胎数值计算的汽车坡道牵引力仿真轴、后传动轴、前后主减速器、前后差速器整体进行动力学分析，可得到差速器壳体角加速度口]：4蛳7=(地‘i尉i。叩一∑F耐Ri一∑^F矗Rt)／J。l罩ll薯I(4)由于该车型为四驱越野车，4个车轮均产生驱动力，可认为前后主减速器转动惯量相等，传动系统等效惯量为L=f。f：i知i5+J。i五￡5+2f。+J饼i：+L，；：+i。i5(5)分别以4个驱动轮为研究对象，假设两前轮转动惯量相等、两后轮转动惯量相等，在前面计算基础上可以得到各驱动轮的角加速度为∞l7=劬’+[(

6、F瑚2忌+^R2冠)一(F。lRl+，-F：lRl)]／(2J。1)(6)∞27=咖’+[(F捌lRl+厂lF；lRl)一(F。2R2+^F：zR2)]／(2J以)(7)∞37=撕’+[(F脚4R4+^F。4R4)一(F。。R。+^F柏R。)]／(2L4)(8)∞47=叫o’+[(F舢3R3+^F：3R3)一(F．。。R。+^F：。R。)]／(2J州)(9)式(4)～(9)中，，。，L，％，b，‘，I。分别为发动机、变速器、分动器、前传动轴、后传动轴、主减速器转动惯量；i。，iⅣ，i。分别为变速器、分动器、主减速器的传动比

7、；呀为传动系传动效率；氏为地面对各车轮附着力；R；为车轮的滚动半径；^为车轮与地面的滚动阻力因数；Fi为车轮受到的载荷；J。为传动系等效转动惯量；L为驱动轮转动惯量。(3)整车模型忽略空气阻力和悬架系统、转向系统的影响，假定汽车做纵向直线运动，忽略侧向运动及横摆'垆昌≮魁馏时间／s(a)数值计算模型仿真结果运动，建立的汽车动力学方程为脚7=F珊l+F删2+F。3+F舢4一孵sin口(10)式中，m为整车质量；如(i为1～4)为地面对各轮的附着力；口为坡度角。3仿真结果与分析对选取的车型进行坡道驱动行驶过程仿真模拟，车型参数

8、为：整车质量为4400kg，质心高度为0．8m，质心距离前后轴的距离分别为1．23和1．57m，发动机转动惯量为0．29kg·m2，变速器各档传动比分别为：6．194，3．894，2．260，1．428和1．000，变速器各档转动惯量分别为O．1009，O．0977，O．0951，O．0941和O．00