輪胎模型課件

1、輪胎模型輪胎模型一、輪胎模型簡(jiǎn)介一、輪胎模型簡(jiǎn)介二二 、ADAMS/TIRE三、輪胎的特性文件三、輪胎的特性文件2009年1月輪胎模型 輪胎是汽車重要的部件，它的結(jié)構(gòu)參數(shù)和力學(xué)特性決定著汽車的主要行駛性能。輪胎所受的垂直力、 縱向力、 側(cè)向力和回正力矩對(duì)汽車的平順性、 操縱穩(wěn)定性和安全性起重要作用。 輪胎模型對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)的發(fā)展及仿真計(jì)算結(jié)果有很大影響，輪胎模型的精度必須與車輛模型精度相匹配。因此，選用輪胎模型是至關(guān)重要的。由于輪胎具有結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和力學(xué)性能的非線性，選擇符合實(shí)際又便于使用的輪胎模型是建立虛擬樣車模型的關(guān)鍵。輪胎模型 一、輪胎模型簡(jiǎn)介一、輪胎模型簡(jiǎn)介 輪胎建模的方法分為三

2、種： 1）經(jīng)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶虢?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?針對(duì)具體輪胎的某一具體特性。目前廣泛應(yīng)用的有Magic Formula公式和吉林大學(xué)郭孔輝院士利用指數(shù)函數(shù)建立的描述輪胎六分力特性的統(tǒng)一輪胎半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚒niTire，其主要用于車輛的操縱動(dòng)力學(xué)的研究。 2）物理模型物理模型 根據(jù)輪胎的力學(xué)特性，用物理結(jié)構(gòu)去代替輪胎結(jié)構(gòu)，用物理結(jié)構(gòu)變形看作是輪胎的變形。比較復(fù)雜的物理模型有梁、弦模型。 特點(diǎn)是具有解析表達(dá)式，能探討輪胎特性的形成機(jī)理。缺點(diǎn)是精確度較經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒?，且梁、弦模型的?jì)算較繁復(fù)。輪胎模型 3）有限元模型有限元模型 基于對(duì)輪胎結(jié)構(gòu)的詳細(xì)描述 ,包括幾何和材料特性，精確的建模能較準(zhǔn)確的計(jì)算出輪胎的穩(wěn)

3、態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。但是其與地面的接觸模型很復(fù)雜，占用計(jì)算機(jī)資源太大，在現(xiàn)階段應(yīng)用于不平路面的車輛動(dòng)力學(xué)仿真還不現(xiàn)實(shí)，處于研究階段。主要用于輪胎的設(shè)計(jì)與制造。輪胎模型 二、二、ADAMS/TIRE 輪胎不是剛體也不是柔體，而是一組數(shù)學(xué)函數(shù)。由于輪胎結(jié)構(gòu)材料和力學(xué)性能的復(fù)雜性和非線性以及適用工況的多樣性，目前還沒有一個(gè)輪胎模型可適用于所有工況的仿真，每個(gè)輪胎模型都有優(yōu)缺點(diǎn)和適用的范圍。必須根據(jù)需要選擇合適的輪胎模型。 ADAMS/TIRE分為兩大類：分為兩大類： 一）一）.用于操穩(wěn)分析的輪胎模型用于操穩(wěn)分析的輪胎模型 魔術(shù)公式魔術(shù)公式 是用三角函數(shù)的組合公式擬合輪胎試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用一套形式相同的公式完整地

4、表達(dá)輪胎的縱向力、側(cè)向力、回正力矩、翻轉(zhuǎn)力矩、阻力矩以及縱向力、側(cè)向力的聯(lián)合作用工況，主要包括以下的前四種模型。輪胎模型 1）魔術(shù)公式輪胎模型（）魔術(shù)公式輪胎模型（MFTyre）根據(jù)仿真工況的不同可在穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)之間切換模型，考慮了輪胎高速旋轉(zhuǎn)時(shí)陀螺耦合、側(cè)偏和縱滑的相互影響，外傾對(duì)側(cè)偏和縱滑的影響。 適用范圍：有效頻率到8Hz，是點(diǎn)接觸模型，只能用于平路面（路面起伏的波長(zhǎng)必須大于輪胎的周長(zhǎng)）。 2）Pacejka89、Pacejka94 由提出者Pacejka教授根據(jù)其發(fā)布年命名的，是穩(wěn)態(tài)側(cè)偏模型，不能用于非穩(wěn)態(tài)工況。 適用范圍：有效頻率到0.5Hz，當(dāng)與2D路面作用時(shí)是點(diǎn)接觸；當(dāng)與3D路面

5、作用時(shí)，等效貫穿體積的方法來(lái)計(jì)算垂直力，等效法假設(shè)輪胎胎體是圓筒，必須在輪胎文件的形狀模塊輸入了輪胎胎體橫剖面。輪胎模型 3） PAC2002模型模型 Pacejka的后期發(fā)展 , PAC2002和MFTyre具有相同的功能，但改善了模型的翻轉(zhuǎn)力矩，已經(jīng)取代了MFTyre。 適用范圍：有效頻率到8Hz，主要用于操穩(wěn)的仿真分析。 4）PAC MC模型模型，是專門用于摩托車輪胎模型，有效頻率到8Hz，適合于大外傾角的工況。 5）Fiala模型模型 是彈性基礎(chǔ)上的梁模型，不考慮外傾和松弛長(zhǎng)度。當(dāng)不把內(nèi)傾角作為主要因數(shù)且把縱向滑移和橫向滑移分開對(duì)待的情況下，對(duì)于簡(jiǎn)單的操縱性分析可得到合理的結(jié)果。 適用

6、范圍：有效頻率到0.5Hz，可以用于二維和三維路面，當(dāng)與2D路面作用時(shí)是點(diǎn)接觸；當(dāng)與3D路面作用時(shí)，等效貫穿體積的方法來(lái)計(jì)算垂直力。輪胎模型 6）UA模型模型 考慮了非穩(wěn)態(tài)效果，通過摩擦圓考慮了側(cè)偏和縱滑的相互影響，也考慮了外傾和松弛長(zhǎng)度，在只需要有限幾個(gè)參數(shù)的情況下，有非常好的精度。 適用范圍：有效頻率到8Hz，是點(diǎn)接觸模型，只能用于平路面（路面起伏的波長(zhǎng)必須大于輪胎的周長(zhǎng)）。 7）5.2.1輪胎模型輪胎模型 是ADAMS早期發(fā)布的輪胎模型，現(xiàn)已很少使用。 適用范圍：有效頻率到0.5Hz是點(diǎn)接觸模型，只能用于平路面。 注： 5.2.1輪胎模型使用的路面文件是特有的，不能被其他的操縱分析輪胎模

7、型所識(shí)別。輪胎模型 二、二、 用于耐久性分析的輪胎模型用于耐久性分析的輪胎模型 三維接觸模型三維接觸模型，考慮了輪胎胎側(cè)截面的幾何特性，并把輪胎沿寬度方向離散，用等效貫穿體積的方法來(lái)計(jì)算垂直力，可以用于三維路面。該模型是一個(gè)單獨(dú)的License，但是如果用戶只購(gòu)買Durability TIRE，只能用Fiala模型計(jì)算操穩(wěn)。 除了上述兩類模型以外，還有環(huán)模型環(huán)模型，作為子午線輪胎的近似，研究輪胎本身的振動(dòng)特性，成為國(guó)際上仿真輪胎在短波不平路面動(dòng)特性的主流模型，是目前發(fā)展比較成熟和得到商業(yè)化應(yīng)用的輪胎模型，其中具有代表性的是F-tire和和SWIFT輪胎模型。輪胎模型。輪胎模型 SWIFT模型（

8、模型（Short Wave Intermediate Frequency TIRE Model） SWIFT模型是由荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)和TNO聯(lián)合開發(fā)的，是一個(gè)剛性環(huán)模型，在環(huán)模型的基礎(chǔ)上只考慮輪胎的0階轉(zhuǎn)動(dòng)和1階錯(cuò)動(dòng)這兩階模態(tài)，此時(shí)輪胎只作整體的剛體運(yùn)動(dòng)而并不發(fā)生變形。在只關(guān)心輪胎的中低頻特性時(shí)可滿足要求。由于不需要計(jì)算胎體的變形，剛性環(huán)模型的計(jì)算效率大大提高，可用于硬件在環(huán)仿真進(jìn)行主動(dòng)懸架和ABS的開發(fā)。在處理面外動(dòng)力學(xué)問題時(shí)，SWIFT使用了魔術(shù)公式。輪胎模型 可用于研究一些復(fù)雜的工況, 例如:不平路面的側(cè)偏和ABS制動(dòng)。在處理輪胎-地面的接觸問題時(shí), SWIFT采用了等效路形的方法

9、，所用的等效路形是由一個(gè)專門的包容模型算出來(lái)的。所以, SWIFT模型要自帶一個(gè)包容模型來(lái)提供等效路形，這也是它的缺點(diǎn)之一。 適用范圍：有效頻率為60-100Hz，可用于短波不平路面。 注： SWIFT模型所用到的路面模型要有合適的采樣間隔，否則會(huì)應(yīng)用以內(nèi)插值替換的數(shù)據(jù)，采樣間隔一般為0.10.2 m 或者更大。輪胎模型 FTire模型（模型（Flexible Ring Tire Modle） 是由德國(guó)Esslingen大學(xué)的Michael Gipser領(lǐng)導(dǎo)小組開發(fā)的，是基于柔性環(huán)模型的物理模型，是一個(gè)2.5維非線性輪胎模型。 它的主要特征主要特征是: (1)彈性環(huán)不僅能描述面內(nèi)振動(dòng)，也能描述

10、面外特性(側(cè)偏特性)。胎體沿圓周方向離散，也可在胎體寬度方向離散; 胎體單元間用彈簧相連，在胎體單元上有一定數(shù)量的胎面單元; (2)輪輞與輪胎用徑、切、側(cè)3個(gè)方向的分布彈簧相連。輪輞可在面內(nèi)平移和轉(zhuǎn)動(dòng), 也可在面外運(yùn)動(dòng)。環(huán)與輪輞間采用了彈簧并聯(lián)一個(gè)串聯(lián)的彈簧阻尼單元的形式 (3)輪胎自由半徑和彈簧剛度隨輪胎轉(zhuǎn)速的變化而變化; (4)采用了復(fù)雜非線性的摩擦模型描述胎面橡膠的摩擦特性, 即摩擦系數(shù)為壓力和滑移速度的函數(shù);輪胎模型 FTire的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn) 具有完全的非線性；頻率可達(dá)120-150Hz甚至更高；對(duì)波長(zhǎng)降到輪胎接地尺寸一半的小障礙物，能夠得出有效的結(jié)果；具有高精度的輪胎穩(wěn)態(tài)特性；當(dāng)通過凹

11、凸不平的路面時(shí)，能提供很高的精度；計(jì)算時(shí)間為實(shí)時(shí)5-20倍；能識(shí)別很多不同格式的路面文件。 FTire的缺點(diǎn)的缺點(diǎn) F-tire模型所需參數(shù)很多 ,獲取這些參數(shù)需要做輪胎的模態(tài)試驗(yàn)以及不同壓力和滑移速度下胎面橡膠的摩擦特性試驗(yàn), 其費(fèi)用較高。在使用時(shí), 要求用戶對(duì)該模型有相當(dāng)?shù)牧私獠⒛苷_測(cè)取參數(shù)。輪胎模型 適用范圍適用范圍：有效頻率高達(dá)120-150Hz；可用于短波不平路面，即障礙物的尺寸可以小于輪胎的印跡；可對(duì)不同的種類的振動(dòng)激勵(lì)作出響應(yīng)；可在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的地面和各種各樣的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行仿真；可在三維路面上進(jìn)行耐久性分析；在水平路面和隨機(jī)路面上對(duì)車輛的牽引和操縱性進(jìn)行仿真分析；可進(jìn)行高動(dòng)力懸浮控

12、制系統(tǒng)對(duì)輪胎影響的評(píng)估 。 主要是針對(duì)乘坐舒適性（不平路面的制動(dòng)、側(cè)偏，不同速度的越過障礙物以及4柱激勵(lì)試驗(yàn)臺(tái)）、耐久性以及操縱性能（ABS制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)距離，汽車的原地轉(zhuǎn)向等）方面的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。此外，該模型的逼真度、細(xì)節(jié)和計(jì)算速度之間提供了一個(gè)有效的折衷方法，在頻域提供了有效地分析結(jié)果，容易從輪胎的測(cè)量數(shù)據(jù)中獲得模型參數(shù)。輪胎模型PAC89PAC94PAC2002FialaUA5.2.1SWIFTFTire穩(wěn)態(tài)側(cè)偏可用適合適合可用可用可用適合可用崎嶇路上轉(zhuǎn)彎可用可用適合可用移線可用可用適合可用可用可用適合可用ABS制動(dòng)可用適合適合原地轉(zhuǎn)向可用可用適合可用可用可用適合可用擺振可用可用適合適合平

13、順性適合適合懸架控制系統(tǒng)的頻率大于8Hz適合適合耐久性可用可用輪胎模型 FTire支持的四大類路面模型支持的四大類路面模型 幾何簡(jiǎn)單障礙的路面模型，只需要幾個(gè)精確參數(shù)（如：正弦波路面、矩形凸塊路面、折線路面、斜坡路面等） 合成偽隨機(jī)數(shù)據(jù)，使用一維或二維動(dòng)態(tài)濾波方法 測(cè)量的規(guī)則柵格數(shù)據(jù)的路面文件 測(cè)量的不規(guī)則數(shù)據(jù)的三角網(wǎng)格路面文件 FTire支持的路面文件支持的路面文件 Adams軟件中所有的rdf文件，包括基于弧形中心線的所有二維路面、三維路面，還支持3D三角網(wǎng)格路面；RGR路面文件（規(guī)則的柵格路面）；所有COSIN/ev 路面模型，包括大量的被參數(shù)化的障礙定義的路面文件、滾筒的旋轉(zhuǎn)鼓路面和空

14、間的試驗(yàn)場(chǎng)地 。 這些路面模型可在所有環(huán)境中的支持FTire ，且不需要單獨(dú)的許可證。輪胎模型輪胎模型 以下的路面模型需要各自軟件的安裝環(huán)境和許可證 所有Adams軟件中的.xml路面文件；所有的 Simpack 路面模型 ；所有由TYDEX/STI給出的標(biāo)準(zhǔn)道路格式文件；IPG路面（ IPG汽車公司提供的）；URM道路（利用簡(jiǎn)單的程序編程的道路模型）；用戶自定義的模型 。 FTire是高分辨率物理輪胎模型，需要每秒數(shù)百萬(wàn)次評(píng)價(jià)路面，為了實(shí)現(xiàn)空間和時(shí)間分辨率，路面模型選擇很重要。RGR路面（規(guī)則的柵格路面）是一個(gè)高分辨率的路面模型，它采用等距網(wǎng)格避免尋找三角單元的節(jié)點(diǎn)，可選帶有弧形中心線，是特

15、別適合以滿足需求的效率，準(zhǔn)確性和靈活性的路面模型。因此，除了簡(jiǎn)單的幾何參數(shù)的障礙路面模型，RGR路面是FTire的首選路面描述方法。輪胎模型FTireRoad Model Efficiency ComparsionTriangulated Road3D TeimOrbitRGRASCII data fileRGRbinary data fileRGRbinary data file+ curved center linenodes1 486 7431 486 7431 486 7431 486 743triangles2 968 000-153.74 MB12.88 MB5.80 MB6.02 MBmemory amount237.80 MB5.80 MB5.80 MB5.91 MB time95.75 s0.73 s0.21 s0.28 s相對(duì)于不規(guī)則三角網(wǎng)格路面，RGR道路提供大量和可擴(kuò)展的減少文件大小，減小內(nèi)存的需求，減少文件加載時(shí)間和CPU評(píng)價(jià)的時(shí)間。輪胎模型輪胎模型 FTire提供了一個(gè)輔助程序FTire/roadtools工具箱來(lái)產(chǎn)生，分析和處理所有的道路文件，包括RGR路面模型。FTire/roadtools易于使用的圖形用戶界面（GUI） 輪胎模型 四、輪胎的特性文件四、輪胎的特性文件 主要包括以下幾個(gè)模塊：MDI HEADER標(biāo)準(zhǔn)數(shù)