一种轮胎纵滑刚度的测试及辨识方法与流程

1.本发明属于汽车纵向动力学技术领域，涉及一种轮胎纵滑刚度的测试及辨识方法。


背景技术：

2.近年来，由于汽车新四化的不断发展，对车辆电控系统的要求也越来越高，尤其是涉及到整车安全性的abs、tcs与esc等电控功能。在电控系统的开发中，虚拟仿真与调校逐渐占据主流，轮胎纵向力特性在电控仿真中有着不可或缺的作用，对其进行准确建模至关重要。
3.现阶段是通过采用正弦/三角波扫频的方式一次性得到模型辨识所需的纵向试验整段曲线，通过对整段曲线范围内的数据进行拟合辨识，得到模型纵向力与滑移率之间的关系参数，最后用于模型仿真，但是由于驱动/制动工况轮胎与试验路面摩擦剧烈，采用传统的试验方法(
±
30％滑移率)无法保证轮胎胎面温度处于合适的范围之内，温度的急剧变化会对纵滑刚度产生较大影响，导致测试辨识得到的模型纵滑刚度(小滑移率下的曲线斜率)不准确，无法满足车辆小滑移率控制过程中车辆纵向动力学仿真需求。
4.轮胎驱动/制动性能是整车安全性与电控性能验证的重要组成部分，由于轮胎是车辆与地面接触的唯一部件，其纵向力特性的准确建模对车辆仿真有着极其重要的意义。
5.目前传统的测试及辨识方法是通过工况设定、施加扭矩，以滑移率为目标进行控制，进行轮胎全滑移率范围的试验测试，输出全滑移率范围内的纵向力曲线，用于轮胎纵滑模型辨识，由于传统的测试方式存在以下两个问题，会导致测试结果不准确：
6.1、由于纵滑工况轮胎与试验路面摩擦较剧烈，不同的滑移率产生的纵向力及梯度都有较大的变化，试验设备的控制要求较高，并且很难兼顾每一个部分的纵滑曲线质量，因此，为了满足测试要求，在进行pid参数调节过程时，需要以整段曲线控制精度为核心，这样难免会造成小滑移段曲线的异常和控制精度较差等问题；
7.2、更为严重的问题是在滑移率较大的时候会不可避免的出现温度急剧升高和轮胎急剧磨损，这两个因素都会导致测试得到的纵滑刚度不准确，无法应用于精确的车辆电控系统仿真。
8.专利文献cn113553658a公开了一种轮胎纵滑特性测量及数据处理方法、设备和计算机可读载体介质，描述了对纵滑特性分区域的测试方法，将轮胎的纵滑测试分为线性区(滑移率3％)，小滑移的非线性区和大滑移的非线性区域来分别测量，该方法在线性区域的测量方式与本技术对纵滑刚度的测量相似，但是上述专利存在两个问题：
9.专利文献cn113553658a在进行分区域测量时，由于各个区间段的温度和磨损存在很大的差异，会导致线性区域与小滑移非线性区，在3％左右滑移率下产生的纵向力有很大的差别，在进行模型辨识时，会因为连接处的力有很大区别导致模型参数辨识异常，产生不合理的参数，这种方法辨识得到的参数并不适用于仿真模型的使用。
10.上述专利所使用的方法并不适用于所有的工况，分段试验并辨识会控制温度和磨
损，但是整车在大滑移的工况仿真中是经历了从小滑移到大滑移的全部过程，甚至滑移率在全范围内都在波动，也就是处在滑移率为0的位置也有可能温度较高，与分段测试的工况不符合，并不适用于较大的制动或者驱动仿真。
11.专利文献cn104236929b公开了一种消除轮胎纵向力偏移的纵滑试验方法，利用的是滚动阻力为零的有效滚动半径控制试验过程中的滑移率，使得纵滑试验曲线过(0，0)点，消除偏移量，简化模型辨识参数。该方法与本技术描述的方法都是属于轮胎纵滑工况的试验和建模方法，不同的是本技术采用的是特殊参数试验及辨识来修正本身的辨识模型，与上述专利方法不同。
12.论文《基于魔术公式的轮胎纵滑特性参数计算方法》是基于轮胎纵滑试验的数据辨识模型参数，建立轮胎纵滑模型，提出基于魔术公式计算轮胎纵滑特性参数的方法，可计算任意负荷下轮胎的动态纵向刚度、最大附着力因数和滑动附着力因数等参数。上述论文方法时基于传统的试验方法与魔术公式进行的测试及辨识，本发明侧重于对原有方法在不同使用场景下所做的特殊的试验测试方法，包含模型的修正与应用部分，针对不同的仿真场景需求做出了创新。


技术实现要素：

13.本发明解决实际电控模型在仿真中精度不高的问题，提供了一种轮胎纵滑刚度的测试及辨识方法。
14.本发明旨在使用一种更加合理的试验与参数辨识修正方法，在准确获取轮胎客观物理指标的前提下，进行模型参数的计算修正，从而满足汽车纵向动力学精准仿真需求。
15.本发明是在原有全滑移率的加载测试基础上进行改进，原先的测试结果辨识的模型适用于大滑移的测试工况仿真，对于abs等这种小滑移率波动的测试工况需要使用修正后的模型进行仿真比较准确。
16.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
17.为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：
18.一种轮胎纵滑刚度的测试及辨识方法，其特征在于：
19.通过对不同滑移率范围内的控制参数调节与测试，精准获取轮胎纵滑刚度，在纵滑工况模型的基础上提出修正方法，完成特定小滑移区的修正模型。
20.一种轮胎纵滑刚度的测试及辨识方法，具体包括以下内容：
21.设定纵滑刚度测试的试验程序：检查系统气压和相关控制参数是否处于正常状态，设定试验所需的载荷，速度，侧倾角、侧偏角和滑移率；
22.准备纵滑工况下滑移率控制系统参数：择默认数值进行试验，设置参数中包括dead band、integral gain、driving or braking、pid参数；
23.进行纵滑刚度测试，输入曲线，同时在示波器监测窗口观测数据质量，判断实际滑
移率测试曲线与滑移率理想控制曲线的重合程度；
24.对小滑移率下的曲线控制调节dead band和integral gain两个参数；
25.数据采集与一致性分析，纵滑刚度计算的同时对比不同的试验测试数据一致性，如果一致性较差，需要重新进行整个试验流程；
26.设定纵滑特性试验的工况，滑移率设定范围扩大到30％；
27.进行纵滑特性的试验，观察全滑移率范围内的试验曲线跟随情况，根据试验与控制曲线的跟随情况进行曲线调节；
28.根据需要调节相对应参数；
29.提取试验数据并选择3％滑移率范围内的试验数据进行三阶曲线拟合，提取一次项系数为纵滑刚度；
30.对原有模型参数进行辨识，使用mf6.2(magic formula公式6.2版本)中的模型参数进行辨识，修正纵滑刚度曲线，模型辨识公式如下：
31.f
x
＝f
xo
(κ,γ,fz)
32.f
x0
＝d
x sin[c
x arctan{b
x
κ
x-e
x
(b
x
κ
x-arctan(b
x
κ
x
))}] s
vx
ꢀꢀꢀ
(1)
[0033]
式中f
x
是纵向力，f
xo
是纵向力函数表示，κ、κ
x
是滑移率，γ是侧倾角，fz是垂直载荷，b
x
、c
x
、d
x
和e
x
是模型参数，分别为刚度因子，形状因子，峰值因子和曲率因子，s
vx
是垂向偏移参数；
[0034]
将提取到的纵滑刚度和纵滑模型继续进行处理，对公式(1)进行求导，得到如下公式：
[0035]f′
x0
＝d
x sin'[c
x arctan{b
x
κ
x-e
x
(b
x
κ
x-arctan(b
x
κ
x
))}]*c
x arctan'{b
x
κ
x-e
x
(b
x
κ
x-arctan(b
x
κ
x
))}*b
x
(1-e
x
(1-arctan'(b
x
κ
x
)))
[0036]
当滑移率为0时带入求导后曲线，可以得到曲线在滑移率为零处的斜率，即纵滑刚度：
[0037]kx
＝b
xcxdx
[0038]
模型使用魔术公式表达纵滑刚度的数值计算：
[0039][0040]
上述公式中k
x
为轮胎纵滑刚度，p
kx1
为额定载荷下的纵滑刚度银子，p
kx2
纵滑刚度随载荷变化因子，p
kx3
纵滑刚度随载荷幂指数变化因子，p
px1
为纵滑刚度随胎压的线性变化因子，p
px2
纵滑刚度随胎压的平方变化因子，dfz载荷的微元，dpi胎压的微元，λ
kx
纵滑刚度缩放因子。
[0041]
通过对魔术公式的解析，将参数λ
kx
进行辨识，可以得到更精确的模型参数输入，替换原模型参数精准仿真。
[0042]
进一步地，在设定纵滑刚度测试的试验程序前进行试验前准备：将轮胎轮辋组合体安装在轮胎六分力试验台上，调节胎压并启动六分力试验台，由于轮胎在制造和成型过程中的残余和集中应力未能完全消除，在正式试验前宜对轮胎进行试运行以消除应力；
[0043]
设定试运行程序：轮胎在额定载荷下速度从低速到高速运行，随后进行小侧偏角的往复运动，保证轮胎均匀生热并消除轮胎内部应力；后续对轮胎进行冷却，直到胎面温度满足要求。
[0044]
优选地，所述低速为20km/h；
[0045]
所述高速120km/h；
[0046]
轮胎在额定载荷下速度从低速到高速运行10分钟；
[0047]
小侧偏角的往复运动进行1分钟；
[0048]
所述小侧偏角为-1
°
～1
°
。
[0049]
进一步地，所述对轮胎进行冷却，具体内容如下：施加500n载荷和30km/h速度对轮胎进行冷却，直到胎面温度满足30℃-35℃要求。
[0050]
进一步地，所述设定纵滑刚度测试的试验程序中设定滑移率选择-3％～ 3％范围内。
[0051]
进一步地，所述判断实际滑移率测试曲线与滑移率理想控制曲线的重合程度，做如下判断：
[0052]
实际曲线与控制曲线重合，进行数据采集与一致性分析，纵滑刚度计算的同时对比不同的试验测试数据一致性；
[0053]
实际曲线与控制曲线不重合，对小滑移率下的曲线控制调节dead band和integral gain两个参数，调节参数后继续观测测试状态，直到满足要求。
[0054]
进一步地，所述进行纵滑特性的试验，观察全滑移率范围内的试验曲线跟随情况，根据试验与控制曲线的跟随情况进行曲线调节，具体内容如下：
[0055]
进行30％滑移率测试过程中如果曲线跟随不佳，则根据需要调节相对应参数，满足要求后继续提取试验数据并选择3％滑移率范围内的试验数据进行三阶曲线拟合，提取一次项系数为纵滑刚度。
[0056]
进一步地，所述根据需要调节相对应参数，具体内容如下：5％-10％左右的滑移率曲线控制情况调节driving or braking参数，10％以上的滑移率调节pid参数。
[0057]
进一步地，所述设定纵滑特性试验的工况，除了滑移率设定范围扩大到30％之外，其余的气压、载荷、侧倾角和侧偏角设定与设定纵滑刚度测试的试验程序一致。
[0058]
与现有技术相比本发明的有益效果是：
[0059]
本发明提出的纵滑刚度测试及辨识方法，可以规避在测试过程中轮胎温度急剧升高导致测试不准确的问题，同时将测试结果应用于模型辨识，提出了修正模型的方法实现在整车纵向动力学仿真中的应用，用以解决实际电控模型在仿真中精度不高的问题。
[0060]
本发明使用的是高速轮胎六分力和力矩的特性测试设备，通过对曲线合理的设置，可以保证温度和磨损不发生剧烈变化之前先完成零点附近的测试与计算，进一步提升mf6.2模型在部分工况的使用精度，提高整车模型在电控仿真计算时的精度，满足实际的使用需求。
附图说明
[0061]
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
[0062]
图1为纵滑刚度测试及模型辨识流程图；
[0063]
图2为滑移率加载曲线图；
[0064]
图3为纵滑刚度测试对比图。
具体实施方式
[0065]
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
[0066]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0067]
下面结合附图对本发明作详细的描述：
[0068]
本发明是基于高速六分力试验台进行轮胎纵滑刚度及纵滑特性的测试及辨识方法，通过对不同滑移范围内的控制参数调节与测试，精准获取轮胎纵滑刚度等特性，在纵滑工况模型的基础上提出修正方法，完成特定小滑移区的修正模型，该方法得到的纵滑特性模型在小滑移区间的刚度更加准确，仿真精度更高。具体的试验步骤如图1所示，分为13个步骤完成：
[0069]
步骤一、试验前准备：将轮胎轮辋组合体安装在轮胎六分力试验台上，调节胎压并启动六分力试验台。由于轮胎在制造和成型过程中的残余和集中应力未能完全消除，在正式试验前宜对轮胎进行试运行以消除应力。设定试运行程序，即轮胎在额定载荷下速度从低速(20km/h)到高速(120km/h)运行10分钟，随后进行1分钟的小侧偏角(-1
°
～1
°
)的往复运动，保证轮胎均匀生热并消除轮胎内部应力。由于生热导致的胎面升温，会影响侧偏刚度的测试结果，因此后续还需对轮胎进行冷却。即施加一个小载荷(500n)和小速度(30km/h)对轮胎进行冷却，直到胎面温度满足要求(30℃-35℃)。
[0070]
步骤二、由于大滑移工况下轮胎的磨损和温升较大，因此本技术设计先进行纵滑刚度的工况测试，实际上两种测试工况本质上不需要区分先后，这里仅仅是为了一个试验设备的测试效率进行的选择。设定纵滑刚度测试的试验程序，首先检查系统气压和相关控制参数是否处于正常状态，设定试验所需的载荷，速度，侧倾角、侧偏角和滑移率(一般选择
±
3％范围内)。
[0071]
步骤三、准备纵滑工况下滑移率控制系统参数，一般首先选择默认数值进行试验，设置参数中包含dead band、integral gain、driving or braking、pid等参数。
[0072]
步骤四、进行纵滑刚度测试，输入曲线如图2所示，同时在示波器监测窗口观测数据质量，判断实际滑移率测试曲线与滑移率理想控制曲线的重合程度，做如下判断：
[0073]
[1]实际曲线与控制曲线重合，进行步骤六；
[0074]
[2]实际曲线与控制曲线不重合，进行步骤五，调节参数后继续观测测试状态，直到满足要求，进行步骤六。
[0075]
步骤五、对小滑移率下的曲线控制需要调节dead band和integral gain两个参
数，dead band参数调节可以修改零点出的滑移率跟随情况，integral gain参数调节可以修改5％滑移率以下的跟随情况，对于该轮胎的测试，小滑移率下的控制参数调节完毕。
[0076]
步骤六、数据采集与一致性分析，由于小滑移率计算纵滑刚度控制较难，容易出现一次试验数据波动较大，重复性差的问题，因此纵滑刚度计算的同时还需要对比不同的试验测试数据一致性，如果一致性较差，需要重新返回步骤二进行整个试验流程。
[0077]
步骤七、进行纵滑特性试验的工况设定，在这里除了滑移率设定范围扩大到30％之外，其余的气压、载荷、侧倾角和侧偏角设定与步骤一致。
[0078]
步骤八、进行纵滑特性的试验，同时观察全滑移率范围内的试验曲线跟随情况，与步骤四相近，根据试验与控制曲线的跟随情况进行曲线调节，因为在纵滑工况测试过程中以及将小滑移率的控制参数调节完毕，所以在进行30％滑移率测试过程中如果曲线跟随不佳，可以进行步骤九调节，满足要求后继续步骤十提取数据。
[0079]
步骤九、根据需要调节相对应参数，5％-10％左右的滑移率曲线控制情况需要调节driving or braking参数，10％以上的滑移率需要调节pid参数，这里不再做详细说明。
[0080]
步骤十、提取试验数据并选择3％滑移率范围内的试验数据进行三阶曲线拟合，提取一次项系数为纵滑刚度，以便于后续进行模型参数修正。
[0081]
步骤十一、对原有模型参数进行辨识，使用mf6.2中的模型参数进行辨识，修正纵滑刚度曲线，模型辨识公式如下：
[0082]fx
＝f
xo
(κ,γ,fz)
[0083]fx0
＝d
x sin[c
x arctan{b
x
κ
x-e
x
(b
x
κ
x-arctan(b
x
κ
x
))}] s
vx
[0084]
式中f
x
是纵向力，f
xo
是纵向力函数表示，κ、κ
x
是滑移率，γ是侧倾角，fz是垂直载荷，b
x
、c
x
、d
x
和e
x
是模型参数，分别为刚度因子，形状因子，峰值因子和曲率因子，s
vx
是垂向偏移参数。
[0085]
步骤十二、将提取到的纵滑刚度和纵滑模型继续进行处理，对步骤十一公式进行求导，得到如下公式：
[0086]f′
x0
＝d
x sin'[c
x arctan{b
x
κ
x-e
x
(b
x
κ
x-arctan(b
x
κ
x
))}]*c
x arctan'{b
x
κ
x-e
x
(b
x
κ
x-arctan(b
x
κ
x
))}*b
x
(1-e
x
(1-arctan'(b
x
κ
x
)))
[0087]
当滑移率为0时带入求导后曲线，可以得到曲线在滑移率为零处的斜率，即纵滑刚度：
[0088]kx
＝b
xcxdx
[0089]
模型使用魔术公式表达纵滑刚度的数值计算：
[0090][0091]
通过对魔术公式的解析，将参数λ
kx
进行辨识，可以得到更精确的模型参数输入，替换原模型参数精准仿真。
[0092]
步骤十三、输出修正后的mf6.2轮胎模型，得到的纵滑刚度与原始测试方法差别较大，具体情况如图3所示。
[0093]
本发明提出了一种纵滑刚度的测试及辨识方法，包含暖胎、凉胎，程序设定、数据提取、数据检查与模型辨识等部分，其中对于纵滑刚度测试范围和控制参数的调整是关键，保证纵滑刚度控制精准，测试结果准确，满足在整车电控系统仿真中的轮胎纵向力的精准仿真需求。
[0094]
本发明提出了一种基于高精度控制下测试的纵滑刚度来修正mf6.2模型的方法，通过增加纵滑刚度的单独测试工况，获取更准确的纵滑刚度数值，同步修改辨识mf6.2模型中的纵滑刚度缩放因子来修正本身的模型，较方便的应用于整车仿真及电控系统仿真研究中。
[0095]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。