轮胎侧偏接地性能评价方法与流程

1.本发明属于轮胎性能评价技术领域，尤其涉及一种轮胎侧偏接地性能评价方法。


背景技术：

2.轮胎是车辆与地面直接接触的唯一部件，准确了解操控过程中车辆参数对轮胎动态性能的影响一直是一个很大的挑战。
3.鉴于轮胎运动过程的复杂性，传统测试手段获取动态接地印痕参数非常困难，需要特定的设备或仪器，开发费用较高，如日本普利司通公司的roth v、伊朗莫哈格达阿德比利大学(university of mohaghegh ardabili)的farhadi p、中国江苏大学的梁晨等专门开发了光学测试台架对2km/h速度以下动态接地印痕进行数据采集和图像处理；美国固特异轮胎公司的nava r等开发了轮胎高速光学成像试验台及其印痕分割算法，实现了复杂工况轮胎动态特性参数的提取，但其仅对轮胎侧偏、侧倾、速度等运行状态的单一变量进行设定，无法根据车辆运行姿态连续进行测试和数据处理；日本普利司通公司的神藏贵久开发了轮胎接地特性测量系统，将实车行驶时车轮运行姿态、载荷等瞬态变化再现于轮胎，用于轮胎接地性能研究，但文中未结合车辆操控性能对接地压力、宽度方向剪切应力、周向剪切应力等信息提出评价指标。
4.随着轮胎动力学模型的发展，车辆动力学仿真软件具有实时输出车轮与接地面响应信息的优点，部分学者将车辆与地面的响应信息作为轮胎有限元分析的边界条件，得到较为精确的接地响应特性，如德国fraunhofer-itwm公司的calabrese f将车辆与地面的动态响应信息输入到简化轮胎有限元模型中分析热-力耦合特性，但由于模型过于简化，忽略了复杂花纹结构对轮胎复合侧偏纵滑的影响。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足之处，本发明所要解决的技术问题是克服现有轮胎性能评价方法不能准确反映轮胎侧偏接地性能的问题，提出一种适用于任意车辆运行姿态下轮胎侧偏滚动状态下侧向抓地性能评估，解决轮胎与车辆操控过程抓地性能与操稳性能统筹优化问题的轮胎侧偏接地性能评价方法。
6.为解决所述技术问题，本发明采用的技术方案为：
7.本发明提供一种轮胎侧偏接地性能评价方法，包括：车辆动力学仿真步骤，轮胎有限元仿真步骤，以及轮胎侧偏滚动过程抓地性能评估步骤；
8.通过所述车辆动力学仿真步骤确定所述轮胎有限元仿真步骤的边界条件，通过所述轮胎有限元仿真步骤计算有效接地面积控制系数k及接地面积控制加权得分k，结合所述有效接地面积控制系数k和/或所述接地面积控制加权得分k，通过所述轮胎侧偏滚动过程抓地性能评估步骤评估轮胎侧偏接地性能。
9.优选的，所述车辆动力学仿真步骤进一步包括：构建车辆和轮胎动力学模型，在操纵稳定性仿真环境中进行仿真计算，在不同车身侧向加速度下获取整车及车轮信息。
10.优选的，所述构建车辆和轮胎动力学模型包括：采用试验台对车辆悬架系统、转向系统、转动惯量、四轮定位指标进行测量，结合六分力试验台对轮胎力与力矩测试后辨识得到的魔术公式模型，在车辆动力学仿真软件中建立整车动力学仿真模型和操纵稳定性仿真环境；
11.所述在操纵稳定性仿真环境中进行仿真计算包括：对整车动力学仿真模型设定车速、载荷、运动轨迹边界条件后，在操纵稳定性仿真环境中进行仿真计算；
12.所述在不同车身侧向加速度下获取整车和车轮信息包括：仿真计算过程软件将导出包括车身侧向加速度、横摆角、车身侧倾角的车辆运行姿态信息，包括车轮载荷、前束角、侧倾角、速度、滑移率的车轮运行姿态信息，选取操稳过程中5-10个车身侧向加速度下的车轮载荷、速度、前束角、侧倾角、滑移率作为所述轮胎有限元仿真步骤的边界条件。
13.优选的，所述轮胎有限元仿真步骤包括：根据轮胎设计方案建立轮胎有限元仿真模型，以所述车辆动力学仿真步骤得到的车轮信息作为边界条件，对所述轮胎有限元仿真模型进行分析计算，提取接地特性信息，计算有效接地面积控制系数k，计算接地面积控制加权得分k。
14.优选的，所述根据轮胎设计方案建立轮胎有限元仿真模型包括：根据不同轮胎设计方案的图纸，采用三维建模软件建立轮胎三维花纹图，借助前处理软件对三维花纹图、二维胎体部分图纸进行网格划分和仿真前处理，得到所述轮胎有限元仿真模型；
15.所述提取接地特性信息包括：分别提取不同车身侧向加速度下有限元接地仿真结果，量取不同轮胎设计方案的接地长度与接地宽度信息，包括接地长轴长度、接地短轴长度、各花纹块接地长度信息。
16.优选的，所述有效接地面积控制系数k由以下公式计算得到：
[0017][0018]
l
80
为左侧第二接地长轴，r
80
为右侧第二接地长轴，w为接地印痕短轴长度，d为接地印痕短轴长度w的30％-90％的任一值，l为接地印痕长轴长度。
[0019]
优选的，部分轮胎设计方案在较大车身侧向加速度下存在接地区域滑移或花纹沟壁碰触地面导致胎冠表面接地压力为零的情形，若仅胎肩部位有较大面积接地压力为零情形，则缩小d值至接地印痕短轴长度w的30％-50％，将胎肩部位避开；若发生胎面肩部、中部花纹均出现较大面积接地压力为零的情形，则采用积分面积求解有效面积控制系数。
[0020]
优选的，所述接地面积控制加权得分k通过以下公式计算得到：
[0021][0022]
n为车身侧向加速度方案总数，ki和wi分别为第i个车身侧向加速度下的有效接地面积控制控制系数和加权系数，其中各加权系数总和为1或其它整数。
[0023]
优选的，所述轮胎侧偏滚动过程抓地性能评估步骤包括：
[0024]
若无法确定不同车身侧向加速度下的加权系数，则通过所述有效接地面积控制系数k的变化趋势图评估轮胎侧偏接地性能；
[0025]
若可以确定不同车身侧向加速度下的加权系数，则计算不同轮胎设计方案对应的所述接地面积控制加权得分k或采用0-4评分法将特别重要的指标设为4，不重要的指标设为0，相对重要的指标设为3，相对次要的指标设为1，两者同等重要的指标各设为2后计算加权得分k，依次由大到小排列，选取得分较高的方案作为优选方案。
[0026]
优选的，若无法确定不同车身侧向加速度下的加权系数，则将不同轮胎设计方案的所述有效接地面积控制系数k计算出来，绘制不同车身侧向加速度下的所述有效接地面积控制系数k变化趋势图，选取不同车身侧向加速度对应所述有效接地面积控制系数k均较高的方案作为优选方案；若曲线发生交叠，则根据轮胎用户群体进行选定，如用户群体为普通驾驶员，可选取车身侧向加速度≤2.5m/s2对应所述有效接地面积控制系数k较高的方案；若用户群体为赛车驾驶员，可选取车身侧向加速度大于3.0m/s2对应所述有效接地面积控制系数较高的方案。
[0027]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0028]
本发明提供一种轮胎侧偏接地性能评价方法，能够以可视化和参数化的方式展现车辆操纵稳定性测试过程中轮胎的接地形态变化；克服了专门研发测试分析设备所带来的的困难，能够快速有效的实现车辆操稳过程轮胎侧向抓地性能的评价，节约开发费用并缩短轮胎产品开发周期，尤其是在轮胎配套开发过程中，能够及时有效的为车辆制造商提供性能提升方案；且该方法适合车辆任意车速、操控条件状态下的接地特性数据获取，采用简单的数据计算即可对比不同轮胎设计方案之间的优劣，快速评判，避免了图像识别和分割算法开发的困难。
附图说明
[0029]
图1为轮胎静态径向接地印痕测试的示意图；
[0030]
图2为静态径向加载测试接地印痕图像；
[0031]
图3为高速滚动轮胎受侧偏影响时的接地印痕仿真图像
[0032]
图4为轮胎侧偏接地性能评价方法流程图；
[0033]
图5为接地印痕几何参数定义图；
[0034]
图6为有效接地面积控制系数计算替代方案图；
[0035]
图7为胎肩花纹块滑移接地压力为零情形示意图；
[0036]
图8为整胎花纹块滑移接地压力为零情形示意图；
[0037]
图9为有效接地面积控制系数对比曲线图；
[0038]
图10为本发明实施例1的各方案有效接地面积控制系数示意图，其中， 1为1#方案，2为2#方案，3为3#方案，4为4#方案；
[0039]
图11为本发明实施例1的各方案有效接地面积控制加权得分；
[0040]
图12为本发明实施例2的各方案有效接地面积控制系数示意图，其中， 1为1#方案，2为2#方案，3为3#方案；
[0041]
图13为本发明实施例2的各方案有效接地面积控制加权得分。
具体实施方式
[0042]
下面将结合附图对本发明具体实施例中的技术方案进行详细、完整的描述。显然，
所描述的实施例仅仅是本发明总的技术方案的部分具体实施方式，而非全部的实施方式。基于本发明的总的构思，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都落于本发明保护的范围。
[0043]
本发明提供一种轮胎侧偏接地性能评价方法，包括：车辆动力学仿真步骤，轮胎有限元仿真步骤，以及轮胎侧偏滚动过程抓地性能评估步骤；通过所述车辆动力学仿真步骤确定所述轮胎有限元仿真步骤的边界条件，通过所述轮胎有限元仿真步骤计算有效接地面积控制系数k及接地面积控制加权得分k，结合所述有效接地面积控制系数k和/或所述接地面积控制加权得分k，通过所述轮胎侧偏滚动过程抓地性能评估步骤评估轮胎侧偏接地性能。
[0044]
鉴于传统测试方法很难获取到高速车辆行驶状态下轮胎接地特性数据，且专门的测试仪器开发费用高昂，缺乏侧偏状态下轮胎接地性能评价指标等情况，本发明基于cae方法，采用车辆动力学软件和有限元分析软件联合仿真的方式，将整车仿真的车轮姿态与力学性能指标作为轮胎有限元仿真边界条件，解析滚动轮胎在不同车身侧向加速度下的复合侧偏纵滑接地响应特性，并提出有效接地面积控制系数及其加权得分的概念评估不同复杂花纹轮胎设计方案对接地区附着性能的影响，为优化车辆操控过程中轮胎抓地性能提供方法指导，解决了轮胎与车辆操控过程抓地性能与操稳性能统筹优化的问题。需要说明的是，受限于当前测试水平，轮胎制造商及研究机构大多集中于静态径向加载测试(如图1所示)或极低速度(小于2.5km/h)下得到轮胎接地印痕后进行滚动性能评估，存在高速与静态(或与极低速度)工况条件不一致，数据评估误差较大等情况。如图2、3所示，图2为静态径向加载测试接地印痕图像，图3为高速滚动轮胎受侧偏影响时的接地印痕仿真图像。本发明提出有效接地面积控制系数及其加权得分的概念评估不同复杂花纹轮胎设计方案对接地区附着性能的影响，结合静态(或极低速度)性能评价方法，评估高速侧偏状态下轮胎接地特性，以减少配套过程中轮胎试制轮次，降低开发成本。从图2、3可以看出，在轮胎承受车身侧向加速度时，轮胎静态接地印痕与动态接地印痕差异很大，采用静态(或极低速度)接地印痕很难评估高速侧偏状态接地特性，该方法能够以可视化和参数化的方式展现车辆操纵稳定性测试过程中轮胎的接地形态变化，克服了专门研发测试分析设备所带来的的困难，能够快速有效的实现车辆操稳过程轮胎侧向抓地性能的评价，节约开发费用并缩短轮胎产品开发周期，尤其是在轮胎配套开发过程中，能够及时有效的为车辆制造商提供性能提升方案，且该方法适合车辆任意车速、操控条件状态下的接地特性数据获取，采用简单的数据计算即可对比不同轮胎设计方案之间的优劣，快速评判，避免了图像识别和分割算法开发的困难。
[0045]
在一优选实施例中，如图4所示，所述车辆动力学仿真步骤进一步包括：构建车辆和轮胎动力学模型，在操纵稳定性仿真环境中进行仿真计算，在不同车身侧向加速度下获取整车及车轮信息。具体的，采用英国abd公司或美国mts公司的spmm试验台对车辆悬架系统、转向系统、转动惯量、四轮定位指标进行测量，结合美国mts公司六分力试验台对轮胎力与力矩测试后辨识得到的魔术公式模型(mf-tire模型)，在德国vi-grade公司车辆动力学仿真软件vi-carrealtime或美国msc公司carsim软件中建立整车动力学仿真模型和操纵稳定性仿真环境，对整车动力学仿真模型设定车速、载荷、运动轨迹边界条件后，在操纵稳定性仿真环境中进行仿真计算，仿真计算过程软件将导出包括车身侧向加速度、横摆角、车身
与接地印痕长轴长度和短轴长度乘积的比值，其中，左第二接地长轴(l
80
)、右第二接地长轴(r
80
)之间的积分面积如图6所示，采用该方法需要定位l
80
和r
80
后，对包络区域需要进行接地面积累加计算。
[0050]
在一优选实施例中，所述接地面积控制加权得分k通过以下公式计算得到：
[0051][0052]
n为车身侧向加速度方案总数，ki和wi分别为第i个车身侧向加速度下的有效接地面积控制控制系数和加权系数，其中各加权系数总和为1或其它整数。有效接地面积控制加权得分k定义为：为统筹优化车辆操纵稳定性过程中，不同车身侧向加速度下的接地特性，对各个车身侧向加速度对应的控制系数分别赋予加权系数，以便车辆和轮胎性能评价工程师能够根据车辆应用场景、用户群体的不同设定不同的权重来综合评估。另外，各加权系数总和为1(或10、100之类的整数)。
[0053]
在一优选实施例中，所述轮胎侧偏滚动过程抓地性能评估步骤包括：
[0054]
若无法确定不同车身侧向加速度下的加权系数，则通过所述有效接地面积控制系数k的变化趋势图评估轮胎侧偏接地性能；若可以确定不同车身侧向加速度下的加权系数，则计算不同轮胎设计方案对应的所述接地面积控制加权得分k或采用0-4评分法将特别重要的指标设为4，不重要的指标设为0，相对重要的指标设为3，相对次要的指标设为1，两者同等重要的指标各设为2后计算加权得分k，依次由大到小排列，选取得分较高的方案作为优选方案。具体的，若无法确定不同车身侧向加速度下的加权系数，则将不同轮胎设计方案的所述有效接地面积控制系数k计算出来，如图9所示，绘制不同车身侧向加速度下的所述有效接地面积控制系数k变化趋势图，选取不同车身侧向加速度对应所述有效接地面积控制系数k均较高的方案作为优选方案；若曲线发生交叠，则根据轮胎用户群体进行选定，如用户群体为普通驾驶员，可选取车身侧向加速度≤2.5m/s2对应所述有效接地面积控制系数k较高的方案；若用户群体为赛车驾驶员，可选取车身侧向加速度大于3.0m/s2对应所述有效接地面积控制系数较高的方案。
[0055]
为了更清楚详细地介绍本发明实施例所提供的轮胎侧偏接地性能评价方法，下面将结合具体实施例进行描述。
[0056]
实施例1
[0057]
以艾瑞泽gx 2019款pro 1.5t cvt轿车及其配套规格205/50zr17 93w dsu02为例
[0058]
1、车辆整车模型构建
[0059]
以艾瑞泽gx 2019款pro 1.5t cvt轿车为研究载体，采用重庆中国汽研 (caeri)的英国abd公司spmm试验台对车辆悬架、转动惯量等指标进行测量，结合自有美国mts公司轮胎六分力试验台测试辨识得到205/50zr17 93w dsu02的mf-tire模型，在车辆动力学仿真软件—vi-carrealtime中构建整车动力学模型和操纵稳定性虚拟测试环境。
[0060]
在重庆中汽研大足试验场分别进行定方向盘转角稳态回转、角阶跃、中心区转向三项操纵稳定性场地测试，以验证车辆动力学模型的瞬态和稳态仿真精度，测试方案如表1-1所示。
[0061]
表1-1整车操稳测试条件
[0062]
试验项目
1)
侧向加速度车速/(km
·
h-1
)定方向盘转角稳态回转达到最大侧向加速度/转向盘角阶跃0.2g
2)
、0.4g100中心区转向0.15g80、100、120
[0063]
注：1)试验车处于半载状态，轮胎充气压力均为220kpa；2)字母g表重力加速度，取g＝9.81m/s2。
[0064]
对整车动力学测试和仿真输出指标分别进行插值计算，并采用式(1-1)计算验证精度，验证精度如表1-2所示。
[0065][0066]
式中，rsq—拟合优度，越接近1越好；p
simu,i
—第i点处仿真值，i＝1,2
…
, n；p
test,i
—第i点处测试值；p
test,avg
—测试均值。
[0067]
表1-2车辆动力学仿真与测试验证
[0068][0069]
从表1-2可以看出，车辆整体操纵稳定性仿真精度均在90％左右；相较于右转稳态回转工况，本发明选取验证精度更高的左转工况所获取到的车轮信息作为轮胎有限元仿真输入边界条件。
[0070]
2、车辆与轮胎联合仿真方案设计
[0071]
对定转弯半径稳态回转进行整车动力学仿真，提取车辆离开圆弧路径后车身侧向加速度ay分别达到为1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0m/s2时刻的轮荷、速度、姿态角等车轮信息(如表1-3所示)，之后将这些信息作为轮胎有限元仿真边界条件进行接地特性解析。
[0072]
采用单一变量法，保持带束层之间的宽度差级，带束层总宽度(所有带束层均相同)设计方案分别为150、156、162、168mm，对应方案编号分别为1#、2#、3#、4#，其中3#方案为原设计方案。
[0073]
表1-3车辆左前轮力与定位参数信息(左转向)
[0074][0075]
注：表中束角或倾角方向参考vi-carrealtime软件iso-w坐标系。
[0076]
3、结果与讨论
[0077]
取公式(1)中d为接地印痕短轴长度w的60％，各轮胎设计方案有效接地面积控制系数如图10所示。
[0078]
从图10可以看出，带束层总宽度较短的1#方案各车身侧向加速度下控制系数均优于其他方案，表明带束层结构对胎肩部位周向箍紧力的减小对较大角度侧偏滑移状态下的花纹块抓地性能有利；相较其他方案，2#方案在较大车身侧向加速度时控制系数较小，表明此方案轮胎在随着车身侧向加速度增大时，更容易出现侧向滑移，影响操稳性能评价；相较3#方案，4#方案在较小车身侧向加速度时有效接地面积较小，易影响普通用户群体的驾乘体验，但随着车身侧向加速度的增大，有效接地面积随之增大，具有较好的操控评价。
[0079]
结合车辆操稳数据结果，为统筹优化不同车身侧向加速度下的接地特性，本专利对各个车身侧向加速度对应的控制系数分别赋予加权系数，以便车辆和轮胎性能评价工程师能够根据车辆应用场景、用户群体的使用不同的权重来综合评估。
[0080]
以上文四个提升操控性能的轮胎设计方案为例，分别赋予各车身侧向加速度加权系数为0.11、0.13、0.16、0.18、0.20、0.22，综合计算出整个稳态回转过程中各轮胎设计方案加权得分为0.5272、0.4946、0.4987、0.4971(如图 11所示)；可以看出各方案评价结果由高到低分别为1#方案》3#方案》4#方案》2#方案，由此筛选出的1#方案和3#方案可作为下一轮轮胎试制方案。
[0081]
实施例2
[0082]
以艾瑞泽gx 2019款pro 1.5t cvt轿车及其适配规格205/55r16 91v ev为例
[0083]
1、车辆整车模型构建
[0084]
以艾瑞泽gx 2019款pro 1.5t cvt轿车为研究载体，采用重庆中国汽研 (caeri)的英国abd公司spmm试验台对车辆悬架系统、转动惯量等指标进行测量，替换实施例1中的轮胎模型，改为205/55r16 91v ev的mf-tire 模型，在车辆动力学仿真软件—vi-carrealtime中构建整车动力学模型和操纵稳定性虚拟测试环境。
[0085]
2、车辆与轮胎联合仿真方案设计
[0086]
对定转弯半径稳态回转进行整车动力学仿真，提取车辆离开圆弧路径后车身侧向加速度ay分别达到为1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0m/s2时刻的轮荷、速度、姿态角等车轮信息(如表2-1所示)，之后将这些信息作为轮胎有限元仿真边界条件进行接地特性解析。
[0087]
采用单一变量法，保持带束层总宽度不变，带束层角度分别选用常用角度24
°
、27
°
、30
°
为设计方案，对应方案编号分别为1#、2#、3#，其中3# 方案为原设计方案。
[0088]
表2-1车辆左前轮力与定位参数信息(左转向)
[0089][0090]
注：表中束角或倾角方向参考vi-carrealtime软件iso-w坐标系。
[0091]
3、结果与讨论
[0092]
鉴于接地印迹胎肩部位接地压力为零区域较大，因此取公式(1)中d 为接地印痕短轴长度w的50％，各轮胎设计方案有效接地面积控制系数如图 12所示。
[0093]
从图12可以看出，带束层角度较大的3#方案各车身侧向加速度下控制系数均优于其他方案，表明带束层角度对轮胎周向箍紧力的减小对较大角度侧偏滑移状态下的花纹块抓地性能有利；相较其他方案，1#方案在不同车身侧向加速度时控制系数较小，表明此方案轮胎在随着车身侧向加速度增大时，更容易出现侧向滑移，影响操稳性能评价。
[0094]
结合车辆操稳数据结果，为统筹优化不同车身侧向加速度下的接地特性，本专利对各个车身侧向加速度对应的控制系数分别赋予加权系数，以便车辆和轮胎性能评价工程师能够根据车辆应用场景、用户群体的使用不同的权重来综合评估。
[0095]
以上文提升操控性能的轮胎设计方案为例，分别赋予各车身侧向加速度加权系数为0.11、0.13、0.16、0.18、0.20、0.22，综合计算出整个稳态回转过程中各轮胎设计方案加权得分为0.3909、0.4066、0.4271(如图13所示)；可以看出各方案评价结果由高到低分别为3#方案》2#方案》1#方案，由此筛选出的3#方案作为下一轮轮胎试制方案。