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《輪胎工業(yè)》2017年第12期

摘要：研究輪胎從高摩擦因數(shù)路面進(jìn)入低摩擦因數(shù)路面和從低摩擦因數(shù)路面進(jìn)入高摩擦因數(shù)路面過程中的側(cè)向力和回正力矩的瞬態(tài)變化。結(jié)果表明，輪胎在滾過摩擦因數(shù)突變部位時側(cè)向力會產(chǎn)生顯著變化，回正力矩也會有瞬時突變。仿真與試驗結(jié)果都體現(xiàn)了這一規(guī)律。

關(guān)鍵詞：變摩擦因數(shù)路面；輪胎；瞬態(tài)特性；側(cè)向力；回正力矩

輪胎是汽車唯一的接地部件，在行駛過程中，改變汽車運動狀態(tài)的力是輪胎與地面相互作用產(chǎn)生的輪胎力。輪胎與路面間的相互作用與車輛的運動狀態(tài)相互耦合。在實際生活中車輛行駛的道路狀況經(jīng)常會發(fā)生改變，比如車輛會在干路面、水滑路面、冰雪路面等不同路面上行駛。車輛在通過帶水路面或結(jié)冰路面，輪胎摩擦因數(shù)發(fā)生突變時最易發(fā)生事故。路面摩擦因數(shù)變化直接影響輪胎的力學(xué)特性[1]。對于路面摩擦因數(shù)突變時輪胎側(cè)向力學(xué)的變化特性，較少有相關(guān)公開文獻(xiàn)[2]。研究輪胎在變摩擦因數(shù)路面上的力學(xué)特性的變化，有助于研究車輛在極端或突變工況下的操縱穩(wěn)定特性[3]。

1輪胎與路面之間摩擦定義

從力學(xué)分析的角度看，接觸是邊界條件高度非線性的復(fù)雜問題，若要有效地仿真研究輪胎接地問題，必須正確模擬接觸面的法向作用和摩擦行為。本研究采用精度高、適用性廣的直接約束法描述接觸問題，該方法會追蹤物體的運動軌跡，一旦探測發(fā)生接觸，便將接觸所需要的運動約束和節(jié)點力作為邊界條件直接施加在產(chǎn)生接觸的節(jié)點上。切向接觸條件常使用庫倫摩擦模型來描述，該模型用摩擦因數(shù)（µ）來表征在兩個表面之間的摩擦行為。臨界摩擦剪應(yīng)力的值為µP（P為接觸正壓力）。在接觸面間的剪應(yīng)力達(dá)到µP之前，切向運動一直保持為零，處于粘著狀態(tài)；直到接觸面間的剪應(yīng)力等于µP時，接觸面才發(fā)生相對滑移。對于數(shù)值計算，在粘著和滑移兩種狀態(tài)過渡時剪應(yīng)力會發(fā)生突變，這種不連續(xù)性會導(dǎo)致收斂問題，因此Abaqus軟件使用一個允許“彈性滑動”的罰摩擦（PenaltyFriction）公式。“彈性滑動”是粘著的接觸面之間所發(fā)生的小量相對運動。Abaqus軟件會根據(jù)ElasticSlip參數(shù)或SlipTolerance參數(shù)來計算罰剛度。ElasticSlip和SlipTolerance這兩個參數(shù)在穩(wěn)態(tài)傳輸分析和其他分析過程中的意義有所不同。在其他分析中，這兩個參數(shù)決定了允許彈性滑動量，典型的允許彈性滑動量設(shè)置成“單元特征長度”的很小一部分（10-4～10-2）。而在穩(wěn)態(tài)傳輸分析中，ElasticSlip參數(shù)表示允許彈性滑動速度，SlipTolerance參數(shù)表示滑動容差。在應(yīng)用中，滑動容差反映了發(fā)生滑動時兩接觸體的臨界相對速度，其缺省值為0.005，該缺省值足夠小，能滿足一般的精度要求，同時可以收斂。

2輪胎變摩擦因數(shù)（粗糙-光滑）路面試驗介紹

吉林大學(xué)平板式輪胎力學(xué)特性試驗臺如圖1所示。圖1中左側(cè)的白色平板是聚四氟乙烯材料，作為低摩擦因數(shù)路面，右側(cè)黑色平板為具有高摩擦因數(shù)的磨砂路面，需要用適當(dāng)厚度的墊片保持兩圖1輪胎力學(xué)特性試驗臺側(cè)路面高度、平整度一致，過渡處狀態(tài)良好。試驗前輪胎停靠在試驗滑臺的最右端，試驗開始后，輪胎以一定側(cè)偏角從右向左滾動。輪胎從靜止開始在高摩擦路面滾動1m時，摩擦因數(shù)突然變小，進(jìn)入到低摩擦路面，繼續(xù)滾動0.8m停止，一次試驗完成。

3摩擦因數(shù)躍變路面上的試驗和仿真結(jié)果

3.1從低摩擦因數(shù)躍變到高摩擦因數(shù)路面

如果車輛在不同摩擦因數(shù)的路面上運動，車輛運動狀態(tài)將會發(fā)生變化，尤其是在不同的路面交界處，如從冰路面突然運動到瀝青路面，此時車輛的附著性能將會顯著提高。試驗條件為：205/55R16輪胎在對接路面上的速度0.432km•h-1，充氣壓力250kPa，載荷6kN。輪胎側(cè)偏角在1°，3°和6°側(cè)偏工況下的試驗測試結(jié)果分別如圖2—4所示。輪胎以一個恒定的側(cè)偏角和恒定的載荷滾過兩種不同的路面，記錄此時輪胎的受力情況，可以得到輪胎在摩擦因數(shù)變化的路面上的側(cè)偏特性曲線。根據(jù)真實輪胎變摩擦因數(shù)試驗，設(shè)定輪胎仿真工況條件為：速度0.45km•h-1，充氣壓力250kPa，載荷6kN。調(diào)用隱式動態(tài)求解器進(jìn)行仿真，路面設(shè)定兩段對接路面，預(yù)設(shè)路面初段為冰雪路面（長度為1m，假設(shè)動摩擦因數(shù)為0.3），一定距離后躍變到瀝青路面（長度為0.8m，假設(shè)動摩擦因數(shù)為1）。輪胎側(cè)偏角在1°，3°和6°側(cè)偏工況下的仿真結(jié)果分別如圖5—7所示。從圖5—7可以看出：側(cè)向力發(fā)生突變，迅速增大，隨后便保持穩(wěn)定狀態(tài)，不再變化；回正力矩也隨著路面摩擦因數(shù)的躍升而劇烈變化，最終趨于穩(wěn)定，在較大側(cè)偏角時，回正力矩在階躍摩擦因數(shù)變化前有一尖峰突起。仿真結(jié)果與試驗結(jié)果完全一致。其他條件不變，1°側(cè)偏角下輪胎載荷為2和6kN時的仿真結(jié)果對比如圖8所示。由圖8可以看出，無論輪胎模型在大載荷還是小載荷下，側(cè)向力和回正力矩的變化趨勢都是一樣的，在路面摩擦因數(shù)分界處側(cè)向力和回正力矩

3.2從高摩擦因數(shù)躍變到低摩擦因數(shù)路面

其他試驗條件不變，預(yù)設(shè)初段路面為瀝青路面（長度為1m，假設(shè)動摩擦因數(shù)為1），一定距離后躍變到冰雪路面（長度為0.8m，假設(shè)動摩擦因數(shù)為0.3）。

4總結(jié)

輪胎的力學(xué)特性非常復(fù)雜，當(dāng)輪胎接地印痕內(nèi)的路面摩擦因數(shù)不同時更是如此。在摩擦因數(shù)突變過程中，輪胎從接地印痕前端點開始進(jìn)入不同路面，輪胎接地印痕內(nèi)分布的側(cè)向合力作用點位置偏移，這導(dǎo)致輪胎拖距發(fā)生變化，這也是回正力矩“尖峰”突起現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。摩擦因數(shù)突然變大，則拖距減小，這會使回正力矩突然減小，隨著輪胎接地部分更多的進(jìn)入粗糙路面，側(cè)向力逐漸增大，拖距又回到正常狀態(tài)，回正力矩又開始增大。摩擦因數(shù)突然變小，拖距突然增大，雖然側(cè)向力有減小的趨勢，但拖距的影響顯然更為顯著，所以回正力矩會突然增大，隨后又開始減小，最后到達(dá)穩(wěn)態(tài)值。

作者：閆治仲1；姜洪旭2；李忠東2；張偉偉2；盧蕩1 單位：1.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點實驗室，2.青島森麒麟輪胎股份有限公司