CN105408901A - 对限定速度的行驶状态下的轮胎进行建模的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对在限定速度的行驶状态下的轮胎进行建模的方法，所述轮胎承受代表车辆的向下负荷(F_z)和横向推力(F_y)，并且所述轮胎相对于垂直方向以外倾角角度(y)倾斜，所述方法包括对施加在轮胎上的翻倾力矩(M_x)的建模，其中所述翻倾力矩(M_x)至少是以下的总和：通过外倾角角度来由车辆负荷偏斜而产生的力矩(M_x1)；由横向推力产生的力矩(M_x2)；由负荷(F_z)下的地面的反作用力(F_R)产生的力矩(M_x3)，该反作用力通过横向推力(Fy)偏离于参考点(C)。

Description

对限定速度的行驶状态下的轮胎进行建模的方法

技术领域

本发明涉及对在限定速度的行驶状态下的轮胎进行建模的方法，更详细而言，涉及包括对施加在轮胎上的翻倾力矩进行建模的方法。本发明的主题还是计算机程序产品，其包括用于实现所提到的建模方法的程序代码指令。此外，本发明涉及车辆实时稳定系统，其包括实现所提出的建模方法的用于轮胎建模的装置。

背景技术

车辆道路行为实现复杂现象，尤其是轮胎水平(niveaudespneumatiques)。

为了对该道路行为进行理解、分析和仿真，需要将这些现象纳入考虑，从而进行改进。

具体而言，为了对车辆行驶性能进行仿真，仿真工具需要用于轮胎行为的描述模型。

因此，将与轮胎的旋量(torseur)或者与其滚动几何因素(géométrieenroulage)相关联的各个量实现用于仿真工具。

具体地，这些量的其中一个是翻倾力矩Mx。该量对考虑车辆的转弯参考行为而言很重要，并且其可以应用于在面对车辆侧翻风险时的应对策略。例如，转弯参考行为对应于车辆负荷转移和与该负荷相关联的负荷半径变化，对应于引入外倾角的滚动，以及对应于通过偏移角产生压力的必然性。

已经提出了包括对在限定速度的行驶状态下施加在轮胎上的翻倾力矩Mx进行建模的各种方法。

这些方法应用各种数学表达式来考虑轮胎的翻倾力矩Mx的级数。

从这些数学表达式可知：H.B.Pacejka的被称为“神奇表达式”的表达式的各种版本，其最普遍的版本是MF-5.2版本(TNO,MF-TyreUserManualVersion5.2,2001)。

现在最常用的MF-5.2表达式将翻倾力矩Mx描述如下：

$Mx=R_0\·F_z\·\{q_{Sx1}\·{\mathrm{\λ}}_{Vmx}+(-q_{Sx2}\·\mathrm{\γ}+q_{Sx3}\·\frac{F_y}{F_{z0}})\·{\mathrm{\λ}}_{Mx}\}$

在MF-5.2表达式中，R₀是轮胎的自由半径，F_z是在轮胎上的垂直负荷，q_Sx1是负荷线性相关系数，λ_Vmx是与q_Sx1相关联的比例因子，q_Sx2是外倾角相关系数，γ是外倾角角度(有时被称为外倾角)，q_Sx3是侧向压力相关系数，F_y是施加在轮胎上的横向推力，F_z0是轮胎参考负荷以及λ_Mx是总体比例因子。

然而，经过使用，发现使用MF-5.2表达式执行的翻倾力矩Mx建模缺乏精度。但是，施加在轮胎上的翻倾力矩Mx的建模的精确度对于轮胎的制造来说是极其重要的，这是因为其有助于减小车辆侧翻的风险。此外，该建模可以并入到车辆自动控制装置，并因此其尽可能的精确对于车辆的效率和安全来说很重要。

本发明的目的是提出一种对在行驶状态下的轮胎进行建模的方法，其包括对轮胎上施加的翻倾力矩Mx进行精确度提高的建模。

发明内容

根据本发明的第一方面，一种对在限定速度的行驶状态下的轮胎进行建模的方法，轮胎承受代表车辆的向下负荷，并且承受横向推力，并且轮胎通过外倾角角度而相对于垂直方向倾斜，所述方法包括对施加在轮胎上的翻倾力矩进行建模，其中，翻倾力矩至少是以下的总和：

·通过外倾角角度来由车辆负荷偏斜而产生的力矩；

·由横向推力产生的力矩；

·由负荷下的地面的反作用力产生的力矩，该反作用力通过横向推力偏离于参考点。

相比于通过现有技术的MF-5.2表达式提出的精确度，如上所述的对施加在轮胎上的翻倾力矩Mx进行建模的建模方法具有提高的精确度。

根据第一实施方案，由于所述轮胎具有偏移角和膨胀压力，所以通过地面的反作用力产生的力矩是车辆负荷、速度、外倾角角度、偏移角和膨胀压力的函数。

根据第二实施方案，利用以下表达式来计算由地面的反作用力产生的力矩：

$\begin{array}{c}{\mathrm{Mx}}_{31}+{\mathrm{Mx}}_{32}\×(F_z-{\mathrm{Mx}}_{33})\×\mathrm{\γ}+F_z\×\arctan ({\mathrm{Mx}}_{34}\×\mathrm{\δ}\×F_z)\×{\mathrm{Mx}}_{35}\×(1+{\mathrm{Mx}}_{36}\×V)\\ \×(1+\frac{{\mathrm{Mx}}_{37}\×({\mathrm{Mx}}_{38}-P)}{{\mathrm{Mx}}_{38}})\end{array}$

·通过外倾角角度来由车辆负荷偏斜而产生的力矩；

·由横向推力产生的力矩；

·由负荷下的地面的反作用力产生的力矩，该反作用力通过横向推力偏离于参考点，其中Mx₃₁，Mx₃₂，Mx₃₃，Mx₃₄，Mx₃₅，Mx₃₆，Mx₃₇和Mx₃₈是预先限定的系数，F_z是车辆负荷，γ是外倾角角度，δ是偏移角，V是速度，P是膨胀压力。

根据第三实施方案，系数Mx₃₁，Mx₃₂，Mx₃₃，Mx₃₄，Mx₃₅，Mx₃₆，Mx₃₇和Mx₃₈是在准备步骤期间限定的，所述准备步骤包括：

·轮胎的平台测量的子步骤；以及

·系数的迭代调整直到模型再次产生在预限定误差范围内的测量的子步骤。

本发明的建模方法可以用于限定包括由此建模的轮胎的车辆的行为，并且优选限定在侧翻时的车辆的行为。

根据本发明的第二方面，一种从通信网络可下载和/或记录在媒介上的计算机程序产品，其能够由计算机读取和/或能够由处理器执行，其包括用于实现以上建模方法的程序代码指令。

根据本发明的第三方面，包括轮胎的车辆实时稳定系统包括用于实施以上建模方法对轮胎进行建模的装置。

附图说明

通过阅读以下描述将更好地理解本发明，该描述仅参考所附附图并且以示例的方式给出，其中：

-图1示出了通过外倾角角度来由车辆负荷偏斜而产生的力矩；

-图2示出了由横向推力产生的力矩；

-图3示出了由负荷下的地面的反作用力产生的力矩，该反作用力通过横向推力偏离于参考点；以及

-图4示出了用于在测量的翻倾力矩Mx和MF-5.2表达式的翻倾力矩模型Mx以及在根据本发明的实施方案的建模方法中使用的翻倾力矩Mx的模型之间的比较的示意图。

具体实施方式

本实施方案首先涉及一种对在限定速度的行驶状态下的轮胎进行建模的方法。轮胎承受代表车辆的向下负荷F_z和横向推力F_y。此外，轮胎相对于垂直方向以外倾角角度γ倾斜。该方法包括对施加在轮胎上的翻倾力矩Mx进行建模，其中翻倾力矩Mx至少是以下的总和：

·通过外倾角角度来由车辆负荷F_z偏斜而产生的力矩Mx₁；

·由横向推力产生的力矩Mx₂；

·由负荷F_z下的地面的反作用力F_R产生的力矩Mx₃，该反作用力通过横向推力F_y偏离于参考点C。

由于对翻倾力矩Mx的建模更好地并入了力矩Mx₃(即由地面的偏离反作用力产生的力矩)的影响，轮胎的内部温度和轮胎的表面温度的影响，以及车辆速度、轮胎的膨胀压力和车辆的横向压力的影响，相比于通过现有技术的MF-5.2表达式提出的精确度，上述的对施加在轮胎上的翻倾力矩Mx进行建模的方法具有提高的精确度。

应当注意，在包括该轮胎的车辆上遇到的典型状况下执行对施加在轮胎上的翻倾力矩Mx的建模。具体而言，这些典型状况覆盖了轮胎使用的较大范围，例如，直线行驶的轮胎、或者在轨道上高速行驶的轮胎、或者安全操作的轮胎。

图1示出了通过外倾角角度来由车辆负荷偏斜而产生的力矩Mx₁。具体而言，图1示出了在轮胎与地面的接触点W处产生的力矩Mx₁，以及在轮胎的参考点C上施加的负荷F_z。此外，图1示出了外倾角角度γ(其是由轮胎的行驶平面与垂直方向形成的角度)以及负荷半径R_e(其是在轮胎的参考点C和轮胎与地面的接触点W之间的距离)。

通过外倾角角度来由车辆负荷偏斜而产生的力矩Mx₁利用表达式F_z×R_e×tan(γ)进行计算。

图2示出了由横向推力产生的力矩Mx₂。具体而言，图2示出了当横向推力F_y施加在轮胎的参考点C上时在轮胎与地面的接触点W处产生的力矩Mx₂。此外，图2示出了施加在轮胎的参考点C上的负荷F_z。

由横向推力产生的力矩Mx₂利用表达式进行计算，其中F_z是施加在轮胎的参考点C上的负荷，F_y是横向推力，K_yy是轮胎的侧向刚度。

图3示出了由负荷F_z下的地面的反作用力F_R力产生的力矩Mx₃。应当注意，通过施加在轮胎的参考点C上横向推力F_y，地面的反作用力F_R的垂直分量偏离于轮胎的参考点C。图3示出了偏离的地面反作用力F_R所施加的轮胎的点D。

考虑到轮胎具有偏移角δ和膨胀压力P，所以力矩Mx₃是车辆的负荷F_z、车辆的速度(V)、外倾角角度γ、偏移角δ和膨胀压力P的函数。应当注意，偏移角是由相对于速度矢量的车轮平面与地面平面的相交形成的角度。

根据一个特征，由地面的反作用力产生的力矩Mx₃利用以下表达式进行计算：

$\begin{array}{c}{\mathrm{Mx}}_{31}+{\mathrm{Mx}}_{32}\×(F_z-{\mathrm{Mx}}_{33})\×\mathrm{\γ}+F_z\×\arctan ({\mathrm{Mx}}_{34}\×\mathrm{\δ}\×F_z)\×{\mathrm{Mx}}_{35}\×(1+{\mathrm{Mx}}_{36}\×V)\\ \×(1+\frac{{\mathrm{Mx}}_{37}\×({\mathrm{Mx}}_{38}-P)}{{\mathrm{Mx}}_{38}})\end{array}$

其中Mx₃₁，Mx₃₂，Mx₃₃，Mx₃₄，Mx₃₅，Mx₃₆，Mx₃₇和Mx₃₈是预限定的系数，F_z是车辆负荷，γ是外倾角角度，δ是偏移角，V是速度以及P是膨胀压力。

根据一个特征，系数Mx₃₁，Mx₃₂，Mx₃₃，Mx₃₄，Mx₃₅，Mx₃₆，Mx₃₇和Mx₃₈是在建模方法的准备步骤期间限定的，所述准备步骤包括所述轮胎的平台测量(例如平坦地面滚轴)的步骤和系数的迭代调整直到模型再次产生在预限定误差范围内的测量的子步骤。在平台上执行测量以及迭代调整表达式的系数以对其进行计算对本领域技术人员来说是已知的。此外，应当注意，为了优化系数Mx₃₁，Mx₃₂，Mx₃₃，Mx₃₄，Mx₃₅，Mx₃₆，Mx₃₇和Mx₃₈，可以使用逐次迭代Levenberg-Marquardt或SQP(序列二次规化法)类型的优化算法。这些优化算法对于本领域技术人员来说是众所周知的。

图4示出了用于比较在平台上测量的翻倾力矩Mx、在上述现有技术中提到的MF-5.2表达式的翻倾力矩模型Mx以及在上述建模方法中使用的翻倾力矩Mx的模型之间的比较的示意图。

与MF-5.2表达式相比，在上述建模方法中使用的翻倾力矩Mx模型所提供的改进是明显的。具体地，如图4所示，相比于对应于通过MF-5.2表达式计算的翻倾力矩Mx的“x”形轨迹，对应于通过上述方法计算的翻倾力矩Mx模型的虚线轨迹更靠近对应于在平台上测量的翻倾力矩Mx的星形轨迹。因此很显然，与MF-5.2表达式相比，本发明的翻倾力矩Mx的模型具有提高的精确度。

本发明的建模方法可以用于限定包括了由其建模的轮胎的车辆的行为。

特别地，所描述的建模方法可以用于限定车辆在侧翻时的行为。

在实施方案中，该方法通过从通信网络可下载和/或记录在可由计算机读取和/或由处理器执行的媒介上的计算机程序产品实现，该计算机程序产品包括程序代码指令。

此外，该方法可以并入至包括如上所述建模的轮胎的车辆实时稳定系统中。因此，驾驶辅助系统可以更精确地限定侧翻力矩，因此更有效地实现抗侧翻措施。

Claims (7)

1.一种对在限定速度的行驶状态下的轮胎进行建模的方法，所述轮胎承受代表车辆的向下负荷(F_z)和横向推力(F_y)，并且所述轮胎相对于垂直方向以外倾角角度(γ)倾斜，所述方法包括对施加在所述轮胎上的翻倾力矩(Mx)的建模，其中所述翻倾力矩(Mx)至少是以下的总和：

·通过所述外倾角角度来由所述车辆负荷(F_z)偏斜而产生的力矩(Mx₁)；

·由横向推力产生的力矩(Mx₂)；

·由负荷(F_z)下的地面的反作用力(F_R)产生的力矩(Mx₃)，该反作用力通过横向推力(F_y)偏离于参考点(C)，所述方法的特征在于通过地面的反作用力产生的力矩(Mx₃)利用以下表达式进行计算：

$\begin{array}{c}{\mathrm{Mx}}_{31}+{\mathrm{Mx}}_{32}\×\left(F_z-{\mathrm{Mx}}_{33}\right)\×\mathrm{\γ}+F_z\×\arctan \left({\mathrm{Mx}}_{34}\×\mathrm{\δ}\×F_z\right)\×{\mathrm{Mx}}_{35}\×\left(1+{\mathrm{Mx}}_{36}\×V\right)\\ \×(1+\frac{{\mathrm{Mx}}_{37}\×({\mathrm{Mx}}_{38}-P)}{{\mathrm{Mx}}_{38}})\end{array}$

其中Mx₃₁，Mx₃₂，Mx₃₃，Mx₃₄，Mx₃₅，Mx₃₆，Mx₃₇和Mx₃₈是预先限定的系数，F_z是垂直负荷，γ是外倾角角度，δ是偏移角，V是速度，P是膨胀压力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由于轮胎具有偏移角(δ)和膨胀压力(P)，所以由地面的反作用力(F_R)产生的力矩(Mx₃)是车辆负荷(F_z)、速度(V)、外倾角角度(γ)、偏移角(δ)和膨胀压力(P)的函数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于系数Mx₃₁，Mx₃₂，Mx₃₃，Mx₃₄，Mx₃₅，Mx₃₆，Mx₃₇和Mx₃₈限定于准备步骤期间，所述准备步骤包括：

·所述轮胎的平台测量的子步骤；以及

·系数的迭代调整直到模型再次产生在预限定误差范围内的测量的子步骤。

4.一种计算机程序产品，其从通信网络能够下载和/或记录在能够由计算机读取和/或能够由处理器执行的媒介上，其特征在于，所述计算机程序产品包括用于实现根据权利要求1-3中的至少一项所述的建模方法的程序代码指令。

5.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法的用途，其用来限定包括所述轮胎的车辆的行为。

6.根据权利要求5所述的用途，其特征在于限定车辆在侧翻时的行为。

7.一种包括轮胎的车辆实时稳定系统，其特征在于，所述系统包括用于实施根据权利要求1-3中的一项所述的方法对轮胎进行建模的装置。