CN108470086A - 轮胎不平衡量的动力学模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轮胎不平衡量的动力学模拟方法，所述轮胎不平衡量的动力学模拟方法包括以下步骤：S1)利用实体软件建立整车系统动力学模型，所述整车系统包括驾驶室(1)、车架(2)、轮胎(3)、传动系统(4)、货箱装置(5)和驱动桥(6)；S2)定义轮胎(3)的轮胎不平衡质量；以及S3)模拟轮胎(3)的不平衡量。通过本发明提供的轮胎不平衡量动力学模拟方法，可以对轮胎不平衡质量引起的故障进行诊断同时还可以对轮胎不平衡力进行求解和改进。

Description

轮胎不平衡量的动力学模拟方法

技术领域

本发明涉及轮胎动力学模拟领域，具体地，涉及一种轮胎不平衡量的动力学模拟方法。

背景技术

汽车在运动过程中，通过轮胎与地面的相互作用而运动，因此轮胎的特性对汽车有着非常重要的作用。当汽车在运动过程中，轮胎绕车轴旋转时，在各个方向上存在大小不同的惯性离心力，产生不平衡量，造成汽车在行驶中会出现左右偏摆、上下跳动，方向盘出现摆震现象，影响驾车的舒适性和安全性。

随着科技的发展，在汽车研究领域人们引入了动力学模拟方法，采用动力学模拟的方法对汽车的动力学特性进行测试，来更好的分析和优化汽车系统各个构件质量、转动惯量等参数，目前还没有关于轮胎不平衡量动力学模拟方法，考虑到轮胎对汽车工业中的重要性，有必要针对轮胎不平衡量提出一种动力学模拟方法。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提供了一种轮胎不平衡量动力学模拟方法，所述轮胎不平衡量的动力学模拟方法包括以下步骤：S1)利用实体软件建立整车系统动力学模型，所述整车系统包括驾驶室、车架、轮胎、传动系统、货箱装置和驱动桥；S2)定义所述轮胎的轮胎不平衡质量；以及S3)模拟所述轮胎的轮胎不平衡质量。

优选地，所述轮胎的轮胎不平衡质量包括：轮胎标准不平衡质量；以及轮胎非标准不平衡质量。

优选地，步骤S3)模拟所述轮胎的轮胎不平衡质量，包括：利用实体软件建立所述轮胎的模型，所述轮胎的模型包括：悬架、所述轮胎不平衡质量、车桥以及钢板弹簧，所述轮胎不平衡质量在所述轮胎的轮辋上周向分布；在所述轮辋边缘处定义轮胎不平衡质量空间坐标系，并在所述轮胎不平衡质量空间坐标系内建立不平衡质量点的位置坐标；在所述轮胎不平衡质量空间坐标系内建立独立的刚体组件，并将所述刚体组件与所述不平衡质量点进行耦合；将所述刚体组件定义为所述轮胎的轮胎不平衡质量，并定义所述轮胎在半载工况、满载工况、以及超载工况下的轮胎不平衡质量；在所述不平衡质量空间坐标系内创建刚性体不平衡质量单元，将所述刚性体不平衡质量单元与所述轮胎进行固定副连接，并在所述固定副连接处添加质点作为不平衡质量质点，所述轮胎的总的不平衡质量为所述刚性体不平衡质量单元的配重与所述不平衡质量质点的配重之和；以及选择所述轮胎旋转运动时的路面进行动力学模拟。

优选地，所述轮胎在半载工况、满载工况、以及超载工况下的轮胎不平衡质量分别为50g、40g、30g。

优选地，所述悬架包括板簧系统和减震器。

优选地，所述轮胎不平衡量的动力学模拟方法还包括：定义所述减震器在半载工况、满载工况、以及超载工况下的刚度特性和阻尼参数。

优选地，当所述轮胎为单侧轮胎时，步骤S3)模拟所述轮胎的不平衡量还包括：向所述单侧轮胎施加恒定转速驱动；当所述轮胎为多组前轮或多组后轮时，步骤S3)模拟所述轮胎的不平衡量还包括：向所述多组前轮或所述多组后轮同时施加恒扭矩驱动。

优选地，当所述轮胎为多组后轮时，步骤S3)模拟所述轮胎的不平衡量还包括：对所述多组后轮的不平衡质量误差进行修正。

优选地，对所述多组后轮的不平衡质量误差进行修正包括：测试单个后轮的轮胎圆心到所述车架的垂直方向的传递函数，得出实测传递函数曲线；对所测试的单个后轮施加第一不平衡质量，其中已施加第一不平衡质量的单个后轮为轮胎M，测试所述轮胎M的轮胎圆心到所述车架的垂直方向的传递函数，得出仿真传递函数曲线A；修正所述仿真传递函数曲线A；将所述轮胎M的减震器阻尼调整为第一阻尼、第二阻尼和第三阻尼，并测试在减震器阻尼调整为第一阻尼、第二阻尼和第三阻尼后的所述轮胎M的轮胎圆心到所述车架(2)的垂直方向的传递函数，得出与所述第一阻尼、第二阻尼和第三阻尼对应的仿真传递函数曲线B、仿真传递函数曲线C、以及仿真传递函数曲线D；将所述实测传递函数曲线与所述仿真传递函数曲线A、仿真传递函数曲线B、仿真传递函数曲线C、以及仿真传递函数曲线D采用运行响应模态分析进行模态识别，得出影响函数曲线峰值和频率的影响参数；采用所述钢板弹簧和所述减震器的刚度特性来修正所述仿真传递函数曲线A的频率，采用所述减震器的阻尼参数来修正所述仿真传递函数曲线A的峰值，得到修正后的仿真传递函数曲线A’；在所述修正后的仿真传递函数曲线A’与所述实测传递函数曲线的峰值误差及频率误差小于等于第一阈值的情况下，停止修正；在修正后的仿真传递函数曲线A’与所述实测传递函数曲线的峰值误差及频率误差大于所述第一阈值的情况下，继续进行修正。

优选地，所述第一阈值为30％。

本发明提供的轮胎不平衡量动力学模拟方法通过进行车辆单侧轮胎、多组前轮、以及多组后轮不平衡量模拟和修正来完成对整个车辆的轮胎不平衡量动力学模拟，通过本发明提供的轮胎不平衡量动力学模拟方法，可以对轮胎不平衡质量引起的故障进行诊断，同时还可以对轮胎不平衡力进行求解和改进。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本申请，但并不构成对本申请的限制。在附图中：

图1是本发明实施例提供的整车多体动力学模型示意图；

图2是本发明实施例提供的轮胎标准不平衡质量示意图；

图3是本发明实施例提供的单侧轮胎不平衡量模拟示意图；

图4是本发明实施例提供的多组前轮不平衡量模拟示意图；以及

图5是本发明实施例提供的多组后轮不平衡量模拟示意图。

附图标记说明

1驾驶室 2车架

3轮胎 4传动系统

5货箱装置 7驱动桥

8悬架 10车桥

11钢板弹簧 301右前轮

302左前轮 303第一左侧后轮

304第二左侧后轮 305第一右侧后轮

306第二右侧后轮

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

如图1所示，为本发明提供的一种轮胎不平衡量的动力学模拟方法，所述轮胎不平衡量的动力学模拟方法包括以下步骤：S1)利用实体软件建立整车系统动力学模型，所述整车系统动力学模型包括驾驶室1、车架2、轮胎3、传动系统4、货箱装置5和驱动桥7；S2)定义所述轮胎3的轮胎不平衡质量；以及S3)模拟所述轮胎3的轮胎不平衡质量。

在一种实施方式中，可以选择例如机械动力学自动分析(ADAMS)、RecurDyn(多体系统动力学仿真软件，Recursive Dynamic)、CATIA、ProE等软件中的一种进行整车系统动力学建模和模拟，其中选用上述软件中的一种对所述整车系统动力学建模包括：提取驾驶室柔性体1-30阶次模态；提取车架柔性体1-10阶次模态；提取轮胎特性1-100Hz内的模态文件；以及提取所述轮胎3的径向刚度、偏移刚度、滑移刚度，还需要为所述传动系统4内所包含的传动轴、发动机、变速箱等刚体结构、所述货箱装置5中包含质量和惯量的刚体结构、以及所述驱动桥7和所述驱动桥7中的差速器等刚体结构建模。所述整车系统动力学建模完成后，定义所述轮胎3的不平衡质量，优选地，所述轮胎3的轮胎不平衡质量包括：轮胎标准不平衡质量；以及轮胎非标准不平衡质量，如图2所示，所述轮胎不平衡质量的标准质量由35g、30g、25g、20g、15g、10g组成，所述轮胎非标准不平衡质量由100g、150g、50g组成，在进行轮胎不平衡量动力学模拟时，根据模拟要求，将所述轮胎不平衡质量通过虚拟的建模方式添加到轮胎3上。

优选地，步骤S3)模拟所述轮胎3的不平衡量，包括：利用实体软件建立所述轮胎3的模型，如图3至图5所示，所述轮胎3的模型包括：悬架8、所述轮胎不平衡质量、车桥10以及钢板弹簧11，所述轮胎不平衡质量在所述轮胎3的轮辋上周向分布；在所述轮辋边缘处定义轮胎不平衡质量空间坐标系，并在所述轮胎不平衡质量空间坐标系内建立不平衡质量点的位置坐标；在所述轮胎不平衡质量空间坐标系内建立独立的刚体组件，并将所述刚体组件与所述不平衡质量点进行耦合；将所述刚体组件定义为所述轮胎3的轮胎不平衡质量，并定义所述轮胎3在半载工况、满载工况、以及超载工况下的轮胎不平衡质量；在所述不平衡质量空间坐标系内创建刚性体不平衡质量单元，将所述刚性体不平衡质量单元与所述轮胎3进行固定副连接，并在所述固定副连接处添加质点作为不平衡质量质点，所述轮胎3的总的不平衡质量为所述刚性体不平衡质量单元的配重与所述不平衡质量质点的配重之和；以及选择所述轮胎3旋转运动时的路面进行动力学模拟。

在一个实施例中，模拟所述轮胎3的不平衡量，可以选用ADAMS、RECURDYN、CATIA、ProE等软件中的一种对所述轮胎3进行建模，所述轮胎3的模型包括：悬架8、所述轮胎不平衡质量、车桥10以及钢板弹簧11。首先，定义所述轮胎3的非线性轮胎特性，优选地，选用Ftire轮胎模型，并定义所述轮胎3的1-100Hz模态参数，并根据所述轮胎3在半载、满载、空载、超载模式下的工况测试所述轮胎3的径向动刚度、侧偏刚度、滑移刚度等刚度特性，定义所述轮胎3在承载作用下的轮胎滚动半径，以及轮胎胎压、轮胎断面宽度、高度、轮胎高宽比；接着将所述轮胎3分为轮辋和轮胎胎体文件两个独立的弹性体，所述轮胎不平衡质量在所述轮胎3的轮辋上周向分布，在所述轮辋边缘处，定义不平衡质量空间坐标系，建立不平衡质量点位置坐标，在所述不平衡质量空间坐标系内建立独立的刚体组件，将所述刚体组件与所述不平衡质量点进行耦合，定义所述刚体组件为所述轮胎3的轮胎不平衡质量，并定义所述轮胎3在半载工况、满载工况、以及超载工况下的轮胎不平衡质量。优选地，所述轮胎3在半载工况、满载工况、以及超载工况下的轮胎不平衡质量分别为50g、40g、30g；接着在所述不平衡质量空间坐标系内创建刚性体不平衡质量单元，所述刚性体不平衡质量单元包含质量、惯量等信息，用来模拟轮胎3的不平衡量，通过轮胎不平衡质量的安装位置坐标，将所述刚性体不平衡质量单元与所述轮胎3进行固定副连接，并在所述固定副连接处添加质点(Mass point)作为不平衡质量质点，所述不平衡质量质点为一具有质量但不存在体积或形状的理想化模型，所述轮胎3的总的不平衡质量即为所述刚性体不平衡质量单元的配重与所述不平衡质量质点的配重之和；所述轮胎3总的不平衡质量与所述轮胎3固定副添加完成后，在给轮胎3施加驱动力时，所述总的不平衡质量和所述轮胎3具有相同的转速，即保证所述总的不平衡质量随着所述轮胎3在不同转速下运行，此时，所述轮胎3旋转所产生的垂直方向的激励则完全由所述总的不平衡质量引起；选择所述轮胎3旋转运动时的路面进行动力学模拟，优选地，选择2D或者3D平滑路面，选择平滑路面的作用是消除路面不平度激励对于轮胎3垂直方向激励的影响，而轮胎3垂直方向的激励由刚性体不平衡质量单元与不平衡质量质点一起进行离心运动而作用。

当所述轮胎3为单侧轮胎时，步骤S3)模拟所述轮胎3的不平衡量还包括：向所述单侧轮胎施加恒定转速驱动；当所述轮胎3为多组前轮或多组后轮时，步骤S3)模拟所述轮胎3的不平衡量还包括：向所述多组前轮或所述多组后轮同时施加恒扭矩驱动；当所述轮胎3为多组前轮时，在进行轮胎3建模时，如图4所示，多组前轮分为右前轮301和左前轮302，多组前轮的不平衡量模拟，需要分别对所述右前轮301和所述左前轮302进行不平衡量模拟，建立所述左前轮和所述右前轮不平衡质量单元的位置坐标系，所述左前轮和所述右前轮不平衡质量单元的位置坐标系中的X和Z向相同，Y向互相对称，同相位的多组前轮由于恒转速驱动需要保持所有前轮的转速，即无不平衡力的轮胎3和存在不平衡力的轮胎3的转速一致，但理论上由于不平衡激励的存在，多组前轮轮胎之间的恒转速达不到平衡状态，因此多组前轮的同相位不平衡质量模拟驱动形式只能为恒扭矩驱动，不能施加恒转速驱动，多组前轮同相位激励，激励频率在垂直方向进行线性叠加，主要激励方向为垂直方向，该种同相位激励方式对于不平衡质量的限制较为严格，不能超过40g，否则会出现较大的垂直方向的激励，影响驾驶平顺性；当所述轮胎3为多组后轮时，如图5所示，在多组后轮建模时，多组后轮分为第一左侧后轮303、第二左侧后轮304、第一右侧后轮305和第二右侧后轮306，多组后轮的不平衡质量由所述第一左侧后轮303、第二左侧后轮304、第一右侧后轮305和第二右侧后轮306的不平衡质量共同组成，每一个所述后轮分别用不平衡单元和不平衡质点模拟，由于后轮多为驱动轮胎，引入过大的不平衡量会引起车轮转动的不平稳，因此模拟时添加的轮胎不平衡质量需控制在20g以内。

优选地，所述悬架8包括板簧系统和减震器。

优选地，所述轮胎不平衡量的动力学模拟方法还包括：定义所述减震器在半载工况、满载工况、以及超载工况下的刚度特性和阻尼参数。

优选地，当所述轮胎3为多组后轮时，步骤S3)模拟所述轮胎3的不平衡量还包括：对所述多组后轮的不平衡质量误差进行修正；在一种实施方式中，所述多组后轮的修正通过所述多组后轮传递到所述车架2的传递函数进行补偿，通常模拟补偿的方式为增加或减小所述多组后轮的减震器的阻尼，引入减震器的刚度特性，以及应用钢板弹簧11的能量耗散原理进行板簧柔性体和模态文件的刚柔耦合修正。

优选地，对所述多组后轮的不平衡质量误差进行修正包括：测试单个后轮的轮胎圆心到所述车架2的垂直方向的传递函数，得出实测传递函数曲线；对所测试的单个后轮施加第一不平衡质量，其中已施加第一不平衡质量的单个后轮为轮胎M，测试所述轮胎M的轮胎圆心到所述车架2的垂直方向的传递函数，得出仿真传递函数曲线A，优选地，所述第一不平衡质量为20g。修正所述仿真传递函数曲线A；将所述轮胎M的减震器阻尼调整为第一阻尼、第二阻尼和第三阻尼，并测试在减震器阻尼调整为第一阻尼、第二阻尼和第三阻尼后的所述轮胎M的轮胎圆心到所述车架2的垂直方向的传递函数，得出与所述第一阻尼、第二阻尼和第三阻尼对应的仿真传递函数曲线B、仿真传递函数曲线C、以及仿真传递函数曲线D，其中所述第一阻尼为30％、第二阻尼为50％、第三阻尼为60％；将所述实测传递函数曲线与所述仿真传递函数曲线A、仿真传递函数曲线B、仿真传递函数曲线C、以及仿真传递函数曲线D采用运行响应模态分析(ODS)进行模态识别，得出影响函数曲线的峰值幅值和峰值频率的影响参数，所述影响参数分别对应：所述钢板弹簧11和所述减震器的刚度特性对应曲线峰值频率，所述减震器的阻尼参数对应峰值幅值；采用所述钢板弹簧11和所述减震器的刚度特性来修正所述仿真传递函数曲线A的频率，采用所述减震器的阻尼参数来修正所述仿真传递函数曲线A的峰值，得到修正后的仿真传递函数曲线A’；具体地，由于所述后轮阻尼只能修改峰值的振动幅值，因此在所述多组后轮与减震器之间引入质量系统，让车轮与减震器之间构成弹簧质量系统，利用所述钢板弹簧11和所述减震器的刚度特性来修改峰值频率，利用减震器阻尼修改峰值幅值，将所述修正后的峰值频率和峰值幅值进行迭代修正，得到修正后的所述仿真传递函数曲线A’。

在所述修正后的仿真传递函数曲线A’与所述实测传递函数曲线的峰值误差及频率误差小于等于第一阈值的情况下，停止修正；在修正后的仿真传递函数曲线A’与所述实测传递函数曲线的峰值误差及频率误差大于所述第一阈值的情况下，继续进行修正。优选地，所述第一阈值为30％。

本发明提供的轮胎不平衡量动力学模拟方法通过进行车辆单侧轮胎、多组前轮、以及多组后轮不平衡量模拟和修正来完成对整个车辆的轮胎不平衡量动力学模拟，通过本发明提供的轮胎不平衡量动力学模拟方法，可以对轮胎不平衡量引起的故障进行诊断，同时还可以对轮胎不平衡力进行求解和改进。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本申请的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本申请的思想，其同样应当视为本申请所公开的内容。

Claims (10)

1.一种轮胎不平衡量的动力学模拟方法，其特征在于，所述轮胎不平衡量的动力学模拟方法包括以下步骤：

S1)利用实体软件建立整车系统动力学模型，所述整车系统包括驾驶室(1)、车架(2)、轮胎(3)、传动系统(4)、货箱装置(5)和驱动桥(7)；

S2)定义所述轮胎(3)的轮胎不平衡质量；以及

S3)模拟所述轮胎(3)的不平衡量。

2.根据权利要求1所述的轮胎不平衡量的动力学模拟方法，其特征在于，所述轮胎(3)的轮胎不平衡质量包括：

轮胎标准不平衡质量；以及

轮胎非标准不平衡质量。

3.根据权利要求1所述的轮胎不平衡量的动力学模拟方法，其特征在于，步骤S3)模拟所述轮胎(3)的不平衡量，包括：

利用实体软件建立所述轮胎(3)的模型，所述轮胎(3)的模型包括：悬架、所述轮胎不平衡质量、车桥以及钢板弹簧，所述轮胎不平衡质量在所述轮胎(3)的轮辋上周向分布；

在所述轮辋边缘处定义轮胎不平衡质量空间坐标系，并在所述轮胎不平衡质量空间坐标系内建立不平衡质量点的位置坐标；

在所述轮胎不平衡质量空间坐标系内建立独立的刚体组件，并将所述刚体组件与所述不平衡质量点进行耦合；

将所述刚体组件定义为所述轮胎(3)的轮胎不平衡质量，并定义所述轮胎(3)在半载工况、满载工况、以及超载工况下的轮胎不平衡质量；

在所述不平衡质量空间坐标系内创建刚性体不平衡质量单元，将所述刚性体不平衡质量单元与所述轮胎(3)进行固定副连接，并在所述固定副连接处添加质点作为不平衡质量质点，所述轮胎(3)的总的不平衡质量为所述刚性体不平衡质量单元的配重与所述不平衡质量质点的配重之和；以及

选择所述轮胎(3)旋转运动时的路面进行动力学模拟。

4.根据权利要求3所述的轮胎不平衡量的动力学模拟方法，其特征在于，所述轮胎(3)在半载工况、满载工况、以及超载工况下的轮胎不平衡质量分别为50g、40g、30g。

5.根据权利要求3所述的轮胎不平衡量的动力学模拟方法，其特征在于，所述悬架包括板簧系统和减震器。

6.根据权利要求5所述的轮胎不平衡量的动力学模拟方法，其特征在于，所述轮胎不平衡量的动力学模拟方法还包括：定义所述减震器在半载工况、满载工况、以及超载工况下的刚度特性和阻尼参数。

7.根据权利要求3所述的轮胎不平衡量的动力学模拟方法，其特征在于，当所述轮胎(3)为单侧轮胎时，步骤S3)模拟所述轮胎(3)的不平衡量还包括：向所述单侧轮胎施加恒定转速驱动；

当所述轮胎(3)为多组前轮或多组后轮时，步骤S3)模拟所述轮胎(3)的不平衡量还包括：向所述多组前轮或所述多组后轮同时施加恒扭矩驱动。

8.根据权利要求7所述的轮胎不平衡量的动力学模拟方法，其特征在于，当所述轮胎(3)为多组后轮时，步骤S3)模拟所述轮胎(3)的不平衡量还包括：对所述多组后轮的不平衡质量误差进行修正。

9.根据权利要求8所述的轮胎不平衡量的动力学模拟方法，其特征在于，对所述多组后轮的不平衡质量误差进行修正包括：

测试单个后轮的轮胎圆心到所述车架(2)的垂直方向的传递函数，得出实测传递函数曲线；

对所测试的单个后轮施加第一不平衡质量，其中已施加第一不平衡质量的单个后轮为轮胎M，测试所述轮胎M的轮胎圆心到所述车架(2)的垂直方向的传递函数，得出仿真传递函数曲线A；

修正所述仿真传递函数曲线A；

将所述轮胎M的减震器阻尼调整为第一阻尼、第二阻尼和第三阻尼，并测试在减震器阻尼调整为第一阻尼、第二阻尼和第三阻尼后的所述轮胎M的轮胎圆心到所述车架(2)的垂直方向的传递函数，得出与所述第一阻尼、第二阻尼和第三阻尼对应的仿真传递函数曲线B、仿真传递函数曲线C、以及仿真传递函数曲线D；

将所述实测传递函数曲线与所述仿真传递函数曲线A、仿真传递函数曲线B、仿真传递函数曲线C、以及仿真传递函数曲线D采用运行响应模态分析进行模态识别，得出影响函数曲线峰值和频率的影响参数；

采用所述钢板弹簧和所述减震器的刚度特性来修正所述仿真传递函数曲线A的频率，采用所述减震器的阻尼参数来修正所述仿真传递函数曲线A的峰值，得到修正后的仿真传递函数曲线A’；

在所述修正后的仿真传递函数曲线A’与所述实测传递函数曲线的峰值误差及频率误差小于等于第一阈值的情况下，停止修正；在修正后的仿真传递函数曲线A’与所述实测传递函数曲线的峰值误差及频率误差大于所述第一阈值的情况下，继续进行修正。

10.根据权利要求9所述的轮胎不平衡量的动力学模拟方法，其特征在于，所述第一阈值为30％。