CN115219247A - 轮胎侧偏刚度的测试及辨识方法 - Google Patents

轮胎侧偏刚度的测试及辨识方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轮胎侧偏刚度的测试及辨识方法，包括侧偏刚度试验准备以及测试；按照设定的采样频率对测试进行数据采集；采集多个周期数据，根据周期数据绘制侧向力‑侧偏角曲线，并对其进行曲线拟合，取一次项系数作为第一侧偏刚度数值；评估多个周期偏刚度数值差异，并进行优化；通过侧偏特性试验准备以及侧偏特性测试，得到输出侧偏特性试验数据，并以此得到第二侧偏刚度数值和回正刚度数值；根据输出的侧偏角特性试验数据，对模型参数进行模型辨识；通过第一侧偏刚度对模型辨识进行修正；本发明能够控制试验过程中的轮胎温度及胎面磨损，得到高精度的侧偏刚度，对于整车高速中心区与角脉冲等工况的仿真有着积极作用。

Description

轮胎侧偏刚度的测试及辨识方法
技术领域
本发明涉及汽车轮胎侧向动力学技术领域，尤其涉及一种轮胎侧偏刚度的测试及辨识方法。
背景技术
近年来，由于汽车行业竞争逐渐加强，汽车开发周期不断减少，为了适应新的市场和开发周期的需求，虚拟开发、虚拟匹配和虚拟调校逐渐成为车辆开发的主要手段。虚拟仿真在汽车开发中占的比重逐渐增加，汽车操纵稳定性、行驶平顺性和NVH等仿真需求逐步提升，高精度的车辆仿真技术是大势所趋，轮胎作为车辆与地面之间传递力和力矩的唯一部件，对其特性的准确建模时车辆仿真的关键一环。
汽车操纵稳定性仿真一直是车辆驾乘体验化的关键部分，轮胎对车辆操纵稳定性的仿真有着重要的作用，特别是轮胎的侧偏刚度对车辆中间位置的响应有很大影响，在满足车辆基本仿真的需求之上，更加准确的获取轮胎的侧偏刚度数值对特定工况的仿真是极其重要的。
本发明设计领域是汽车轮胎侧向动力学领域，旨在使用一种合理的试验与辨识方法，确定影响汽车操纵稳定性能的关键参数-侧偏刚度的准确获取，以提升在车辆动力学仿真和分析中的可靠性和准确性，满足汽车高精度仿真的要求。目前来看，大多数轮胎测试工作都是将轮胎的侧偏特性完整一次测试得到，由于测试速度较高，轮胎在测试过程中会产生温度的急剧变化，导致测试曲线在侧偏角为0附近的斜率变得不可靠，不能准确地获取侧偏刚度，本发明在原有的试验方法基础上进行改进，通过减少试验加载速率和改变试验测试范围来获取数据，保证测试过程中轮胎的温度稳定，同时采用最小二乘法的方法实现对不同载荷侧偏刚度的非线性参数进行辨识，最终得到完整的轮胎侧偏刚度函数，满足使用要求。
汽车操纵稳定性是汽车安全性和驾驶员驾驶乐趣的重要影响部分，同时轮胎是汽车与地面接触的唯一部件，车辆的操纵稳定性很大程度上依赖于轮胎侧偏特性。目前对于轮胎操纵稳定性的测试工况，一般参照Magic Formula轮胎模型、UniTire轮胎模型的使用需求，对于轮胎侧偏特性而言，需要获取侧偏角在±12°、±15°或者±20°的范围内的测试数据(一般而言，范围越大，辨识模型获取的结果就更准确)。早先对这种工况的测试采用的是定点法和低速测试，也就是在低速下通过固定侧偏角下测试侧向力和回正力矩结果，这种测试效率太低，往往需要很长的时间来进行试验和处理相关数据，不利于商用化的建模；随后涌现了高速六分力试验设备，通过正弦扫频的测试方式进行试验，大大提高了试验效率，同工况下的侧偏测试仅需要几分钟，但是这种测试方法却不能很好地获得侧偏刚度值，原因就在于高速扫频过程中无法控制轮胎温度及胎面磨损变化，而温度对侧偏特性的影响又是很剧烈的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轮胎侧偏刚度的测试及辨识方法，为了获取准确的侧偏刚度数据，本发明在目前的测试基础上，提出了新的方法，既可以高效完成相应的试验，又能控制试验过程中的轮胎温度及胎面磨损，得到高精度的侧偏刚度可用于简化车辆模型的建立以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种轮胎侧偏刚度的测试及辨识方法，包括：
通过轮胎六分力试验台，对其上的轮胎进行试验；
对所述轮胎进行侧偏刚度试验准备以及侧偏刚度测试；
按照设定的采样频率对侧偏刚度测试进行数据采集；
侧偏刚度测试采集多个周期数据，根据所述周期数据绘制侧向力-侧偏角曲线，并对其进行曲线拟合，取一次项系数作为第一侧偏刚度数值；
采用均方差进行数据分析，评估多个周期得到的多个所述第一侧偏刚度数值差异，并进行优化，确保数据结果波动在合理范围内，否则重新进行侧偏刚度试验准备以及侧偏刚度测试；
通过侧偏特性试验准备以及侧偏特性测试，得到输出侧偏特性试验数据，并以此得到第二侧偏刚度数值和回正刚度数值；
根据输出的侧偏角特性试验数据，对模型参数进行模型辨识；
通过所述第一侧偏刚度对模型辨识进行修正。
进一步地，通过侧偏特性试验准备以及侧偏特性测试，得到输出侧偏特性试验数据，并以此得到第二侧偏刚度数值和回正刚度数值，包括：
设定侧偏刚度试验程序，确定试验所需的胎压、载荷和侧倾角参数；
按照所需侧偏角范围给定三角波加载；
按照设定的采样频率对侧偏特性测试进行数据采集，得到不同载荷下的侧向力、回正力矩和侧偏角的数据曲线；
输出侧偏特性试验数据，并将不同载荷的侧偏角的轮胎侧向力以及回正力矩曲线进行计算，选取侧偏角±1deg范围内的数据，对其进行曲线拟合，取一次项系数作为第二侧偏刚度数值和回正刚度数值；
进一步地，根据输出侧偏特性试验数据，检查侧偏角加载曲线和控制曲线是否重合，不重合则调整PID参数重新进行侧偏特性试验准备以及侧偏特性测试，其中，PID为试验台控制参数。
进一步地，根据输出的侧偏角特性试验数据，对模型参数进行模型辨识，包括模型辨识公式，使用MF6.2轮胎模型，所述模型辨识公式如下：
Fy＝Fyo(α,γ,Fz)
Fy0＝Dysin[Cyarctan{Byαy-Ey(Byαy-arctan(Byαy))}]+Svy
式中Fy是侧向力，Fyo是侧向力函数表示，α、αy是侧偏角，γ是侧倾角，Fz是垂直载荷，By、Cy、Dy和Ey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，Svy是垂向偏移参数。
进一步地，将所述第一侧偏刚度数据代入所述模型辨识公式中进行修正，将所述模型辨识公式求导，得到公式如下：
F'y0＝Dysin'[Cyarctan{Byαy-Ey(Byαy-arctan(Byαy))}]*Cyarctan'
{Byαy-Ey(Byαy-arctan(Byαy))}*By(1-Ey(1-arctan'(Byαy)))
进一步地，当侧偏角为零时，带入求导后曲线，可以得到曲线在侧偏角为零处的斜率，即侧偏刚度，其表达公式为：Ky＝ByCyDy
模型使用魔术公式表达侧偏刚度的数值计算公式：
Ky＝Ky0(1-pky3|γy|)γ3
Figure BDA0003719293820000041
通过对计算出的侧偏刚度大小来辨识得到λKy参数。
其中Ky为侧偏刚度函数表达式，Ky0为侧倾角为0的侧偏刚度因子，γy为实际侧倾角，γ3为侧倾角缩放因子，Pky1表示最大侧偏刚度的影响因子，ppy1表示最大侧偏刚度随胎压的变化因子，Fz0表示额定载荷，dpi为轮胎胎压的微元，Fz为实际载荷，Pky2为侧偏刚度随载荷变化的影响因子，ppy2随载荷变化的侧偏刚度相对胎压的影响因子，λFz0垂直载荷缩放因子，λKy侧偏刚度缩放因子。
进一步地，将修正后的模型辨识参数文件作为结果输出到整车仿真中，用于小侧向加速度的整车仿真。
进一步地，进行侧偏刚度试验准备以及侧偏刚度测试，还包括：
设定侧偏刚度试验程序，确定试验所需的胎压、载荷和侧倾角参数，按照试验所需的侧偏角范围给定三角波加载；
重复N次正/反转测试，测试结束后，如果轮胎温度波动高于10℃，则重新将轮胎温度调整到所述设定温度。
进一步地，通过轮胎六分力试验台，对其上的轮胎进行试验之前，还包括：调节所述轮胎的胎压至试验所需胎压，消除所述轮胎的内部应力，并使所述轮胎的温度达到设定温度。
进一步地，包括：
设定试运行程序，即轮胎在额定载荷下速度从低速到高速运行T1分钟，随后进行T2分钟的小侧偏角的往复运动，来保证轮胎均匀生热并消除轮胎内部应力；
施加一个小载荷和小速度对轮胎进行冷却，直到胎面温度达到所述设定温度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本专利在目前的测试问题基础上，提出了新的方法，既可以高效完成相应的试验，又能控制试验过程中的轮胎温度及胎面磨损，得到高精度的侧偏刚度可用于简化车辆模型的建立以及解决整车仿真中部分工况精度不高的问题。
附图说明
图1为本发明实施例中轮胎侧偏刚度的测试及辨识方法流程图；
图2为本发明实施例中轮胎侧偏刚度的测试及辨识方法技术路线图；
图3为本发明实施例中侧偏角加载曲线图；
图4为本发明实施例中侧偏刚度前后测试方法对比图。
具体实施方式
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅说明书附图，本发明提供一种技术方案：一种轮胎侧偏刚度的测试及辨识方法，包括以下步骤：
S100、通过轮胎六分力试验台，对其上的轮胎进行试验；
S200、对所述轮胎进行侧偏刚度试验准备以及侧偏刚度测试；
S300、按照设定的采样频率对侧偏刚度测试进行数据采集；
S400、侧偏刚度测试采集多个周期数据，根据所述周期数据绘制侧向力-侧偏角曲线，并对其进行曲线拟合，取一次项系数作为第一侧偏刚度数值；
具体地，第一侧偏刚度数值用于代入模型辨识公式，对其进行修正。
S500、采用均方差进行数据分析，评估多个周期得到的多个所述第一侧偏刚度数值差异，并进行优化，确保数据结果波动在合理范围内，否则重新进行侧偏刚度试验准备以及侧偏刚度测试；
S600、通过侧偏特性试验准备以及侧偏特性测试，得到输出侧偏特性试验数据，并以此得到第二侧偏刚度数值和回正刚度数值；
S700、根据输出的侧偏角特性试验数据，对模型参数进行模型辨识；
S800、通过所述第一侧偏刚度对模型辨识进行修正。
上述实施例中，本发明为了获取准确的侧偏刚度数据，本专利在目前的测试问题基础上，提出了新的方法，既可以高效完成相应的试验，又能控制试验过程中的轮胎温度及胎面磨损，得到高精度的侧偏刚度可用于简化车辆模型的建立以及解决整车仿真中部分工况精度不高的问题。
可选地，通过侧偏特性试验准备以及侧偏特性测试，得到输出侧偏特性试验数据，并以此得到第二侧偏刚度数值和回正刚度数值，包括：
设定侧偏刚度试验程序，确定试验所需的胎压、载荷和侧倾角参数；
按照所需侧偏角范围给定三角波加载；
按照设定的采样频率对侧偏特性测试进行数据采集，得到不同载荷下的侧向力、回正力矩和侧偏角的数据曲线；
输出侧偏特性试验数据，并将不同载荷的侧偏角的轮胎侧向力以及回正力矩曲线进行计算，选取侧偏角±1deg范围内的数据，对其进行曲线拟合，取一次项系数作为第二侧偏刚度数值和回正刚度数值；
可选地，根据输出侧偏特性试验数据，检查侧偏角加载曲线和控制曲线是否重合，不重合则调整PID参数重新进行侧偏特性试验准备以及侧偏特性测试。
可选地，根据输出的侧偏角特性试验数据，对模型参数进行模型辨识，包括模型辨识公式，使用MF6.2轮胎模型，所述模型辨识公式如下：
Fy＝Fyo(α,γ,Fz)
Fy0＝Dysin[Cyarctan{Byαy-Ey(Byαy-arctan(Byαy))}]+Svy
式中Fy是侧向力，Fyo是侧向力函数表示，α、αy是侧偏角，γ是侧倾角，Fz是垂直载荷，By、Cy、Dy和Ey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，Svy是垂向偏移参数。
可选地，将所述第一侧偏刚度数据代入所述模型辨识公式中进行修正，将所述模型辨识公式求导，得到公式如下：
F'y0＝Dysin'[Cyarctan{Byαy-Ey(Byαy-arctan(Byαy))}]*Cyarctan'
{Byαy-Ey(Byαy-arctan(Byαy))}*By(1-Ey(1-arctan'(Byαy)))
可选地，当侧偏角为零时，带入求导后曲线，可以得到曲线在侧偏角为零处的斜率，即侧偏刚度，其表达公式为：Ky＝ByCyDy
模型使用魔术公式表达侧偏刚度的数值计算公式：
Ky＝Ky0(1-pky3|γy|)γ3
Figure BDA0003719293820000081
通过对计算出的侧偏刚度大小来辨识得到λKy参数。
其中Ky为侧偏刚度函数表达式，Ky0为侧倾角为0的侧偏刚度因子，γy为实际侧倾角，γ3为侧倾角缩放因子，Pky1表示最大侧偏刚度的影响因子，ppy1表示最大侧偏刚度随胎压的变化因子，Fz0表示额定载荷，dpi为轮胎胎压的微元，Fz为实际载荷，Pky2为侧偏刚度随载荷变化的影响因子，ppy2随载荷变化的侧偏刚度相对胎压的影响因子，λFz0垂直载荷缩放因子，λKy侧偏刚度缩放因子。
可选地，将修正后的模型辨识参数文件作为结果输出到整车仿真中，用于小侧向加速度的整车仿真。
可选地，进行侧偏刚度试验准备以及侧偏刚度测试，还包括：
设定侧偏刚度试验程序，确定试验所需的胎压、载荷和侧倾角参数，如图3所示，按照试验所需的侧偏角范围给定三角波加载；
重复N次正/反转测试，测试结束后，如果轮胎温度波动高于10℃，则重新将轮胎温度调整到所述设定温度。
上述实施例中，优选地，重复三次测试(正/反转)，测试结束确保温度波动不高于10℃，如果温度差别较大，重新凉胎测试，使温度回到设定温度的范围内。
可选地，通过轮胎六分力试验台，对其上的轮胎进行试验之前，还包括：调节所述轮胎的胎压至试验所需胎压，消除所述轮胎的内部应力，并使所述轮胎的温度达到设定温度。
上述实施例中，试验前需要做准备工作，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。
可选地，包括：
设定试运行程序，即轮胎在额定载荷下速度从低速到高速运行T1分钟，随后进行T2分钟的小侧偏角的往复运动，来保证轮胎均匀生热并消除轮胎内部应力；
施加一个小载荷和小速度对轮胎进行冷却，直到胎面温度达到所述设定温度。
上述实施例中，设定试运行程序，优选地，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°范围之间的往复运动，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，直到胎面温度满足温度设定的要求30℃-35℃范围内。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种轮胎侧偏刚度的测试及辨识方法，其特征在于，包括：
通过轮胎六分力试验台，对其上的轮胎进行试验；
对所述轮胎进行侧偏刚度试验准备以及侧偏刚度测试；
按照设定的采样频率对侧偏刚度测试进行数据采集；
侧偏刚度测试采集多个周期数据，根据所述周期数据绘制侧向力-侧偏角曲线，并对其进行曲线拟合，取一次项系数作为第一侧偏刚度数值；
采用均方差进行数据分析，评估多个周期得到的多个所述第一侧偏刚度数值差异，并进行优化，确保数据结果波动在合理范围内，否则重新进行侧偏刚度试验准备以及侧偏刚度测试；
通过侧偏特性试验准备以及侧偏特性测试，得到输出侧偏特性试验数据，并以此得到第二侧偏刚度数值和回正刚度数值；
根据输出的侧偏角特性试验数据，对模型参数进行模型辨识；
通过所述第一侧偏刚度对模型辨识进行修正。
2.根据权利要求1所述的一种轮胎侧偏刚度的测试及辨识方法，其特征在于，通过侧偏特性试验准备以及侧偏特性测试，得到输出侧偏特性试验数据，并以此得到第二侧偏刚度数值和回正刚度数值，包括：
设定侧偏刚度试验程序，确定试验所需的胎压、载荷和侧倾角参数；
按照所需侧偏角范围给定三角波加载；
按照设定的采样频率对侧偏特性测试进行数据采集，得到不同载荷下的侧向力、回正力矩和侧偏角的数据曲线；
输出侧偏特性试验数据，并将不同载荷的侧偏角的轮胎侧向力以及回正力矩曲线进行计算，选取侧偏角±1deg范围内的数据，对其进行曲线拟合，取一次项系数作为第二侧偏刚度数值和回正刚度数值。
3.根据权利要求2所述的一种轮胎侧偏刚度的测试及辨识方法，其特征在于，根据输出侧偏特性试验数据，检查侧偏角加载曲线和控制曲线是否重合，不重合则调整PID参数重新进行侧偏特性试验准备以及侧偏特性测试，其中，PID为试验台控制参数。
4.根据权利要求1所述的一种轮胎侧偏刚度的测试及辨识方法，其特征在于，根据输出的侧偏角特性试验数据，对模型参数进行模型辨识，包括模型辨识公式，使用MF6.2轮胎模型，所述模型辨识公式如下：
Fy＝Fyo(α,γ,Fz)
Fy0＝Dysin[Cyarctan{Byαy-Ey(Byαy-arctan(Byαy))}]+Svy
式中Fy是侧向力，Fyo是侧向力函数表示，α、αy是侧偏角，γ是侧倾角，Fz是垂直载荷，By、Cy、Dy和Ey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，Svy是垂向偏移参数。
5.根据权利要求4所述的一种轮胎侧偏刚度的测试及辨识方法，其特征在于，将所述第一侧偏刚度数据代入所述模型辨识公式中进行修正，将所述模型辨识公式求导，得到公式如下：
F′y0＝Dysin'[Cyarctan{Byαy-Ey(Byαy-arctan(Byαy))}]*Cyarctan'
{Byαy-Ey(Byαy-arctan(Byαy))}*By(1-Ey(1-arctan'(Byαy))) 。
6.根据权利要求5所述的一种轮胎侧偏刚度的测试及辨识方法，其特征在于，当侧偏角为零时，带入求导后曲线，可以得到曲线在侧偏角为零处的斜率，即侧偏刚度，其表达公式为：Ky＝ByCyDy
模型使用魔术公式表达侧偏刚度的数值计算公式：
Ky＝Ky0(1-pky3|γy|)γ3
Figure FDA0003719293810000021
通过对计算出的侧偏刚度大小来辨识得到λKy参数。
式中，Ky为侧偏刚度函数表达式，Ky0为侧倾角为0的侧偏刚度因子，γy为实际侧倾角，γ3为侧倾角缩放因子，Pky1表示最大侧偏刚度的影响因子，ppy1表示最大侧偏刚度随胎压的变化因子，Fz0表示额定载荷，dpi为轮胎胎压的微元，Fz为实际载荷，Pky2为侧偏刚度随载荷变化的影响因子，ppy2随载荷变化的侧偏刚度相对胎压的影响因子，λFz0垂直载荷缩放因子，λKy侧偏刚度缩放因子。
7.根据权利要求6所述的一种轮胎侧偏刚度的测试及辨识方法，其特征在于，将修正后的模型辨识参数文件作为结果输出到整车仿真中，用于小侧向加速度的整车仿真。
8.根据权利要求1所述的一种轮胎侧偏刚度的测试及辨识方法，其特征在于，进行侧偏刚度试验准备以及侧偏刚度测试，还包括：
设定侧偏刚度试验程序，确定试验所需的胎压、载荷和侧倾角参数，按照试验所需的侧偏角范围给定三角波加载；
重复N次正/反转测试，测试结束后，如果轮胎温度波动高于10℃，则重新将轮胎温度调整到所述设定温度。
9.根据权利要求1所述的一种轮胎侧偏刚度的测试及辨识方法，其特征在于，通过轮胎高速六分力试验台，对其上的轮胎进行试验之前，还包括：调节所述轮胎的胎压至试验所需胎压，消除所述轮胎的内部应力，并使所述轮胎的温度达到设定温度。
10.根据权利要求9所述的一种轮胎侧偏刚度的测试及辨识方法，其特征在于，包括：
设定试运行程序，即轮胎在额定载荷下速度从低速到高速运行T1分钟，随后进行T2分钟的小侧偏角的往复运动，来保证轮胎均匀生热并消除轮胎内部应力；
施加一个小载荷和小速度对轮胎进行冷却，直到胎面温度达到所述设定温度。
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