变摩擦因数路面上轮胎力学特性范文
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《轮胎工业》2017年第12期
摘要：研究轮胎从高摩擦因数路面进入低摩擦因数路面和从低摩擦因数路面进入高摩擦因数路面过程中的侧向力和回正力矩的瞬态变化。结果表明，轮胎在滚过摩擦因数突变部位时侧向力会产生显著变化，回正力矩也会有瞬时突变。仿真与试验结果都体现了这一规律。
关键词：变摩擦因数路面；轮胎；瞬态特性；侧向力；回正力矩
轮胎是汽车唯一的接地部件，在行驶过程中，改变汽车运动状态的力是轮胎与地面相互作用产生的轮胎力。轮胎与路面间的相互作用与车辆的运动状态相互耦合。在实际生活中车辆行驶的道路状况经常会发生改变，比如车辆会在干路面、水滑路面、冰雪路面等不同路面上行驶。车辆在通过带水路面或结冰路面，轮胎摩擦因数发生突变时最易发生事故。路面摩擦因数变化直接影响轮胎的力学特性[1]。对于路面摩擦因数突变时轮胎侧向力学的变化特性，较少有相关公开文献[2]。研究轮胎在变摩擦因数路面上的力学特性的变化，有助于研究车辆在极端或突变工况下的操纵稳定特性[3]。
1轮胎与路面之间摩擦定义
从力学分析的角度看，接触是边界条件高度非线性的复杂问题，若要有效地仿真研究轮胎接地问题，必须正确模拟接触面的法向作用和摩擦行为。本研究采用精度高、适用性广的直接约束法描述接触问题，该方法会追踪物体的运动轨迹，一旦探测发生接触，便将接触所需要的运动约束和节点力作为边界条件直接施加在产生接触的节点上。切向接触条件常使用库伦摩擦模型来描述，该模型用摩擦因数（µ）来表征在两个表面之间的摩擦行为。临界摩擦剪应力的值为µP（P为接触正压力）。在接触面间的剪应力达到µP之前，切向运动一直保持为零，处于粘着状态；直到接触面间的剪应力等于µP时，接触面才发生相对滑移。对于数值计算，在粘着和滑移两种状态过渡时剪应力会发生突变，这种不连续性会导致收敛问题，因此Abaqus软件使用一个允许“弹性滑动”的罚摩擦（PenaltyFriction）公式。“弹性滑动”是粘着的接触面之间所发生的小量相对运动。Abaqus软件会根据ElasticSlip参数或SlipTolerance参数来计算罚刚度。ElasticSlip和SlipTolerance这两个参数在稳态传输分析和其他分析过程中的意义有所不同。在其他分析中，这两个参数决定了允许弹性滑动量，典型的允许弹性滑动量设置成“单元特征长度”的很小一部分（10-4～10-2）。而在稳态传输分析中，ElasticSlip参数表示允许弹性滑动速度，SlipTolerance参数表示滑动容差。在应用中，滑动容差反映了发生滑动时两接触体的临界相对速度，其缺省值为0.005，该缺省值足够小，能满足一般的精度要求，同时可以收敛。
2轮胎变摩擦因数（粗糙-光滑）路面试验介绍
吉林大学平板式轮胎力学特性试验台如图1所示。图1中左侧的白色平板是聚四氟乙烯材料，作为低摩擦因数路面，右侧黑色平板为具有高摩擦因数的磨砂路面，需要用适当厚度的垫片保持两图1轮胎力学特性试验台侧路面高度、平整度一致，过渡处状态良好。试验前轮胎停靠在试验滑台的最右端，试验开始后，轮胎以一定侧偏角从右向左滚动。轮胎从静止开始在高摩擦路面滚动1m时，摩擦因数突然变小，进入到低摩擦路面，继续滚动0.8m停止，一次试验完成。
3摩擦因数跃变路面上的试验和仿真结果
3.1从低摩擦因数跃变到高摩擦因数路面
如果车辆在不同摩擦因数的路面上运动，车辆运动状态将会发生变化，尤其是在不同的路面交界处，如从冰路面突然运动到沥青路面，此时车辆的附着性能将会显著提高。试验条件为：205/55R16轮胎在对接路面上的速度0.432km•h-1，充气压力250kPa，载荷6kN。轮胎侧偏角在1°，3°和6°侧偏工况下的试验测试结果分别如图2—4所示。轮胎以一个恒定的侧偏角和恒定的载荷滚过两种不同的路面，记录此时轮胎的受力情况，可以得到轮胎在摩擦因数变化的路面上的侧偏特性曲线。根据真实轮胎变摩擦因数试验，设定轮胎仿真工况条件为：速度0.45km•h-1，充气压力250kPa，载荷6kN。调用隐式动态求解器进行仿真，路面设定两段对接路面，预设路面初段为冰雪路面（长度为1m，假设动摩擦因数为0.3），一定距离后跃变到沥青路面（长度为0.8m，假设动摩擦因数为1）。轮胎侧偏角在1°，3°和6°侧偏工况下的仿真结果分别如图5—7所示。从图5—7可以看出：侧向力发生突变，迅速增大，随后便保持稳定状态，不再变化；回正力矩也随着路面摩擦因数的跃升而剧烈变化，最终趋于稳定，在较大侧偏角时，回正力矩在阶跃摩擦因数变化前有一尖峰突起。仿真结果与试验结果完全一致。其他条件不变，1°侧偏角下轮胎载荷为2和6kN时的仿真结果对比如图8所示。由图8可以看出，无论轮胎模型在大载荷还是小载荷下，侧向力和回正力矩的变化趋势都是一样的，在路面摩擦因数分界处侧向力和回正力矩
3.2从高摩擦因数跃变到低摩擦因数路面
其他试验条件不变，预设初段路面为沥青路面（长度为1m，假设动摩擦因数为1），一定距离后跃变到冰雪路面（长度为0.8m，假设动摩擦因数为0.3）。
4总结
轮胎的力学特性非常复杂，当轮胎接地印痕内的路面摩擦因数不同时更是如此。在摩擦因数突变过程中，轮胎从接地印痕前端点开始进入不同路面，轮胎接地印痕内分布的侧向合力作用点位置偏移，这导致轮胎拖距发生变化，这也是回正力矩“尖峰”突起现象产生的原因。摩擦因数突然变大，则拖距减小，这会使回正力矩突然减小，随着轮胎接地部分更多的进入粗糙路面，侧向力逐渐增大，拖距又回到正常状态，回正力矩又开始增大。摩擦因数突然变小，拖距突然增大，虽然侧向力有减小的趋势，但拖距的影响显然更为显著，所以回正力矩会突然增大，随后又开始减小，最后到达稳态值。
作者：闫治仲1；姜洪旭2；李忠东2；张伟伟2；卢荡1 单位：1.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，2.青岛森麒麟轮胎股份有限公司
