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《輪胎工業》2017年第12期

摘要：研究輪胎從高摩擦因數路面進入低摩擦因數路面和從低摩擦因數路面進入高摩擦因數路面過程中的側向力和回正力矩的瞬態變化。結果表明，輪胎在滾過摩擦因數突變部位時側向力會產生顯著變化，回正力矩也會有瞬時突變。仿真與試驗結果都體現了這一規律。

關鍵詞：變摩擦因數路面；輪胎；瞬態特性；側向力；回正力矩

輪胎是汽車唯一的接地部件，在行駛過程中，改變汽車運動狀態的力是輪胎與地面相互作用產生的輪胎力。輪胎與路面間的相互作用與車輛的運動狀態相互耦合。在實際生活中車輛行駛的道路狀況經常會發生改變，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冰路面，輪胎摩擦因數發生突變時最易發生事故。路面摩擦因數變化直接影響輪胎的力學特性[1]。對于路面摩擦因數突變時輪胎側向力學的變化特性，較少有相關公開文獻[2]。研究輪胎在變摩擦因數路面上的力學特性的變化，有助于研究車輛在極端或突變工況下的操縱穩定特性[3]。

1輪胎與路面之間摩擦定義

從力學分析的角度看，接觸是邊界條件高度非線性的復雜問題，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，一旦探測發生接觸，便將接觸所需要的運動約束和節點力作為邊界條件直接施加在產生接觸的節點上。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（µ）來表征在兩個表面之間的摩擦行為。臨界摩擦剪應力的值為µP（P為接觸正壓力）。在接觸面間的剪應力達到µP之前，切向運動一直保持為零，處于粘著狀態；直到接觸面間的剪應力等于µP時，接觸面才發生相對滑移。對于數值計算，在粘著和滑移兩種狀態過渡時剪應力會發生突變，這種不連續性會導致收斂問題，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生的小量相對運動。Abaqus軟件會根據ElasticSlip參數或SlipTolerance參數來計算罰剛度。ElasticSlip和SlipTolerance這兩個參數在穩態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，這兩個參數決定了允許彈性滑動量，典型的允許彈性滑動量設置成“單元特征長度”的很小一部分（10-4～10-2）。而在穩態傳輸分析中，ElasticSlip參數表示允許彈性滑動速度，SlipTolerance參數表示滑動容差。在應用中，滑動容差反映了發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（粗糙-光滑）路面試驗介紹

吉林大學平板式輪胎力學特性試驗臺如圖1所示。圖1中左側的白色平板是聚四氟乙烯材料，作為低摩擦因數路面，右側黑色平板為具有高摩擦因數的磨砂路面，需要用適當厚度的墊片保持兩圖1輪胎力學特性試驗臺側路面高度、平整度一致，過渡處狀態良好。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，摩擦因數突然變小，進入到低摩擦路面，繼續滾動0.8m停止，一次試驗完成。

3摩擦因數躍變路面上的試驗和仿真結果

3.1從低摩擦因數躍變到高摩擦因數路面

如果車輛在不同摩擦因數的路面上運動，車輛運動狀態將會發生變化，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。輪胎側偏角在1°，3°和6°側偏工況下的試驗測試結果分別如圖2—4所示。輪胎以一個恒定的側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變化的路面上的側偏特性曲線。根據真實輪胎變摩擦因數試驗，設定輪胎仿真工況條件為：速度0.45km•h-1，充氣壓力250kPa，載荷6kN。調用隱式動態求解器進行仿真，路面設定兩段對接路面，預設路面初段為冰雪路面（長度為1m，假設動摩擦因數為0.3），一定距離后躍變到瀝青路面（長度為0.8m，假設動摩擦因數為1）。輪胎側偏角在1°，3°和6°側偏工況下的仿真結果分別如圖5—7所示。從圖5—7可以看出：側向力發生突變，迅速增大，隨后便保持穩定狀態，不再變化；回正力矩也隨著路面摩擦因數的躍升而劇烈變化，最終趨于穩定，在較大側偏角時，回正力矩在階躍摩擦因數變化前有一尖峰突起。仿真結果與試驗結果完全一致。其他條件不變，1°側偏角下輪胎載荷為2和6kN時的仿真結果對比如圖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，側向力和回正力矩的變化趨勢都是一樣的，在路面摩擦因數分界處側向力和回正力矩

3.2從高摩擦因數躍變到低摩擦因數路面

其他試驗條件不變，預設初段路面為瀝青路面（長度為1m，假設動摩擦因數為1），一定距離后躍變到冰雪路面（長度為0.8m，假設動摩擦因數為0.3）。

4總結

輪胎的力學特性非常復雜，當輪胎接地印痕內的路面摩擦因數不同時更是如此。在摩擦因數突變過程中，輪胎從接地印痕前端點開始進入不同路面，輪胎接地印痕內分布的側向合力作用點位置偏移，這導致輪胎拖距發生變化，這也是回正力矩“尖峰”突起現象產生的原因。摩擦因數突然變大，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入粗糙路面，側向力逐漸增大，拖距又回到正常狀態，回正力矩又開始增大。摩擦因數突然變小，拖距突然增大，雖然側向力有減小的趨勢，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，最后到達穩態值。

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