轮胎动力学及建模方法

汽车轮胎动力学模型的研究摘要：在我们研究汽车轮胎的动力学方面的问题时，对轮胎的动力学进行建模成为了至关重要的一部。

本论文主要是对汽车动力学仿真中的轮胎数学模型现状进行了分析,简要说明了轮胎动力学建模的新方法并进行了展望。

Abstract：When we studied the kinetic aspects of the automobile tire, the tire dynamics modeling has become a crucial part. In this thesis, tire mathematical model of vehicle dynamics simulation of the status quo analysis, a brief description of the tire dynamics modeling and prospects.关键词: 车辆轮胎动力学动力学模型轮胎是汽车上最重要的组成部件之一，它支持车辆的全部重量，传送牵引和制动的扭力，保证车轮与路面的附着力，减轻和吸收汽车在行驶时的震动和冲击力，保证行驶的安全性、操纵稳定性、舒适性和节能经济性。

因此,轮胎动力学特性的研究,对研究车辆性能来说是非常必要的。

车辆运动依赖于轮胎所受的力,如纵向制动力和驱动力、侧向力和侧倾力、回正力矩和侧翻力矩等。

所有这些力都是滑转率、侧偏角、外倾角、垂直载荷、道路摩擦系数和车辆运动速度的函数,如何有效地表达这种函数关系,即建立精确的轮胎动力学数学模型,一直是轮胎动力学研究人员所关心的问题。

轮胎的动力学特性对车辆的动力学特性起着至关重要的作用,特别是对车辆的操纵稳定性、制动安全性、行驶平顺性具有重要的影响。

1 轮胎侧偏特性研究由于轮胎的结构十分复杂,在侧偏和纵滑时其受力和变形难于确定,另外,轮胎和路面之间的摩擦耦合特性也具有不稳定的多变性。

在目前阶段,很难根据轮胎的物理特性和真实的边界条件来精确地计算轮胎的偏滑特性。

大型机动客车车轮总成的轮胎动力学建模与优化随着交通运输行业的发展，大型机动客车在城市道路、高速公路和乡村道路上扮演着重要的角色。

作为车辆的关键组件之一，车轮总成的性能对车辆的安全性、稳定性和经济性有着直接的影响。

因此，准确建模和优化大型机动客车车轮总成的轮胎动力学是提升车辆性能和驾驶体验的关键。

一、车轮总成的轮胎动力学建模车轮总成的轮胎动力学模型是一种数学模型，用于描述轮胎与道路之间的相互作用力和力矩。

通过简化车轮总成的结构和轮胎与地面之间的力学关系，我们可以建立一个有效的动力学模型，以预测车辆在不同路况下的运动特性。

以下是车轮总成的轮胎动力学建模的几个关键步骤：1. 轮胎结构参数的测量：为了建立准确的轮胎动力学模型，我们需要测量和记录轮胎的结构参数，包括胎面宽度、断面宽度、半径、容纳载荷等。

这些参数将用于计算轮胎的刚度和弯曲刚度。

2. 轮胎刚度建模：轮胎刚度是指轮胎对垂直载荷的变形程度。

根据轮胎结构参数和材料特性，可以通过建立刚度公式来描述轮胎的力学特性。

刚度公式一般采用线性或非线性的形式，可以根据不同的需求和精度进行选择。

3. 轮胎与地面之间的接触力建模：车轮总成在行驶过程中与地面之间会产生接触力，包括侧向力、纵向力和垂向力。

这些力的大小和方向与轮胎的结构特性、道路条件和驾驶操作有关。

通过建立接触力模型，我们可以预测车辆在不同道路条件下的操控性和稳定性。

4. 轮胎滑移率建模：滑移率是指轮胎滚动速度和地面滑动速度之间的比值。

它是轮胎动力学模型中的一个重要参数，可以用于计算轮胎的侧向力和纵向力。

对于大型机动客车，滑移率对于安全性和驾驶稳定性具有重要意义。

二、车轮总成的轮胎动力学优化通过建立准确的车轮总成的轮胎动力学模型，我们可以进行优化来提高车辆的性能和稳定性。

以下是一些常见的轮胎动力学优化方法：1. 轮胎参数优化：根据实际需求和道路条件，可以通过优化轮胎的刚度、弯曲刚度、胎面材料和胎纹设计，来改善车辆的操控性、制动性能和舒适性。

10.16638/ki.1671-7988.2017.22.031车轮滚动半径动力学建模试验研究杜魏魏（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽合肥230601）摘要：文章建立了整车条件下轮胎滚动半径与车速和轮边驱动力的测试模型。

基于美国NI cRIO控制器构建了测试系统，进行了系统的台架试验，基于试验数据对测试模型进行参数拟合。

结果表明实测数据与模型数据相关度高，相关系数为96.64%，说明论文研究方法是合理有效的。

论文研究为整车测试中轮胎滚动半径获取和研究提供了参考。

关键字：轮胎；滚动半径；测试；建模中图分类号：U467 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2017)22-88-03Experimental Research on Dynamical Modeling Method for Wheel Rolling RadiusDu Weiwei( Technical Center of Anhui Jianghuai Automotive Group Co. Ltd, Anhui Hefei 230601 )Abstract:A new dynamical modeling method for wheel rolling radius based on the whole vehicle test is put forward in the paper. The test system was constructed based on the controller of America NI cRIO, and the systematic tests were conducted. All the test data were employed to fit the model parameters. The results show that the high correlation coefficient 96.64% between the test data and the model data was achieved, which verified the effectiveness of the modeling method. This study provides a means to achieve the wheel rolling radius for whole vehicle tests.Keywords: Tyre; Rolling radius; Test; Dynamic modelingCLC NO.: U467 Document Code: A Article ID:1671-7988(2017)22-88-03前言车轮滚动半径受垂直载荷、轮胎磨损、车速、轮边驱（制）动力等因素影响，在实际车辆性能测试中需要准确构建轮胎滚动半径的动力学模型[1]。

为方便具有轮胎非线性分析需求的用户熟悉Marc（Marc Mentat）中轮胎建模的方法和流程，针对某汽车轮胎的装配、充气、在路面承受后轮胎的变形和应力分析进行描述。

一、使用Marc Mentat建立轮胎二维轴对称模型模拟装配到轮辋和充气过程首先根据轮胎的结构和尺寸参数在Mentat中建立下图所示的有限元模型（195/65R15汽车轮胎），用户可以使用Marc Mentat直接创建轮胎截面的几何模型和有限元模型，也可以利用Mentat提供的接口，将其他CAD或CAE软件创建的模型导入到Mentat中进行后续材料参数、边界条件、分析参数等的定义。

Mentat提供了多种商用的CAD和CAE软件的接口，具体可以参考Marc用户手册的介绍。

本例出示的轮胎模型包括橡胶胎面、带束层、胎冠（tread、base、rubber）以及布帘等加强结构（bead、rebar1、rebar2）。

如下图所示：轮胎截面有限元模型(二维轴对称)橡胶材料部分可以采用Marc提供的Mooney模型定义，根据实际材料特性输入相应的材料参数即可。

Marc Mentat提供了多种模拟橡胶材料的本构模型和实验曲线拟合工具，用户可以根据供应商提供的或实测的该橡胶材料的实验曲线（应力-应变曲线）选择合适的超弹性材料模型进行拟合，并由Mentat自动计算和应用材料参数到模型中。

具体步骤可参考Marc用户手册或基础培训教程中的相关介绍。

详细内容可参考mar103教程中的介绍.轮胎各部分材料类型分布对于加强材料，这里包括了两类，一类是金属圈bead结构，直接采用各向同性材料本构模型，输入相应的结构材料参数，例如弹性模量、泊松比等即可。

另一类加强筋材料采用嵌入式模型（本例中加强筋单元嵌入到rubber基体材料中），用于模拟轮胎橡胶材料中嵌入的布帘和加强筋结构，这些结构可以指定为Marc中的rebar单元来模拟。

Marc支持一种基体材料中同时嵌入多层和多种加强筋材料的定义，这些加强筋结构可以分层分布在基体材料不同的厚度处、加强筋的铺设方向、截面积以及数量等均可以根据实际结构定义。

详细介绍轮胎模型，主要是自己做课题时，用到的整理汇总出来的，轮胎这部分的资料比较少的，记录下来帮助大家一起学习一起进步；主要分以下两部分介绍一、轮胎模型简介轮胎是汽车重要的部件，它的结构参数和力学特性决定着汽车的主要行驶性能。

轮胎所受的垂直力、纵向力、侧向力和回正力矩对汽车的平顺性、操纵稳定性和安全性起重要作用。

轮胎模型对车辆动力学仿真技术的发展及仿真计算结果有很大影响，轮胎模型的精度必须与车辆模型精度相匹配。

因此，选用轮胎模型是至关重要的。

由于轮胎具有结构的复杂性和力学性能的非线性，选择符合实际又便于使用的轮胎模型是建立虚拟样车模型的关键。

一、轮胎模型简介轮胎建模的方法分为三种：1）经验—半经验模型针对具体轮胎的某一具体特性。

目前广泛应用的有 Magic Formula公式和吉林大学郭孔辉院士利用指数函数建立的描述轮胎六分力特性的统一轮胎半经验模型UniTire ，其主要用于车辆的操纵动力学的研究。

2）物理模型根据轮胎的力学特性，用物理结构去代替轮胎结构，用物理结构变形看作是轮胎的变形。

比较复杂的物理模型有梁、弦模型。

特点是具有解析表达式，能探讨轮胎特性的形成机理。

缺点是精确度较经验—半经验模型差，且梁、弦模型的计算较繁复。

3）有限元模型基于对轮胎结构的详细描述 , 包括几何和材料特性，精确的建模能较准确的计算出轮胎的稳态和动态响应。

但是其与地面的接触模型很复杂，占用计算机资源太大，在现阶段应用于不平路面的车辆动力学仿真还不现实，处于研究阶段。

主要用于轮胎的设计与制造二、 ADAMS/TIRE轮胎不是刚体也不是柔体，而是一组数学函数。

由于轮胎结构材料和力学性能的复杂性和非线性以及适用工况的多样性，目前还没有一个轮胎模型可适用于所有工况的仿真，每个轮胎模型都有优缺点和适用的范围。

必须根据需要选择合适的轮胎模型。

ADAMS/TIRE分为两大类：一） .用于操稳分析的轮胎模型魔术公式是用三角函数的组合公式拟合轮胎试验数据，用一套形式相同的公式完整地表达轮胎的纵向力、侧向力、回正力矩、翻转力矩、阻力矩以及纵向力、侧向力的联合作用工况，主要包括以下的前四种模型。

详细介绍轮胎模型，主要是自己做课题时，用到的整理汇总出来的，轮胎这部分的资料比较少的，记录下来帮助大家一起学习一起进步；主要分以下两部分介绍一、轮胎模型简介轮胎是汽车重要的部件，它的结构参数和力学特性决定着汽车的主要行驶性能。

轮胎所受的垂直力、纵向力、侧向力和回正力矩对汽车的平顺性、操纵稳定性和安全性起重要作用。

轮胎模型对车辆动力学仿真技术的发展及仿真计算结果有很大影响，轮胎模型的精度必须与车辆模型精度相匹配。

因此，选用轮胎模型是至关重要的。

由于轮胎具有结构的复杂性和力学性能的非线性，选择符合实际又便于使用的轮胎模型是建立虚拟样车模型的关键。

一、轮胎模型简介轮胎建模的方法分为三种：1）经验—半经验模型针对具体轮胎的某一具体特性。

目前广泛应用的有Magic Formula公式和吉林大学郭孔辉院士利用指数函数建立的描述轮胎六分力特性的统一轮胎半经验模型UniTire，其主要用于车辆的操纵动力学的研究。

2）物理模型根据轮胎的力学特性，用物理结构去代替轮胎结构，用物理结构变形看作是轮胎的变形。

比较复杂的物理模型有梁、弦模型。

特点是具有解析表达式，能探讨轮胎特性的形成机理。

缺点是精确度较经验—半经验模型差，且梁、弦模型的计算较繁复。

3）有限元模型基于对轮胎结构的详细描述,包括几何和材料特性，精确的建模能较准确的计算出轮胎的稳态和动态响应。

但是其与地面的接触模型很复杂，占用计算机资源太大，在现阶段应用于不平路面的车辆动力学仿真还不现实，处于研究阶段。

主要用于轮胎的设计与制造二、ADAMS/TIRE轮胎不是刚体也不是柔体，而是一组数学函数。

由于轮胎结构材料和力学性能的复杂性和非线性以及适用工况的多样性，目前还没有一个轮胎模型可适用于所有工况的仿真，每个轮胎模型都有优缺点和适用的范围。

必须根据需要选择合适的轮胎模型。

ADAMS/TIRE分为两大类：一）.用于操稳分析的轮胎模型魔术公式是用三角函数的组合公式拟合轮胎试验数据，用一套形式相同的公式完整地表达轮胎的纵向力、侧向力、回正力矩、翻转力矩、阻力矩以及纵向力、侧向力的联合作用工况，主要包括以下的前四种模型。

汽车科技第6期2006年11月工业大学学报(自然科学版),2003,26(5):971-974.Study on Application of FMEA inDesigning Double-frontbr idge System ofHeavy Tr uckLI Z (DFM T ,W 356,)T x f f fcertain truck,the concerned know ledge of FM EA(Failure Mode Eff ects Analysis )and the structure traits of double -frontbridge system ar e briefly introduced.The self -de veloped computer-aid-ed FMEA sof tw are is applied to analyz ing the double -fr ont-bridge system acco rding to the step of FMEA,and w ell eff ect is K y FM ;f ;f !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!随着我国高速公路的快速发展,汽车高速行驶在高速公路上的时间越来越长。

由此出现了一种轮胎非正常磨损现象———轮胎“周向多边形”磨损。

造成这种不均匀磨损的潜在原因很多,可能是车辆的动态性能、定位参数、悬架和道路情况等方面的原因,也可能是轮胎的结构参数、形状参数、胎面形式和胎压等原因造成的。

本文以动态稳定理论为基础,建立了基于胎面扰动的轮胎动力学模型,为研究轮胎的非均匀磨损打下了基础。

1动力系统稳定性研究在工程实践中,任何机械系统必须首先保证其有稳定的工作状态(状态点),然后才可能讨论系统状态点的稳定性。

对复杂动力系统稳定性问题的研究通常应用各种理论,根据系统的动力学方程直接判断动力系统运动的稳定性,并预测系统在受到扰动后动力系统运动可能具有的状态。

详细介绍轮胎模型，主要是自己做课题时，用到的整理汇总出来的，轮胎这部分的资料比较少的，记录下来帮助大家一起学习一起进步；主要分以下两部分介绍一、轮胎模型简介轮胎是汽车重要的部件，它的结构参数和力学特性决定着汽车的主要行驶性能。

轮胎所受的垂直力、纵向力、侧向力和回正力矩对汽车的平顺性、操纵稳定性和安全性起重要作用。

轮胎模型对车辆动力学仿真技术的发展及仿真计算结果有很大影响，轮胎模型的精度必须与车辆模型精度相匹配。

因此，选用轮胎模型是至关重要的。

由于轮胎具有结构的复杂性和力学性能的非线性，选择符合实际又便于使用的轮胎模型是建立虚拟样车模型的关键。

一、轮胎模型简介轮胎建模的方法分为三种：1）经验—半经验模型针对具体轮胎的某一具体特性。

目前广泛应用的有Magic Formula公式和吉林大学郭孔辉院士利用指数函数建立的描述轮胎六分力特性的统一轮胎半经验模型UniTire，其主要用于车辆的操纵动力学的研究。

2）物理模型根据轮胎的力学特性，用物理结构去代替轮胎结构，用物理结构变形看作是轮胎的变形。

比较复杂的物理模型有梁、弦模型。

特点是具有解析表达式，能探讨轮胎特性的形成机理。

缺点是精确度较经验—半经验模型差，且梁、弦模型的计算较繁复。

3）有限元模型基于对轮胎结构的详细描述,包括几何和材料特性，精确的建模能较准确的计算出轮胎的稳态和动态响应。

但是其与地面的接触模型很复杂，占用计算机资源太大，在现阶段应用于不平路面的车辆动力学仿真还不现实，处于研究阶段。

主要用于轮胎的设计与制造二、ADAMS/TIRE轮胎不是刚体也不是柔体，而是一组数学函数。

由于轮胎结构材料和力学性能的复杂性和非线性以及适用工况的多样性，目前还没有一个轮胎模型可适用于所有工况的仿真，每个轮胎模型都有优缺点和适用的范围。

必须根据需要选择合适的轮胎模型。

ADAMS/TIRE分为两大类：一）.用于操稳分析的轮胎模型魔术公式是用三角函数的组合公式拟合轮胎试验数据，用一套形式相同的公式完整地表达轮胎的纵向力、侧向力、回正力矩、翻转力矩、阻力矩以及纵向力、侧向力的联合作用工况，主要包括以下的前四种模型。