汽车子午线轮胎六分力预报理论与实验研究

Tire Forces & Moments(Mx,My,Mz,Fz,Fy,Fz)has very close relationship with vehicle's preformance,such as handling,driving and braking, safety and etc. It is the most important basis of vehicle dynamics. The Forces and Moments cannot be predicted directly from the tire structure and materials using the current tire mechanics theory, which hinders the concurrent development of the tire/vehicle and tire performance design. This project attempts to estabilish a new theory of tire Forces and Moments prediction, based on the accuracte tire rolling kinematics and the mixed Euler-Lagrange approach. Using the new theory, one will be able to calculate tire Forces and Moments directly from tire pattern design, structural design and materials design.The main research content and key technologies include:(1) The hybrid rigid-elastic kinematics approach to accurately describe the rolling kinematics and complete 3D rigid rotation coupled elastic deformation;(2)The mixed Euler-Lagrange method to decouple the tire structural analysis and moving contact analysis, and to accurately integrate the contact forces in the footprint;(3)By design sensitity analysis, the relationship between the Forces & Moments and the tire structure and materials can be estabilshed to preditct the tire performance and optimize the tire design. The proposed new predicton theory can unify the tire structural mechanics and dynamics, and provide theory foundation for developing the new generation of low aspect ratio and high performance radial tires.

轮胎六分力关系到汽车操纵稳定性、驱动和制动性能以及安全性能，是车辆动力学研究的重要基础。当前的轮胎力学理论不能从轮胎结构直接预测轮胎六分力，阻碍了轮胎/车辆的同步开发和轮胎性能设计。本项目从滚动轮胎接触运动学精确分析入手，提出欧拉-拉格朗日混合方法描述轮胎/道路相互作用，建立起能够全面反映轮胎结构、花纹以及材料特性的轮胎六分力预报理论和计算方法。主要研究内容和创新点包括：（1）提出刚柔混合方法精确描述轮胎滚动接触运动学，完整考虑轮胎三轴刚体转动和弹性变形的耦合运动；（2）提出欧拉-拉格朗日混合方法解耦轮胎结构动力学和接触动力学，实现接触印迹内六分力的精确积分；（3）提出六分力设计敏感性分析方法建立起轮胎结构和六分力之间的联系，实现轮胎性能预测和按需设计。所提出的轮胎六分力预测新理论体系，可望使轮胎结构力学和动力学走向融合，为新一代低断面高性能子午胎开发提理论支撑。

轮胎是唯一连接汽车和道路的部件。轮胎和地面相互作用形成的接触印迹的面积，虽然只有成人手掌大小，但是却提供汽车运动需要的所有驱动、转向和制动力。轮胎力学是汽车动力学的基础，车速的提高和汽车动力学控制技术发展，使得对轮胎力学的要求向高频和动态发展；因此在汽车动力学领域轮胎力学也一般称之为轮胎动力学，在轮胎结构设计领域一般沿用轮胎力学的名称。本项目在课题组关于轮胎力学长期研究的基础上，从多柔体动力学的角度，试图建立既能用于车辆动力学设计、也能用于轮胎动力学设计的轮胎动态模型，澄清轮胎六分力产生的机理，建立轮胎刚柔耦合动力学模型，打通轮胎结构力学与轮胎动力学之间的障碍和瓶颈。.主要研究内容.1).轮胎和路面之间的精确接触运动学研究.2).基于精确接触运动学的六分力有限元计算方法.3).轮胎六分力影响因素的实验验证研究.4).轮胎六分力的速度相关性研究.5).轮胎有效滚动半径研究.6).智能轮胎研究.重要结果.1).提出了轮胎滚动运动学的混合拉格朗日-欧拉算法.2).开发了轮胎六分力的预报方法和有限元软件.3).基于混合的拉格朗日-欧拉方法，从机理上解释了滚动轮胎转向力矩速度相关性根本原因在于turn-slip引发的界面速度的影响，得到了乘用车子午线轮胎的转折速度范围.4).建立了轮胎胎面蠕滑率的理论模型和数值计算方法.5).建立了轮胎有效滚动半径的预测计算方法.6).提出MLE映射方法进行旋转结构的振动噪声仿真，解决旋转振动噪声分析的国际难题.7).提出了包含面外扭转和面外弯曲振动的三维环模型，并应用于卡车子午线轮胎振动模态分析。.总共发表和接受发表论文58篇，申请专利16项，出版英文著作1本，中文译著1本。其中英文论文8篇, SCI源刊论文6篇，EI源刊论文8篇，国际会议论文13篇，国内会议10篇，中文期刊论文27篇。.关键数据及其科学意义：当汽车轮胎前进速度在5-10km/h，轮胎的回正力矩达到极值，之后轮胎的回正力矩随着速度升高。这一转折速度的存在对研究车辆的操控稳定性有重要的意义，对于设定汽车EPS系统的路感和助力力矩有重要的价值，其背后的科学意义是：转偏滑移率和侧偏滑移率产生的回正力矩遵循不同分布规律和速度相关性，在速度5-10km/h时达到极值点。