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变摩擦系数路面上轮胎力学特性分析

闫治仲【1】姜洪旭【2】李忠东【2】张伟伟【2】卢荡【1

】

［吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室长春130022【1

】

青岛森麒麟轮胎股份有限公司技术中心青岛266229【2】］

摘要：通过研究轮胎在由高摩擦系数路面进入低摩擦系数路面和由低摩擦系数路面进入

高摩擦系数路面过程中的侧向力和回正力矩的瞬态变化，得出轮胎在滚过摩擦系数突变部位，

侧向力会产生显著变化，回正力矩也会有一个瞬时突变，仿真与试验结果都体现了这一规律。

关键词：变摩擦系数路面瞬态特性侧向力和回正力矩

轮胎是汽车唯一的接地部件，在行驶过程渡时剪应力会发生突变，这种不连续性会导

中，改变汽车运动状态的力是轮胎与地面相致收敛问题，因此ABAQUS使用一个允许“弹

互作用产生的轮胎力。轮胎与路面间的相互性滑动”的罚摩擦(PenaltyFriction)公式，

作用与车辆的运动状态相互耦合。在实际生如图中的虚线所示。“弹性滑动”是粘着的

活中车辆行驶的道路状况经常会发生改变，接触面之间所发生的小量相对运动。ABAQUS

比如车辆会在干路面、水滑路面、冰雪路面会根据ElasticSlip参数或Slip

等不同路面上行驶。车辆在通过带水路面或Tolerance参数来计算罚刚度(虚线的斜率)。

结冰路面，轮胎附着系数发生突变时最易发ElasticSlip和SlipTolerance这两个参

生事故。路面摩擦系数变化直接影响轮胎的数在稳态传输分析和其他分析过程中的意

力学特性[1]。对于路面摩擦系数突变时轮义有所不同。在其他分析中，这两个参数决

胎侧向力学的变化特性，较少有相关公开文定了允许弹性滑动量γi，典型的允许弹性

献[2]。研究轮胎在变摩擦系数路面上的力滑动量设置成“单元特征长度”的很小一部

学特性的变化，有助于研究车辆在极端或突分(10-2-10-4)。而在稳态传输分析中，

变工况下的操纵稳定特性[3]。ElasticSlip参数表示允许弹性滑动速度，

1、轮胎与路面之间摩擦定义SlipTolerance参数表示滑动容差Fr。在

从力学分析的角度看，接触是边界条件高应用中，Fr反映了发生滑动时两接触体的临

度非线性的复杂问题，若要有效地仿真研究界相对速度，其缺省值为0.005，该缺省值

轮胎接地问题，必须正确模拟接触面的法向足够小，能满足一般的精度要求，同时可以

作用和摩擦行为。收敛。

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，该模型用摩擦系数

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。在接触面间的剪应

力达到μP之前(P为接触正压力)，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。图1.1中的实线描述了库伦摩擦的行

为。

对于数值计算，在粘着和滑移两种状态过

图1.1摩擦行为

作者简介：姜洪旭，男，青岛森麒麟轮胎股份有限公司，主任，主要从事轮胎有限元仿真工作邮箱：jianghongxu112@126.com。

卢荡，黑龙江大庆人，吉林大学教授，博士，主要从事轮胎力学及车辆动力学研究工作邮箱：ludang960526@126.com。

上速度为0.432km/h，胎压为250KPa，载荷

表3.1从低附着系数跃变到高附着系数路面

为6000N，6度侧偏角下侧偏工况的试验测

上的工况设置

试结果。图3.1.7~图3.1.8为轮胎在对接路面

上速度为0.45km/h，胎压为250KPa，载荷

为6000N，1度侧偏角下侧偏工况的仿真结

果。

图3.1.5轮胎变摩擦系数试验侧向力与滚动

距离的关系曲线

图3.1.7205轮胎变摩擦系数仿真侧向

力与滚动距离的关系曲线

图3.1.6轮胎变摩擦系数试验回正力矩与滚

动距离的关系曲线

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

图3.1.8轮胎变摩擦系数仿真回正力矩与滚

情况，可以得到轮胎在摩擦系数变化的路面

动距离的关系曲线

上的侧偏特性曲线。

图3.1.9~图3.1.10为轮胎在对接路根据真实轮胎变摩擦系数试验，设定轮

面上速度为0.45km/h，胎压为250KPa，载

胎工况进行仿真，仿真工况如表3.1所示。

荷为6000N，3度侧偏角下侧偏工况的仿真