汽车系统动力学

载运工具运用工程

基于ADAMS 仿真的轮胎异常磨损研究

现代汽车的车轮轮胎大多都是橡胶轮胎，轮胎与地面间产生的滑动摩擦力是造成轮胎磨损的主要原因。汽车轮胎磨损过程是十分复杂的，它是由多种机理共同作用的结果。影响轮胎磨损的因素主要有三种，即轮胎自身因素、整车匹配问题和外界环境因素。

常见的轮胎异常磨损( 非正常磨损) 情况及处理，主要有轮胎的胎冠过度磨损，轮胎的胎冠部分出现早期过度磨损主要原因是汽车轮胎胎压过大；轮胎两侧胎肩过度磨损主要是因为汽车轮胎胎压不足，或长期超载荷行驶造成。轮胎单侧异常磨损主要原因是该车轮定位不正确，且多发生在后车轮上。轮胎个别部位异常磨损主要是因为车辆行驶在碎石路面或急起动和紧急制动等导致表面橡胶被啃掉。轮胎胎冠局部过度磨损，该现象主要是因为车辆紧急制动，造成车轮抱死而引起的局部过度磨损。车辆轮胎出现波浪形或锯齿形异常磨损现象主要是因为该车轮动平衡性差或与该车轮连接的转向系统的零件磨损。在实际汽车运行过程中，其它的诸多因素也会造成轮胎的异常磨损。如车辆的特殊使用工况、驾驶员的驾驶习惯、汽车底盘情况及汽车悬架设计中的缺陷等，都会造成轮胎的异常磨损。

汽车轮胎作为车辆的支撑、驱动、制动以及为操纵提供所需的力和力矩，它与悬架系统直接连接，故悬架的参数将直接影响轮胎的使用情况。而汽车悬架的性能又直接决定了汽车的平顺性、乘舒适性和操纵性稳定性，故对悬架设计及参数优化研究一直都是一个热点课题。

针对汽车维修中某微型轿车因车轮定位初始

标准参数而引起轮胎的异常磨损现象，采用ADAMS软件对该车前悬架进行运动学和动力学仿真分析，结合悬架仿真及维修实践经验，来分析研究该车型车辆初始定位参数状况，并提出更好的车轮定位角来消除该车型轮胎异常磨损现象。

1、悬架系统仿真模型的建立

1.1、麦弗逊前悬架子系统模型的建立

在ADAMS虚拟环境中建立麦弗逊前悬架子系统模型，其几何定位参数，即麦弗逊悬架各定位点的三维坐标。因为悬架左右对称，故在ADAMS /Car环境下只需输入模型的单侧定位参数就会自动建立另一侧模型。该车型前悬架麦弗逊式悬架的左侧关键点的位置坐标和减振器的阻尼参数，如表1、表2所示。

前悬架弹簧参数如下: 刚度为( 17 ±0. 68) N/m，自由长度406. 7 mm，空载高度232 mm，空载负荷( 2 958 ±118) N，中径( 131 ±1. 2) mm，线径12. 5mm，圈数位7. 5 圈。

ADAMS / Car 中模板是用来定义各部件之间的拓扑链接关系的，它的建立是整个建模型过程中最重要的环节。建立模板后，接下来是生成子系统。在子系统里，用户可以对子系统内的零部件进行部分数据的修改，如调整硬点的坐标位置、橡胶衬套、弹簧和阻尼器的属性文件等。子系统建立后，根据总成需要进行总成模型的组建。其中属性文件是建立仿真分析模型的最基本文件，它设置和记录了系统模型的基本参数和相关属性。通过ADAMS / Car 麦弗逊悬架的模板生成麦弗逊悬架子系统，修改该悬架子系统各技术参数生成悬架子系统模型如图2 所示。

1. 2、轮胎模型的建立

轮胎作为汽车总成重要模型元素之一，对仿真精度有极大的影响。ADAMS 仿真软件自带了几种轮胎模型，有Pacejke’89、Paeejke’94、MF-Tyre、MF-Swift、Fiala 轮胎模型、UA 轮胎模型、Delft-Tyre、WIFT-Tyre 及摩托车轮胎模型。在悬架仿真中采用的是较常用的Fiala 轮胎。通过相关测量及试验得到的Fiala 轮胎相关特性参数如表3所示。所建立的Fiala 轮胎模型如图3所示。

图2 悬架子系统模型

图3 Fiala轮胎模型

1. 3、转向系统模型的建立

汽车转向系统是整车系统必不可少的部分，汽车的转向系统对汽车的操纵稳定性以及行驶平顺性等起着重要而直接的作用。汽车转向系通过对汽车左、右车轮不同转角之间的合理匹配来保证汽车沿着预期轨迹转动。建立的汽车转向子系统模型如图4所示。

1. 4、前悬架系统仿真模型

将前悬架、转向和轮胎等子系统装配后便得到前悬架系统模型，如图5所示。通过对悬架总成系统模型做各种试验，分析相关特性曲线，就可以对系统进行运动学、动力学等特性的研究，找出轮胎异常磨损的影响因素。

图4 转向子系统模型

图5 前悬架总成仿真模型

2、优化后仿真分析

在实际车轮定位角调整的过程中，主销内倾角和主销后倾角未调整，仅对车轮前束角和车轮外倾角进行了小角度的调整，这两角度的轻微调整对悬架的关键点位置坐标影响极小，车轮定位参数优化后悬架的各关键位置点坐标不变。同时，在维修调整操作行为中，调整前轮前束角和外倾角时一般要求调整在中间值附近。根据上述情况，对车辆车轮定位参数优化后的悬架总成模型再次进行运动学仿真分析时，设定车轮前束角和车轮外倾角均为优化后标准范围中间值，即前轮前束角为－9'，车轮外倾角为－15'。经悬架总成模型运动学仿真后得到车轮各定位参数及轮距变化曲线图，如图6 ～图10所示( 图中r 实曲线代表优化后的变化曲线，w 虚曲线代表优化前的变化曲线) 。

图6 优化前后前轮前束角随车轮跳动量变化曲线

图7优化前后前轮外倾角随车轮跳动量变化曲线图8优化前后主销后倾角随车轮跳动量变化曲线

图9 优化前后主销内倾角随车轮跳动量变化曲线图10 优化前后半轮距随车轮跳动量变化曲线

从图6一图10中可以看出，车轮定位角中主销内倾角及后倾角未有变化，符合维修实际及原厂设计;调整前轮前束角和车轮外倾角后的两个仿真曲线在静平衡位置时的数值均有减小，且变化方位较小，有利于降低轮胎内侧偏磨的异常磨损，符合实际情况;轮距变化曲线在调整前后未有明显变化，且轮距变化范围较小(仅4. 4 mm)，有力地降低轮胎的磨损，符合原厂设计。整体上各参数变化符合了降低甚至消除轮胎内侧异常磨损的趋势，具有广泛的应用前景。

4结束语

本文系统分析了某车型麦弗逊悬架的结构性能，运用多刚体动力学的基本理论和方法，采用仿真软件ADAMS /Car模块建立了该麦弗逊悬架总成模型。通过该模型运动学和动力学仿真分析，并结合实际维修经验，研究了该车前轮轮胎内侧偏磨的原因。结合仿真分析和维修经验，对该麦弗逊悬架车型车辆轮胎异常磨损提出重新优化调整车轮定位参数标准值，从而有效地降低了该车型车辆轮胎的异常磨损。