汽车动力学仿真中轮胎模型的建模_杜峰

来源：网络收集时间：2026-08-21

导读：现代设计与先进制造技术33杜峰闫光辉关志伟汽车动力学仿真中轮胎模……  汽车动力学仿真中轮胎模型的建模杜 11，21峰，闫光辉，关志伟（1．天津职业技术师

·现代设计与先进制造技术·33杜峰闫光辉关志伟汽车动力学仿真中轮胎模……



汽车动力学仿真中轮胎模型的建模

杜

11，21峰，闫光辉，关志伟

（1．天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津300222）

（2．长安大学汽车学院，陕西西安710064）

摘要：针对当前车辆动力学模拟与动态控制研究中所采用的经验轮胎模型需要大量实验数据的

情况，探讨了利用理论轮胎模型来进行车辆动力学建模与仿真的实现方法，以改善轮胎经验模型对实验数据过于依赖的不足。通过研究，利用MATLAB/Simulink软件实现了Gim理论轮胎模型的模块化建模和动力学仿真分析。仿真结果和实验数据的对比表明:Gim理论轮胎模型的精度高，能准确预测轮胎的力学特性;所建立的Simulink轮胎子模块通用性强，所需参数少，运算快，为车辆动力学的实时仿真提供了很大方便。

关键词：汽车动力学;轮胎模型;数值建模;仿真中图分类号：U461．6文献标识码：A文章编号：1672－1616（2012）21－0033－05轮胎是汽车与地面相互作用的载体，汽车与地面的相互作用完全依靠弹性轮胎来实现，轮胎的结构参数和力学特性决定着汽车的主要性能，在任何整车动力学模型中，轮胎模型都是一个重要的部其精确程度必须与车辆模型的精度相匹配。汽分，

车轮胎模型大致可分为经验模型、半经验模型和理论模型3类

［1］

试验数据等），这就给全面真实地反映车辆动力学

行为和验证控制系统控制效果造成了一定的困难。因此，鉴于上述Gim理论轮胎模型所需实验数据少的优点，本文采用控制系统开发常用的Simulink软件来研究Gim模型的模块化建模方法与实现办法，其目的是能为车辆动力学仿真提供一种简便实用的轮胎模型，以满足理论分析及动态控制工作的研究需求。

。经验模型或半经验模型对特定轮

胎的计算精度高，但往往需要大量的由专业轮胎测试机构所给出的实验数据，因此通用性差，成本高，给其应用带来了极大的不便。目前广泛认可的有Pacejka提出的MagicFormula经验模型［2－3］和我国郭孔辉院士建立的描述轮胎6分力特性的统一

［4］

轮胎半经验模型。理化模型是根据轮胎的力学特性，通过对物理结构和形变机制的数学描述，来建立轮胎剪切力和回正力矩与相应参数的函数关系。最具代表性的轮胎纯理化模型是Gim模型，该模型具有公式简洁，不需要实验数据拟合，基本

［5－6］

。能体现轮胎力的特性趋势，通用性强的优点此外，该模型还具有在车轮大侧偏角运动时其计算

［7］

精度远远优于其他轮胎模型的特点。

在目前车辆动力学的研究中应用较多的仍是经验轮胎模型，但限于数据获取的难度或实验成本的限制，研究者所获得的实验数据通常很不完善（譬如缺乏不同的路面附着系数与不同载荷下的

收稿日期：2012－04－18

1Gim轮胎模型理论

Gim轮胎模型是以“相互作用弹簧”概念为基

础（设胎体为刚性），充气轮胎本身被认为是由一系列在径向、横向以及纵向传递力的三维弹性元件组成，其中每个三维弹性元件又由3个中心轴线相

［6］

互正交、相互作用、相互约束的弹簧组成。轮胎接触面长度与地面的接触面积可假设为矩形区域，

l与车轮自由半径r以及径向变形δ的关系为：r2=（l/2）

+（r－δ）2，δ由于r＞＞δ，所以有l=1．1轮胎理论滑移率特性

不考虑轮胎侧倾角，根据轮胎纵向力和横向力都

分别有制动和驱动2种形式，将纵向滑移率定义为：

ss=

{（v

（vx－vc）/vx＞0

（制动情况）（驱动情况）

－vc）/vc＜0

（1）

基金项目：天津市高等学校科技发展基金计划项目（20110405）；天津职业技术师范大学科研基金资助项目（KYQD11002）作者简介：杜

峰（1970－），男，河南西峡人，天津职业技术师范大学副教授，博士，主要研究方向为车辆动力学及控制。

2012年11月中国制造业信息化第41卷第21期34

式中：vc为轮胎的圆周速度；vx为车轮纵向速度。

将横向滑移率定义为：

sa=

接触区滚动－滑动临界点为：

Sn=

轮胎弹性变形的纵向临界滑移率为：

ssc=3μFz/Cs轮胎横向临界滑移率为：

sac=Cs

Ca分别为轮胎纵向式中：Fz为车轮法向载荷；Cs，

和横向刚度。

sc{（1－|s|）|tanα|

|tanα|

s（制动情况）

（2）

（驱动情况）

Csss）+（Casa）/3μFz（7）（8）（9）

vy式中：α为车轮侧偏角，定义α=arctan（vy/vx），

为车轮横向速度。

1．2轮胎与地面间的附着系数

－ss/Ca

轮胎与地面间的附着系数与轮胎表面相对地

面的滑移率有关。若同时考虑到纵向力和横向力的联合作用，定义车轮的合成附着系数μ为（如图1所示）：

μ=μ0（1－Assa）A=（1－μ1/μ0）/s1

ssa=

1．4

纵向力与横向力联合作用下轮胎力特性

（3）

轮胎模型力特性由纵向力特性（Fx－ss）、横向力特性（Fy－α）组成，当不考虑轮胎回正力矩特性时，轮胎与路面间的纵向力为：

Csssl2n+μxFz（1－3ln+2ln）（ss＜ssc）（10）Fx=

（ss≥ssc）μxFz

轮胎与路面间的横向力为：

式中：μ0为轮胎与路面的静态摩擦系数；A为附着系数缩减因子，由通过试验求得的2点摩擦系数（0，μ0）和（s1，μ1）

得出；ssa为反映轮胎纵向滑移、侧偏联合作用的合成滑移率。

{

Fy=

{μF

Casal2n+μyFz（1－3ln+2ln）（sas＜sac）

（sas≥sac）

（11）

2Gim轮胎模型的Simulink实现

目前汽车动力学模拟的方法主要有3种：人工计算机自动建模和图形建模。人工建模通过建模、

对汽车的力学分析来建立其运动微分方程组；计算

图1

合成滑移率

机建模利用专业的车辆动力学软件自动完成系统建模与计算工作；图形建模是一种混合建模方法，它首先对车辆进行力学分析，通过力学原理推导出汽车运动方程，而计算则采用专业的软件包，如Simulink等。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供了一个动态的系统建模、仿真和综合分析的集成环境，在动力学分析和控制系统的复杂仿真和设计中得到了广泛应用。

Gim轮胎模型的创建任务，就是利用Simulink中的模块库将前述的各项公式以系统框图（模块）的形式具体表达出来，最终形成的该轮胎模块又可作为Simulink模块库中的子模块被直接调用，这给车辆动力学的分析等带来了很大的方便性。图2即为所建立的轮胎模型，其包括4个不同的子系统，分别是滑移率子系统（slipratesubsystem）、临界滑移率子系统（criticalpointofslipratesubsys-tem）、路面附着系数子系统（attachmentcoefficientsubsystem）以及轮胎力子系统（tyreforcesubsys-tem）。从图2可以看出，总系统的输入是车轮的转动角速度ω、车轮线速度v、轮胎侧偏角（alpha）以

同时考虑到纵向力和横向力的综合作用时，利用摩擦圆概念可将合成附着系数μ对应于纵向力和横向力 …… 此处隐藏：6650字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……

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