UniTire与Magic Formula稳态模型的对比研究

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汽车轮胎模型比较

设计 计算 研究

UniTire与MagicFormula稳态模型的对比研究冰

袁忠诚

(吉林大学

郭孔辉

汽车动态模拟国家重点实验室)

【摘要】荷兰学者Paeejka提出的魔术公式MagicFormula和我国郭孑L辉教授提出的统一轮胎模型uniTire在汽车操纵动力学研究中得到了广泛的应用。通过对这两种模型建模机理的对比表明,UniTire轮胎模型比Magic

For—

mula模型具有更强的理论基础;通过试验数据辨识模型参数对比两种模型的全局辨识精度以及预测精度的结果表明,UniTire轮胎模型的全局辨识精度略高于MagicFormula模型,而且明显具有更高的预测能力。

主题词:车辆工程轮胎模型预测能力中图分类号:U461

文献标识码:A文章编号:1000—3703(2006)02—0007—04

Study

on

Comparative

andthe

theUniTire

Model

MagicFormulaModel

YuanZhongcheng,LuDang,GuoKonghui

(TheStateKeyLabofAutmotiveDynamicSimulation,JilinUniversity)

【Abstract]The

lessorGuoKonghuithe

two

magicformulapresentby

widelyused

Dr.Paeejka,Netherlands,and

theunitedtire

modelUniTirepresentbypro—

are

invehiclehandlingdynamicsstudies.BycomparisonoftheirmodelingmechanismofUniTiremodelhasstrongertheoreticalbasisthantheMagic

tiremodels,itisshownthat

Formula

model;bycon—

accn-

shownthattheglobalidentification

parisonoftheirglobalidentificationaccuracyandtheirpredicationaccuracy,itisracyoftheUniTiremodelispredicationcapability.

slightlyhigherthanthatoftheMagic

Formula

andtheUniTiremodelhasobviouslygreater

Keywords:Vehicleengineering,Tiremodel,Predicationcapability

随着大型多体系统动力学软件在车辆动力学仿真中的不断应用,虚拟原形技术提高r车辆动力学的仿真精度,同时对轮胎力学特性的研究提出了更高的要求。精确描述和深入研究轮胎力学特性,必须建立轮胎力学模型。一般来说,轮胎力学模型分为三类:理论模型、经验模型和半经验模型。理论模型是在轮胎物理结构和变形机理研究的基础上,对轮胎力和力矩的数学描述。由于轮胎是复合材料的大变形变接触的弹性体,精确的理论建模相当困难,而过分简化的理论建模又难以获得必要的精度,因此理论模型只是作为定性分析的工具和半经验模型的基础。经验模型直接从轮胎数据得来,与试验结果吻合很好,应用方便,但是由于缺乏理论基础,模型的精度和外推性较差。半经验模型结合了两类模型的优点,在理论研究和试验分析的基础上进行建模。充分满足边界条件的半经验模型不仅精度高、外推性好,而且可以描述轮胎的一些基本物理和结构特性,与试验数据吻合得很好…。统一轮胎模型UniTire和魔

术公式MagicFormula是两种应用广泛的轮胎半经验模型。

1建模机理简介

1.1

MagicFormula建模机理简介本文采用MF—Tyre

Version

5.2[2],简称MF。MF

是基于轮胎物理原形的一套数学表达式,用来精确描述稳态条件下的轮胎六分力。轮胎模型的输入为纵向滑移率K、侧偏角理、侧倾角y和垂直载荷E。对给定载荷和侧倾角,公式的基本形式为[3]:Y(x)=Dsin{Carctan[Bx—E(Bx—arctan(Bx))]}(1)

y(X).y(石)+Sy

x=X+S扦

(2)

式中,l,为纵向力或侧向力;X为输入变量tana或K。对于给定的D、C、B和E,曲线相对于原点表现为非对称形状。为了使曲线相对于原点产生一个偏移量,引入水平偏移SⅣ和垂直偏移Js。。其中D为峰值因子;C为形状因子;BCD代表原点处的斜率;在D和C一定的情况下,B决定了原点处的斜率,所以曰

+基金项目:国际科技合作重点项E1计划项目(2003AA501950);国家自然科学基金资助项目(50175044);美国通用汽车公司北美研究与发展中心合作项目。

2006年第2期

万方数据 

一7一

汽车轮胎模型比较

叫做刚度因子;E为曲率因子。

回正力矩尬可以表示为侧向力E和气胎拖矩

t的乘积再加上残余回正力矩心:

M==-t F—M。r

t31

气胎拖矩t表示为:

t(d。)=D。COS{C,arctan[B。a。一E(E理。一arctan(B理。))]t

(4)

d。=tana+s胁(5)

气胎拖矩t在tana=一S拙处取峰值日,Df为峰值因子;e为形状因子;B影响峰值附近的曲率;蜀影响大滑移率下的曲线形状。

为了描述联合工况下轮胎纵向力和侧向力特性,MF引入权函数G,用它乘以纯工况公式(1)就可以表达纵向滑移率K对侧向力和侧偏角d对纵向力之间的交互影响。权函数G的基本表达形式为:

G=Dcos[Carctan(Bx)]

(6)

当纯工况时,权函数G取值为1。

1.2

UniTire建模机理简介

UniTire轮胎模型是郭孑L辉教授提出的参数少、

形式简洁且满足高阶理论边界条件的半经验轮胎模型…。UniTire模型以轮胎刷子模型为基础,在符合摩擦椭圆概念[53的假设条件下,通过E指数形式㈣来精确描述轮胎六分力。

定义纵向和侧向滑移率S和.s,为:

s。:羔:黑誊Sx∈(~,+叫(7)“。一fl尺。一flR。

‘、一’。一7

、’7

s:警:羔S,∈(~,+∞)

“)一Q霆,一Q只。

,‘、一’。一7

(8)

、”7

定义纵向、侧向和总无量纲滑移率西,、中,和多为:

bx-筹肛。,

、’

呤咎

(10)

多:、/多:+多:

(11)

定义无量纲剪应力虿。、巩和虿为:

弘斋(12)驴斋

(”)

虿2去

(14)

假设无量纲剪应力具有以下形式:

虿2=虿气+虿’1。

(15)

很明显,这个假设与摩擦椭圆概念相一致,纵向、侧

一8一

万 

方数据向和总犀撩系数p,、舻,和p的关系为:

肛=\/(肛。告1+2(肛,軎)‘

( 6)

定义无量纲纵向、侧向和总切力或、瓦和硝:

疋2寿(17)E2奇(18)

忙寺

(19)

假设滑移区剪应力方向与附着区相同,得到:

旦Fy=凳=器Cd-t

(20)、厶u

一qy—

由总切力:

FZ=F:+F:

(21)

推导得到:

瓦=略

(22)碚哮

(23)

FZ=F—Z+F一2

(24)

公式(20)是在滑移区剪应力方向与附着区剪应力方向相同的假设条件下得到的,这对纵滑刚度和侧偏刚度接近的情况适用。但在大多数情况下,纵滑刚度和侧偏刚度不同,这就使得在联合工况下的半经验模型出现偏差,因此引入修正因子A,则无量纲

纵向力或和侧向力瓦可以表示为:

瓦=勺蔫

(25)碚勺赢簧嚣

(26)

定义修正因子A:

‘心+(舍一l1i

(27)当小滑移工况下,乃。毒=器

(28)当大滑移工况下,乃1,等=&Sx

(29)

无量纲总切力芦的E指数形式可以表示为:

肚l—exp(一函一E多2一(E2+圣r)西3)

(30)

式中,E为曲率因子。

UniTire的动摩擦系数采用修正的SavkoorET]形

式,可以表示为:

肛产肘c肛。.砧.exp{拼山矛【1鲁1+exp㈠鲁…)

汽车裢

汽车轮胎模型比较

(31)

式中,肛。、肛,、h和秽提某一种轮胎在某一种路面上的

动摩擦特性参数。

气胎拖臂眈的E指数形式可以表示为:Dx=(Dxo+De) seth[Dl多一D2(痧一tanhq))卜D。(32)式中,D妯、D。、D。和D:为绒的4个结构参数。

由上面对两种模型的介绍可知,MF轮胎模型更接近经验模型,而UniTire轮胎模型是从刷子模型推导出的满足高阶理论边界条件的半经验模型。从摩擦特性的分析来看,MF仍采用常摩擦系数,但实际上,摩擦系数应是随轮胎相对路面的滑移速度变化而变化的动摩擦系数。

2轮胎试验

本文采用TNO

60

km/h试验数据对两种模型

进行验证。试验内容为稳态条件下干路面上的力和力矩特性,包括不同载荷和不同侧倾角下的纯侧偏、纯纵滑和联合工况的试验数据。轮胎型号为:

Goodyear

Wrangler

ST

245/75R16。试验工况见表1。

表1

TN060km/h试验数据内容

纯侧偏工况3个垂直载荷/kN

2,4,6纯侧偏侧偏角/(o)一18~18

侧倾角/(。)-20,一15,-10,一5,0,5

(18个试验)

纵向滑移率K/%0(纯滚动)

1个试验速度/km h。1

60

纯纵滑工况3个垂直载荷/kN

2,4,6侧偏角/(。)O纯制动侧倾角/(。)O

(3个试验)

纵向滑移率K/%0~100(纯滚动)

1个试验速度/km h。1

60

侧偏和纵滑联合工况

利用所有的试验数据辨识Uniqlitv与MF的参数,即全局辨识方法,简称GLOB。图l、勺采用全局辨识方法所得UniTire与MF的残差结果比较,所使用的评价指标为㈣:

r/4

]/r/n

峪[yi,im--y一|川川i;Iy圳加j(33)

式中,%。是轮胎模型计算值,‰。是轮胎试验数据,

2006年第2期

万 

方数据羹芝一

jd

R尽晷

侧偏角Ⅱ/(。)

图2侧倾角为O。的纯侧偏工况UniTire与MF侧向力对比

鼎杂

目固

侧偏角Ⅱ/(。)

图3

侧倾角为0。的纯侧偏工况UniTire与MF回正力矩对比

纵向滑移率

图4使用GLOB侧偏角5。和侧倾角一10。下UniTire

与MF的纵向力、侧向力结果比较

一9一

3全局辨识结果比较

n是每种载荷下轮胎试验数据点的个数。

汽车轮胎模型比较

.g

震厦星

‘R

厦悉

纵向滑移率纵向滑移率

图7

图5使用GLOB侧偏角8。和侧倾角一10。下UniTire

与MF的纵向力、侧向力结果比较

UniTire与MF的纵向力、侧向力结果比较

4预测能力比较

由UniTire的建模机理可知,UniTire轮胎模型具有较好的预测能力。由部分联合工况试验数据辨识得到参数可以预测其它试验工况的试验结果,这种部分联合工况试验数据辨识方法简称PART。

本文采用0。、5。侧偏角(包含这个侧偏角下的所有侧倾角和载荷)的联合工况试验数据,辨识UniTire和MF参数,对比两种模型的预测能力。

图6为采用PART辨识方法,UniTire与MF预测结果的残差比较,评价指标采用公式(33)。图7、图8为联合工况UniTire与MF的纵向力和侧向力

嚣碧

皿皤】

纵向滑移率

图8

UniTire与MF的纵向力、侧向力结果比较∞

∞∞加

的预测结果比较。可以看出,采用PART辨识方法,

MF模型的侧向力预测结果出现较大偏差,而UniTire模型的预测精度明显高于MF模型。

353025

骧骚甜

{亘

图9GLOB和PART辨识方法所使用的数据量对比

结束语

a.UniTire轮胎模型比MF模型具有更强的理

誉20

鼷15

10

论基础。

b.

使用全局辨识方法,UniTire模型全局辨识

精度略高于MF模型。

!!

图6

竺:II墨苎墨

联合工况

:!!:

c.使用部分联合工况较少试验数据辨识方法进行辨识与预测,UniTire模型具有明显更高的预测精度。

纯侧偏工况

UniTire与MF对TNO60km h。

所有试验数据的残差比较

考文献

由于轮胎建模所需的试验工作量非常大,因此如何减少试验工作量,用较少的联合工况试验数据

任雷.复杂工况下的轮胎非稳态侧偏特性研究:[学位论文].长春:吉林工业大学,2000,6.

进行建模辨识并预测未试验工况就显得十分重要。

图9为全局辨识方法和部分联合工况试验数据辨识方法所使用的数据量对比。从而可知,使用UniTire模型进行预测可以采用较少的试验数据。

23

DelftTyreModelsUsersManual.2002

PacejkaHB.TyreandVehicleDynamics.Butterworth-Heine—

mann,2002,198—2024

GuoKH,RenL.AUnifiedSemi—EmpiricalTireModelwithHi—gherAccuracyandLessParameters.SAETechnicalPaperSe—ries,1999-01-0785:37-44

一10一

万方数据 

汽车技术

汽车轮胎模型比较

汽车空调整车环境模拟系统的仿真

张行周

马重芳

(北京工业大学)

【摘要】建立了汽车空调整车环境模拟系统的数学模型,并在MATLAB/SIMULINK软件平台上开发了汽车空调整车环境模拟系统的仿真模块库。简单介绍了所开发的仿真模块库,并用此仿真模块库对某汽车空调整车环模系统进行了仿真研究。与试验结果对比表明,所开发的仿真模块库具有很高的仿真精度。

主题词:空调环境模拟MATLAB仿真

中图分类号:U467.5+25文献标识码:A文章编号:1000—3703(2006)02—0011—06

’Simulation

ofthefor

CompleteVehicleClimateSimulatingSystemAutomotiveAir-ConditioningSystem

ZhangXingzhou,MaChongfang

(Beijing

【Abstract】Mathematic

system

was

IndustryUniversity)

systemforautomotive

air—conditioning

was

modelofthecomplete

vehicleclimatesimulating

on

created,anditssimulationmodulelibrarybasedtheMATLAB/SIMULINKsoftwareplatform

developed.

Thedevelopedsimulation

modulelibraryissimplyintroduced.Thesimulationmodulelibrarywasusedinsimulationofthe

completevehicleclimatesimulatingsystemofdevelopedsimulationmodule

car.Compariedwith

test

resultsitindicatesthatsimulationaccuracyofthe

libraryisveryhigh.

Keywords:Air—conditioning,Climatesimulating,MATLAB,Simulation

1概述

汽车空调运行条件十分苛刻,为了验证汽车空调的性能,需要进行装车后的整车性能试验。由于野外整车试验具有很大的局限性,费用昂贵,每年试验次数有限,不能复现环境条件,不确定性因素对试验结果影响较大,试验结果的可比性差,因此需要在环境模拟系统中进行汽车空调的整车环境模拟试验。在此种环境模拟系统中,不管地点和季节如何,均可复现或按严酷的环境条件进行各种试验。汽车空调整车环境模拟系统能够模拟雨、阳光、振动、冷热负荷、高低气压和行驶速度等。

利用计算机仿真技术对汽车空调整车环境模拟系统设计方案及设备选型进行优化研究,可以为汽车空调整车环境模拟系统的设计和建设提供依据和指导原则。

本文建立了汽车空调整车环境模拟系统的数学

5郭孔辉.各向摩擦系数不同条件下轮胎力学特性的统一理

论模型.中国机械工程,1996,(4):90-93.

6郭孔辉.汽车操纵动力学.长春:吉林科学技术出版社,

1991.7

SavkoorAR.SomeAspectsofFrictionandsingFromDeformations,Slip

模型,并在MATLAB/SIMULINK软件平台上开发了汽车空调整车环境模拟系统的仿真模块库,并且进行了某系统静、动态特性的仿真研究。

2数学模型

2.1

温度模拟子系统数学模型

试验室内风机对气体做功转化的热量、汽车发

动机散热、底盘测功机散热、太阳辐照模拟器散热、照明热量以及电动设备的散热是室内的热源。在稳定状态下,由于环境模拟系统的围护结构装有隔热层,当室温高于外界环境温度时,通过围护结构的散热量远小于室内热源的发热量,因此不论环模室的温度高于还是低于外界环境温度,为了保持设定的温度,都需要制冷,即需有冷却设备。室内产生的热量由组合式空调机组的表冷器吸收。室内电加热器用于环境温度较低、室内发热量较小时补充热量的不足(升温阶段),其发热功率由可控硅调功器控制。

ct.Wear,9,1966:66~78.

BesselinkIJ

M。Paeejka

HB,SchmeitzAJC,andeta1.TheSWI—

FTTyreModel:OverviewandApplications.AVEC’04,(2004)

525~530.

Wear

ofTyresAri—(责任编辑付蓉)

修改稿收到13期为2005年1月15日。

andStresses

at

theGroundCona一

2006年第2期

万方数据 

一ll—

本文来源:https://www.bwwdw.com/article/ilm4.html

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