第 1 章 绪论
1.1 课题的提出
汽车虚拟样机技术应用于产品开发是整车开发的发展趋势。虚拟样机动态仿真不仅可缩短产品开发周期、降低成本，还可避免极限工况实车试验的风险，是汽车行业具有革命性的重大进步。然而，虚拟样机技术在产品开发中取得广泛应用的关键，在于车辆动力学模型模拟逼真度。轮胎作为汽车的重要部件，是车身与路面连接的惟一单元。除空气作用力外，车辆所受到的所有外力几乎都来自于轮胎与路面的接触力。车辆的操纵稳定性、制动性、动力性、安全性等都和轮胎的力学特性密切相关。因此轮胎模型的精确度直接影响了车辆动力学模型的仿真精度。 传统模型在计算轮胎力时，未考虑轮辋和胎体的弹性连接，以轮心的速度估算轮胎接地印迹的速度，不能动态计算轮胎接地处的滑移情况，无法反映轮胎胎体弹性对力的传递的影响。因此，本文以动态计算轮胎滑移率为出发点，基于稳态轮胎模型，建立了考虑胎体动力学的动态车轮模型，模型要求计算效率高、可用于实时仿真。 在研究非水平路面上的车辆动力学特性时，精确的路面模型以及轮胎‐路面接触模型[1][2]，是仿真车辆模型动态变化的输入力的关键。本文在“新一代车辆动力学实时仿真平台的开发”项目对车辆动力学仿真系统建模要求的基础上，对宏观非水平路面进行了数学表达，并对轮胎与路面接触点的探测算法进行了研究，建立非水平路面模型，为非水平路面车辆动力学仿真提供了路面的信息。 非水平路面、动态车轮模型的建立，不仅是要实现仿真平台中车轮‐地面系统的建模，还对非稳态轮胎力学特性、非水平路面车辆动力学进行了相关研究。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 轮胎模型国内外研究现状
轮胎的力学特性对车辆动力学特性有着非常重要的影响。人们对轮胎力学特性的研究几乎是和对车辆的研究同时开始的。半个多世纪以来，世界各国学者在这一方面进行了不懈的研究，取得了丰富的成果。上世纪三十年代初，Bradley J 和 Allen R F 为研究汽车的动态特性开始了对轮胎特性的探索[3][10]。之后，经国内外学者的不断探索，先后出现了描述轮胎力学特性的各种类型轮胎模型。 轮胎模型主要包括与路面接触的胎面部分和轮胎内部结构。着重于对轮胎胎面表达和与路面接触情况研究的模型，主要有理论刷子模型、半经验模型和经验模型。
（1） 理论刷子模型 轮胎理论模型是在简化的轮胎物理基础上建立的对轮胎力学特性的一种数学描述，其中以刷子模型的应用最为广泛。 刷子模型是基于刚性胎体和弹性胎面假设的理论模型[4]，假设包括：轮胎的弹性全部集中于胎面可变形的刷子上；接地印迹长度为已知量且固定不变；印迹垂直压力分布已知；轮胎和路面之间为库仑摩擦。此模型主要用于操稳性分析，许多操稳性轮胎模型都是在此基础上推导出的，如假设接地压力为抛物线分布的 FIALA 模型[5]、假设接地压力均匀分布的 HSRI 模型等。
第 2 章 动态车轮模型的..................................... 11
2.1 车轮系统完备自由度建模 ........................ 11
2.2 动态车轮模型模块划分 ........................... 12
2.3 刚性环动力学的建立 ................................... 13
2.4 轮胎静力学的建立 ......................................... 16
2.5 应用于动态车轮模型的稳态插值........................ 22
第 3 章 非水平路面模型与路面..................................... 39
3.1 非水平路面模型的................................... 39
3.2 非水平路面的轮胎探测.................................... 49
3.3 本章小结 ......................................................... 50
第 4 章 非水平路面动态车轮模型的........................... 51
4.1 稳态轮胎力学特性仿真验证......................................... 51
4.2 车轮模型应用于整车模型的仿真验证 ...................... 53
4.3 非水平路面模型仿真验证 .............................................. 58
第 5 章 全文总结及展望
5.1 全文总结
本文以动态计算轮胎滑移率为出发点，基于稳态轮胎模型，建立了考虑胎体动力学的动态车轮模型；在“新一代车辆动力学实时仿真平台的开发”对非水平路面进行表达的要求下，建立了非水平路面模型。 动态车轮模型模型通过考虑胎体和轮辋之间的弹性连接并建立胎体六自由度方向的动力学，动态地计算出轮胎接地点的滑移情况，描述了轮胎非稳态工况下的力学特性。
其中，通过建立刚性环完备六自由度的动力学，动态地计算出了轮胎接地印迹的滑移情况；通过建立六向弹簧阻尼器模型，描述了胎体弹性的滤波效果；通过动静摩擦分离模型的建立使得模型可以仿真车辆低速区行驶和“Stand Still”等工况。在计算轮胎与路面的接触力时，建立了稳态插值轮胎模型。模型精度高，且不需要参数、应用方便。轮胎胎体六向刚度的确定方法，确保了模型参数的获取具有理论依据，通过研究悬架 K&C 试验数据对轮胎胎体六向刚度进行解算，获得了模型的参数，使得模型具有应用的现实意义。 关于对路面的表达，本文基于“S‐L”坐标系和存储路面信息的三表结构，将路面离散点划分网格，建立了对道路表面的描述方法，并研究了获取轮胎接地点的探测算法，从而建立了非水平路面模型。 模型的验证结果显示：非水平路面动态车轮模型不仅计算效率高，可用于车辆动力学实时仿真，而且对稳态轮胎力学特性的描述精度较高，对动态轮胎力学特性的描述效果较好，对路面的表达也具有较高的精度。
