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分析轮胎性能对汽车行驶的影学生：陈刚，机电与建筑工程学部指导老师：邢晓娟，工作单位：江汉大学文理学院摘要本文介绍了轮胎在汽车整车系统中的作用，分析轮胎性能对汽车行驶性能的影响。汽车的行驶性能（动力性能、燃料经济性、制动性能、操纵稳定性、平顺性等）与轮胎的路面附着性能、滚动阻力、侧偏特性、垂直特性、包封性、振动性等动态力学性能及结构和尺寸密切相关。轮胎性能与汽车性能合理分配，汽车的行驶性能好。关键词：轮胎性能 汽车的行驶性能 匹配目录一、轮胎简史.1二、轮胎作用及其分类.2 （一）轮胎的结构.3 （二）轮胎的作用.3 （三）按胎体中棉线的排列方向分.3 （四）按轮胎花纹分.4 （五）按轮胎气压分.4三、轮胎规格参数及表示方法4（一）轮胎高宽比 4 （二）轮胎负荷指数.4 （三）层级.4 四、轮胎对汽车性能的影响分析.4 （一）动力性能.4 （二）经济性能.5 （三）平顺性能.5 （四）操作稳定性能.5 （五）制动性能.6五、轮胎选用对汽车行驶的影响.6 （一）轮胎类型的选择.7 （二）轮胎花纹的选择.7 （三）轮胎尺寸和气压的选择.7六、轮胎与汽车性能的匹配分析.8七、轮胎异常磨损对汽车行驶的影响.9总结11参考文献11 第一章轮胎简史轮胎是汽车的重要部件之一，它直接与路面接触，和汽车悬架共同来缓和汽车行驶时所受到的冲击，保证汽车有良好的乘座舒适性和行驶平顺性；保证车轮和路面有良好的附着性，提高汽车的牵引性、制动性和通过性；承受着汽车的重量，轮胎在汽车上所起的重要作用越来越受到人们的重视。很早以前轮胎是用木头、铁等材料制成，第一个空心轮子是1845年英国人罗伯特汤姆逊发明的，他提出用压缩空气充入弹性囊，以缓和运动时的振动与冲击。尽管当时的轮胎是用皮革和涂胶帆布制成，然而这种轮胎已经显示出滚动阻力小的优点。根据这一原理，1888年约翰邓录普制成了橡胶空心轮胎，随后托马斯又制造了带有气门开关的橡胶空心轮胎，可惜的是因为内层没有帆布，而不能保持一定的断面形状和断面宽。1895年随着汽车的出现，充气轮胎得到广泛的发展，首批汽车轮胎样品是1895年在法国出现的，这是由平纹帆布制成的单管式轮胎，虽有胎面胶而无花纹。直到1908年至1912年间，轮胎才有了显著的变化，即胎面胶上有了提高使用性能的花纹，从而开拓了轮胎胎面花纹的历史，并增加了轮胎的断面宽度，允许采用较低的内压，以保证获得较好的缓冲性能。1892年英国的伯利密尔发明了帘布，1910年用于生产，这一成就除改进了轮胎质量，扩大了轮胎品种外，还使外胎具备了模制的可能性。随着对轮胎质量要求的提高，帘布质量也得到改进，棉帘布由人造丝代替，50年代末人造丝又被强力性能更好、耐热性能更高的尼龙、聚酯帘线所代替，而且钢丝帘线随着子午线轮胎的发展，具有很强的竞争力。1904年马特创造了炭黑补强橡胶，大规模用于补强胎面胶是在轮胎采用帘布之后，因为在这之前，帆布比胎面在轮胎使用中损坏得还要快，炭黑在胶料中的用量增长很快，30年代每100份生胶中使用的炭黑也不过20份左右，这时主要在胎面上采用炭黑，胎体不用，现在已达50份以上。胎面中掺用炭黑以前，轮胎大约只行驶6000km就磨光了，掺用炭黑后，轮胎的行驶里程很快就得到显著的提高。现在一组货车轮胎大约可行驶10万km，在好的路面上，甚至可达20万km。1913-1926年，因发明了帘线和炭黑轮胎技术，为轮胎工业发展奠定了基础。轮胎外缘的标准化，制造工艺的逐渐完善，生产速度比以前提高了，轮胎的产量与日俱增。随着汽车工业的发展，轮胎技术一直不断地改进与提高，如20年代初至30年代中期轿车胎由低压轮胎过渡到超低压轮胎；40年代 开始轮胎逐步向宽轮辋过渡；40年代末无内胎轮胎的出现；50年代末低断面轮胎问世等等。许多新技术的出现都莫过于1948年法国米西林公司首创的子午线结构轮胎，这种轮胎由于使用寿命和使用性能的显著提高，特别是在行驶中可以节省燃料，而被誉为轮胎工业的革命，在这里简略介绍一下当今发展的主要几种轮胎特征。子午线轮胎：这种轮胎的特点是帘布层帘线排列的方向与轮胎的子午断面一致(即胎冠角为零度)，由于帘线的这样排列，使帝线的强度能得到充分利用，子午线轮胎的帘布层数一般比普通的斜线胎约可减少4050。帘线在圆周方向只靠橡胶来联系。子午线轮胎与普通斜线胎相比，具有弹性大，耐磨性好，可使轮胎使用寿命提高3050，滚动阻力小，可降低汽车油耗8左右， 附着性能好，缓冲性能好，承载能力大，不易穿刺等优点。缺点是：胎侧易裂口，由于侧面变形大，导致汽车侧向稳定性差，制造技术要求及成本高。无内胎轮胎：无内胎轮胎与一般的轮胎不同之处在于没有内胎，空气直接压入外胎中，因此轮胎与轮辋间需有很好的密封。无内胎轮胎在外观上和结构上与有内胎轮胎近似，所不同的是无内胎轮胎内壁上附加了一层厚约23mm的专门用来封气的橡胶密封层，它是用硫化的方法粘附上去的，当轮胎穿孔后，由于其本身处于压缩状态而紧裹着穿刺物，故能长期不漏气，即使将穿刺物拔出，也能暂时保持胎内气压。无内胎轮胎胎圈上有若干道同心的环形槽，在胎内气压作用下，槽纹能可靠地使胎圈压紧在轮辋边缘上保证密封。安装无内胎轮胎的轮辋是不漏气的，它有着倾斜的底部和平匀的漆层。气门嘴直按固定在轮辋上，其间垫以密封用的橡胶衬垫。无内胎轮胎有气密性好，散热好，结构简单，质量轻等优点。缺点是途中修理较为困难。宽断面轮胎：随着汽车车速的提高，要求降低整车重心，改善操纵性能，这就要求提高轮胎的侧向稳定性和对路面的附着性能，以确保高速状态下的行车安全，这样低断面轮胎的出现就成为必然趋势。轮胎的断面高(H)与断面宽(的比值(H是代表轮胎结构特征的重要参数，称之为轮胎的高宽比，也有人称之为扁平比。从上世纪20年代开始，轿车轮胎的外径减小了25，轮辋直径减小了35，轮胎和轮辋的宽度增加了将近一倍，轮胎的高宽比不断减小，轿车达05，赛车达04，特别是宽宽的轮胎与高级轿车匹配，更为美观大方。 汽车轮胎生产发展的历史表明，前50年主要是解决如何提高轮胎的使用寿命问题，近年来，由于汽车制造和交通运输部门对轮胎的要求日益苛刻，轮胎研究的重点转到轮胎行驶性能、安全性能、舒适性能和经济性能上来，总之，轮胎的发展总趋势是“三化”，即子午线化、无内胎化、低断面化。目前，轿车轮胎已实现了这“三化”，货车轮胎正在向这个方面发展。 第二章轮胎的作用及其分类（一）轮胎的结构 轮胎的种类不同，其构造也略有差别。现代汽车绝大多数采用充气轮胎，充气轮胎根据组成结构又有有内胎轮胎和无内胎轮胎之分。 有内胎轮胎一般由外胎、内胎和垫带等部分组成，1外胎 外胎是用以保护内胎不受外来损伤和充入压缩空气后不致过分膨胀的外壳，是轮胎的主体，具有承担车重和变形，缓和汽车振动和冲击的作用，一般要求其具有较高的强度，并富有一定的弹性。轮胎外胎的一般构造包括胎冠和胎肩、胎侧、胎体（棉布层和缓冲层）和胎圈等部分，（1）胎冠为轮胎滚动时与地面的接触部分，上面刻有各种沟纹和窄槽，称为胎面花纹。直接承受汽车行驶时产生的冲击和磨损，并保证轮胎与路面间具有充足的附着力。 胎肩为厚度较大的胎冠与厚度较小的太侧的过渡部分，为提高该部分的散热和防滑能力，一般也刻有各种花纹。（2）胎侧是在胎体棉布层侧壁的薄橡胶层，其作用是保护轮胎侧面棉布层免受损伤。（3）胎体位于外胎的内侧，是外胎的骨架，由棉布层和缓冲层组成，其作用是承受负荷，保持轮胎外援尺寸和形状。（4）胎圈包括钢丝圈、棉布层包边和胎圈包边等部分。2内胎内胎是一个环形橡胶管，橡胶管内充满压缩空气，装入外胎后，使轮胎可保持一定内压，从而获得缓冲性能和承载能力。（3）胎垫胎垫放在内胎与轮辋之间，其作用是防止内胎被轮辋及外胎的胎圈擦伤和磨损，并能防止尘土、水侵入胎内。（二）轮胎的作用 轮胎是汽车上最重要的组成部件之一，它的作用主要有：支持车辆的全部重量，承受汽车的负荷；传送牵引和制动的扭力，保证车轮与路面的附着力；减轻和吸收汽车在行驶时的震动和冲击力，防止汽车零部件受到剧烈震动和早期损坏，适应车辆的高速性能并降低行驶时的噪音，保证行驶的安全性、操纵稳定性、舒适性和节能经济性。（三）按胎体中棉线的排列方向分汽车轮胎按胎体棉线排列方向不同，可分为普通斜交轮胎和子午线轮胎两种。（四）按轮胎花纹分汽车轮胎按胎面花纹不同，可分为普通花纹轮胎、越野花纹轮胎和混合花纹轮胎三种。（五）按轮胎气压分汽车轮胎按充气压力不同，可分为高压轮胎、低压轮胎、超低压轮胎和调压轮胎四种。第三章轮胎规格参数及表示方法（一）轮胎高宽比轮胎的高宽比是指轮胎断面高度H与轮胎断面宽度B的比值，又称扁平率。（二）轮胎负荷指数轮胎负荷指数是描述轮胎在最高速度、最大充气压等规定条件下负荷能力的参数，以数字表示。(三)层级轮胎层级是描述轮胎负荷能力的相对指数，用PR表示，主要用于区别尺寸相同但结构和承载能力不同的轮胎。第四章轮胎对汽车性能的影响分析（一）动力性能动力性能是汽车行驶的首要的行驶性能，汽车必须通过轮胎与地面接触来获得足够的牵引力才能克服各种行驶阻力, 必须达到一定的速度才能正常行驶,而汽车克服行驶阻力和保持正常行驶的能力取决于汽车的动力性能。确定汽车动力性，就是确定汽车沿行驶方向的运动状态。为此，需要掌握汽车行驶方向作用于汽车的各种外力，即驱动力与行驶阻力。而轮胎与行驶阻力中的滚动阻力密切相关。车轮滚动时，轮胎与路面的接触区域产生法向、切向的相互作用力以及相应的轮胎和支承路面的变形。轮胎和支撑面的相对刚度决定了变形的特点。当弹性轮胎在硬路面上滚动时，轮胎的变形是主要的，使轮胎产生弹性迟滞损失。轮胎的结构、棉线和橡胶的品种，对滚动阻力都有影响。同时轮胎气压低时，滚动的轮胎变形大，迟滞损失增加。子午线轮胎的滚动阻力系数较低。轮胎与路面的附着性能、轮胎的速度性能及滚动阻力是影响汽车动力性能的主要因素，轮胎的附着性能直接影响汽车的驱动、加速和减速性能，配用附着性能好的轮胎有利于提高汽车的加速性能。（二）经济性能轮胎的滚动阻力是影响汽车经济性能的主要因素之一。统计表明，在发达国家，汽车的燃料消耗量约占总燃料消耗量的25%，而轮胎克服滚动阻力的燃料消耗量约占汽车燃料消耗量的20%，故即使轮胎的燃料消耗量稍有减少，对国家总燃料消耗量的减少也是一个很大的贡献。滚动阻力使轮胎在行驶过程中与路面接触发生变形而产生的阻碍轮胎滚动的力。轮胎的滚动阻力越大，汽车驱动时输出的驱动力矩也越大，这样才能使轮胎的受力趋于平衡或使轮胎产生加速度，但这必然会导致汽车燃油消耗量增大。在相同条件下，不同轮胎产生的滚动阻力不同。为了降低汽车的运输成本，要求汽车以尽可能小的燃料消耗量完成尽可能大的运输量。汽车以最小燃料消耗量完成单位运输工作量的能力称为燃料经济性，评价指标为每行驶100Km消耗的燃料量。汽车的燃料经济性与发动机的效率和轮胎的滚动阻力密切相关。（三）平顺性能轮胎的均匀性、振动性、包封性及汽车悬架系统的刚度、柔度是影响汽车行驶平顺性的主要因素。轮胎的均匀性、振动性和包封性差会导致汽车行驶，尤其是在不平路面上行驶时不稳或颠簸，即汽车的乘坐舒适性。可以看出，提高汽车的行驶性能必须注重轮胎性能与汽车性能的协同配合，轮胎的研究、开发与汽车的性能要求密切相关。汽车在行驶过程中会因路面不平产生振动，是乘客感到疲劳、不适或货物损坏，一般通过降低车速来避免或减少这种现象发生。同时，振动还会影响汽车的使用寿命。汽车在行驶过程中对路面不平产生的振动减震能力成为汽车的行驶平顺性。客车和轿车采用“舒适降低界限速度”作为评价汽车行驶平顺性的指标。当汽车行驶速度超过此界限时，乘坐舒适性就会降低，使人感到疲劳、不舒服。货车采用“疲劳2低工效界线速度”作为评价汽车行驶平顺性的指标。这两个界限值越高，说明汽车的行驶平顺性越好。汽车车身的固有振动频率也可作为行驶平顺性的指标。从舒适性出发，车身的固有振动频率在600850Hz的范围内较好。高速汽车，尤其是轿车要求具有优良的平顺性。轮胎弹性好、悬挂装置性能优异、座椅减震性能好及非悬挂装置质量小都可以提高汽车的行驶平顺性。（四）操作稳定性能 汽车通过操纵系来操纵轮胎。轮胎的侧偏特性（主要指侧偏力、回正力矩和侧偏角的相关性）是轮胎重要的力学性能，直接影响汽车的操纵稳定性。轮胎侧偏特性可以解决汽车转向不足或过大的问题。 操纵性是指汽车对驾驶员转向指令的响应能力，直接影响行车安全。轮胎的气压和弹性、悬挂装置的刚度以及汽车重心的位置都是该性能重要的影响因素。汽车装载超高、超载、偏载、转弯时车速过快，在横向坡道角度过大的路面上行驶及受其它侧向力是容易发生侧滑或者侧翻。汽车的操纵稳定行驶汽车受外界扰动后恢复原来运动状态的能力及抵御发生倾覆和侧滑的能力。侧向操纵稳定性对汽车来说尤其重要，合适的前轮定位角度使汽车具有自动回正和保持直线行驶的能力，提高了汽车直线形式的稳定性。汽车重心低，操纵稳定性越好。（五）制动性能 轮胎的滑动摩擦性能对汽车制动性能影响很大。显然，汽车的制动性能与轮胎与路面的摩擦力密切相关，而轮胎与路面的摩擦力取决于与路面的接触状况。轮胎与路面的摩擦力过小，会导致制动性能下降。 因此，汽车的地面制动力首先取决于制动器制动力，但同时也受地面附着条件的限制，所以只有汽车具有足够的制动器制动力，同时地面又能提供高的附着力，才能获得足够的地面制动力。而轮胎与汽车获得附着力有着密切关系。 轮胎的结构、胎面花纹、材料影响着附着系数的数值。子午线轮胎比一般轮胎附着系数要高；随着轮胎花纹深度的减小，它的附着系数显著下降；同时增大轮胎与地面的接触面会提高附着能力。 汽车行驶性能与轮胎性能之间的主要制约关系为：汽车的动力性能与轮胎与路面的附着性能、压力分布和轮胎的滚动阻力等密切相关；汽车的燃料经济性与轮胎的滚动阻力关系较大；汽车的制动性能主要取决于轮胎与路面的摩擦因数，尤其是最大静摩擦因数；汽车的操纵稳定性与轮胎的侧偏特性关系最大，与轮胎与路面的压力分布和轮胎的垂直特性等有很大关系；汽车的行驶平顺性与轮胎的均匀性、振动性、包封性和垂直特性关系较大，高速行驶时轮胎的驻波特性也是影响汽车行驶平顺性之一。第五章轮胎选用对汽车行驶的影响（一）轮胎类型的选择 轮胎类型主要依据汽车类型和行驶条件来选择。货车普遍采用高强度尼龙棉布轮胎，以提高轮胎的承载能力；越野车选用胎面宽、直径大的超低压胎，轿车易采用直径小的宽轮辋低压胎，以提高 行驶稳定性。由于子午线轮胎滚动阻力系数小，可减少燃油消耗，因而优异选择。（二）轮胎花纹的选择 轮胎花纹主要依据道路条件、行驶速度、道路远近来选择。高速行驶汽车不宜采用加深花纹和横向花纹的轮胎，不然会因过分生热引起早期损坏。低速行驶汽车应采用加深花纹和超深花纹的轮胎 ，可以提高轮胎使用寿命。（三）轮胎尺寸和气压的选择 轮胎尺寸和气压主要根据汽车承受载荷情况和行驶速度来选择。所选轮胎承受的静载荷值应等于或接近于轮胎的额定负荷。值得注意的是，在设定轮胎的实际使用气压时，应综合考虑汽车的运动性能、燃油经济性及振动和噪声等因素。第六章轮胎与汽车性能的匹配分析由于市场对汽车行驶性能要求逐步提高,相应地对轮胎性能要求也不断提高。对轮胎性能的评价已不只停留在对其基本性能的评价上，而更多地转移到对轮胎匹配的汽车各项行驶性能的评价上。因此，对轮胎与汽车性能匹配的研究既是一个新的课题,又是一个亟待解决、意义重大的课题。从汽车、轮胎力学行为分析得出，汽车表现出的各项行驶性能最终取决于路面对其的激励,而这种激励又是借助于轮胎与路面之间的相互用表现出来的。如果没有合适的轮胎匹配，汽车良好的性能也发挥不出来。轮胎与汽车性能匹配，在汽车方面,有赖于汽车的传动系统、转向系统和悬架系统;在轮胎方面,有赖于轮胎本身所固有的刚性系统和性能。影响轮胎与汽车性能匹配的因素之间存在着直接或间接的联系及制约关系，这些因素及相关条件构成了一个紧密联系的系统,即对某一性能或因素的研究往往会涉及其它许多因素,且这些因素之间还可能存在矛盾。对轮胎与汽车性能匹配的研究就是要寻求这些因素与轮胎性能、汽车行驶性能之间相互作用的关系。轮胎与汽车性能匹配研究的关键在于“匹配”, 轮胎性能与汽车性能的匹配是轮胎性能与汽车系统性能的合理配合，不同的汽车应选用不同性能的轮胎。同一条轮胎安装在不同车辆上可能会表现出截然不同的动态力学性能，而同一辆车上装配不同规格，甚至是相同规格、不同品牌的轮胎也会表现出不同的行驶性能，因而轮胎与汽车性能匹配的研究是一个综合诸多方面因素的复杂系统总成。第七章轮胎异常磨损对汽车行驶的影响汽车轮胎是车辆的重要组成部分，关系到汽车的使用性能和行驶安全。在汽车的运行过程中要特别注意预防轮胎的早期磨损，防止轮胎的不正常损坏。正确合理地使用汽车轮胎，可以有效地延长轮胎的使用寿命。但是，由于操作使用不当和保养检修不及时，将导致轮胎产生羽状磨损、凹形磨损、轮胎肩部磨损、单侧磨损等异常损伤，直接影响汽车的技术性能和经济性，甚至由于轮胎的非正常损伤而造成严重的行车事故。(1)对安全性的影响：轮胎磨损过剩会导致爆胎。爆胎轻者会使车辆失去正常的行驶状态，方向失去控制，严重时将会出现车辆完全失控、甩尾、掉头。针对爆裂的轮胎所在位置不同，爆胎的后果也自不同。如果是后轮的轮胎爆裂，车辆的尾部就会摇摆不定、颠簸不已。而如果是前轮的轮胎爆裂，则会严重影响驾驶者对方向盘的控制。如果发生爆胎，要尽量保持冷静，不能急打方向，或者急踩刹车，否则会酿成侧