【汽车技术】轮胎的侧偏特性解析.ppt

轮胎侧偏特性侧偏力、回正力矩与侧偏角的关系；本节基本内容：1.轮胎坐标系；2.轮胎的侧偏现象、侧偏力-侧偏角关系；3.侧偏特性的影响因素（结构、工作条件）；4.轮胎回正力矩的产生、回正力矩-侧偏角关系；5.有外倾角时轮胎的侧偏特性；,轮胎的侧偏特性,一、轮胎坐标系-ISO轮胎坐标系,正TZ-回正力矩,正TX,正TY,x,z,y,车轮旋转轴线,车轮平面,正地面切向反作用力FX,正地面法向反作用力FZ,正地面侧向反作用力FY,正外倾角,问题1：车轮行驶方向为什么会偏离X轴？侧偏角是否位于指向的一侧？,车轮中心沿轴作用有侧向力Fy，地面对轮胎的侧向反力FY称为侧偏力。侧偏力FY因转向、路面倾斜、侧风等引起。转向引起的侧偏力总是指向汽车转弯的内侧。,二、轮胎的侧偏现象,、侧偏力,只有当侧向力大于（或等于）车轮与路面间的侧向附着极限时，车轮的运动方向才会改变。,u,c,c,u,c,c,a、刚性轮胎:,1)当车轮静止不滚动，轮胎发生侧向变形，车轮印迹中心线a-a与车轮平面c-c平行，错开h。,2)当车轮滚动时，车轮印迹中心连线a-a线不再平行于车轮平面c-c,而是呈一定夹角,即侧偏角。,b、弹性轮胎,问题2：侧偏角如何产生？,2、侧偏现象,因轮胎侧向弹性，车轮受侧偏力(即使没有达到附着极限)的作用使车轮行驶方向偏离车轮平面的现象，称为轮胎的侧偏现象。,问题3：侧偏力与侧偏角之间的因果关系？,因果关系：侧偏力引起侧偏角，而非侧偏角的存在产生侧偏力。,注意：侧偏角和侧偏力指向。,注意：侧偏角总是位于和侧偏力指向相反的一侧。,问题1：车轮行驶方向为什么会偏离X轴？侧偏角是否位于指向的一侧？,三、侧偏力侧偏角关系曲线,在侧偏角5时，侧偏力和侧偏角近似成线性关系，此时，式中，称为侧偏刚度（N/rad或N/）,为曲线在处的斜率。按轮胎坐标系，侧偏力和侧偏角总是反号，故侧偏刚度总是负值。,FY一定时希望侧偏角越小越好，所以|k|越大越好。,FY曲线,在侧偏力FY作用下对应一侧偏角；随着侧偏力的增大，侧偏角也相应增大；在汽车加速度0.4g，不超过4-5时，FY与近似呈线性关系,严格地讲，轮胎弹性是非线性的，只有在小侧偏角范围内，可认为是线性的。在较大侧偏力时，侧偏角继续以较大速率增加，即曲线的斜率减小，轮胎发生部分侧滑；最后侧偏力达到附着极限，此时整个轮胎轮会发生侧滑，也称轮胎特性进入非线性饱和状态。轮胎的最大侧偏力取决于附着条件（垂直载荷、轮胎结构、路面情况等），越大极限行驶性能越好！,侧偏力-侧偏角关系曲线有以下特点：,结论弹性轮胎在侧向力作用下滚动时存在侧偏现象；作用在车轮上的侧向力和侧偏力大小相等、方向相反，但力的作用点不同；弹性轮胎的侧偏特性在小侧偏角范围内可认为是线性变化的；正的侧偏力产生负的侧偏角；明确因果关系：侧偏力引起侧偏角，而非侧偏角的存在产生侧偏力。,四、轮胎结构、工作条件对侧偏特性的影响,有助于后续学习中分析汽车稳态转向特性的变化,1.轮胎形式和结构参数对侧偏特性的影响,a.同尺寸的子午线轮胎比斜交轮胎侧偏刚度高；b.扁平率或高宽比（断面高/断面宽）小的轮胎侧偏刚度大；,大尺寸轮胎,子午线轮胎,斜交轮胎,钢丝子午线轮胎,尼龙子午线轮胎,侧偏刚度大,侧偏刚度小,轮胎断面宽度(mm),一些车型轮胎的型号及扁平率,轮辋直径(inch),扁平率越小,侧偏刚度k越大,垂直载荷越大，k越大，但垂直载荷过大，k反而有所减小。,2.轮胎垂直载荷对侧偏特性的影响,FY一定时，W大，小。FY=，即k大。,垂直载荷大，k大,一定时，W大，FY大。FY=，即k大。,垂直载荷过大时，轮胎与地面接触区的压力分布不均匀，使k反而有所减小。,垂直载荷大，k大,胎压大，侧偏刚度大，但胎压太大侧偏刚度基本不变；,3.轮胎胎压对侧偏特性的影响,发飘现象汽车行驶时方向不稳定,轮胎抓地能力显著下降的一种不稳定现象.汽车发飘的内因是轮胎的侧偏特性。在侧向力作用下，轮胎发生侧偏现象，汽车受到的侧向力越大、或轮胎的侧偏刚度越小，侧偏现象就越严重。提高轮胎侧偏刚度有助于减小汽车发飘。,解释发飘现象,FY=,超车时两车之间的气流通道变窄，流速增大。根据伯努利原理，这里的气压减小，两车之间就产生吸力。两车横向间距越小，吸力就越大。从右图可知，在超过大车车头的前后一段时间内，小车横摆力矩系数变化剧烈，气流的变化使这种吸力不稳定，小车会左右摇晃，方向易失稳。所以大风时高速超大车是相当危险的。,超车时的发飘现象,汽车从隧道、山谷驶出的瞬间，风速常达到周围风速的十倍以上。在山区、海边、河边也容易受到突如其来的强侧风袭击。急剧变化的气流容易使汽车方向不稳，甚至失控。侧向面积大的车，如面包车、大客车等容易受到侧向风力的影响。为防止汽车发飘诱发车祸，在大风时应控制车速。,其它情况下的发飘现象,1.宽胎比窄胎有利于提高侧偏刚度。因此，使用宽胎的汽车发飘较小；2.轮胎载荷越小，侧偏刚度越小。因此轻车比重车更容易发飘；3.轮胎侧偏刚度还和空气气流对汽车的升力作用有关。车速越高，升力越大，轮胎载荷越小，侧偏刚度就越小。因此汽车高速比低速下更容易发飘。加了尾翼的车能减少升力，有助于减小高速下的发飘现象。4.轮胎气压越低，侧偏刚度越小，汽车就越容易发飘。,发飘现象的影响因素,4.地面切向反作用力对侧偏特性的影响,附着椭圆确定了在一定附着条件下切向力与侧偏力合力的极限值。,4.地面切向反作用力对侧偏特性的影响,附着椭圆,5.路面条件,路面越湿，轮胎最大侧偏力越小；,侧向力系数,6.滑水现象,路面有薄水层，轮胎可能会完全失去侧偏力，这称为“滑水现象”。,轮胎胎面、路面粗糙程度、水层厚度与滑水现象的关系,五、回正力矩,轮胎发生侧偏时，会产生作用于轮胎绕OZ轴的力矩Tz，该力矩称为回正力矩。圆周行使时，Tz是使转向车轮恢复到直线行使位置的主要恢复力矩之一。,车轮静止时受到侧向力,车轮运动时受到侧向力（侧向力较小）,车轮运动时受到侧向力（侧向力较大）,FY,e,FY,e轮胎拖距。,e,FY,轮胎拖距变大,回正力矩的产生,车轮运动时受到侧向力（侧向力很大）,FY,TZ,u,X,Y,+,-,+,-,-,0,FY,e,轮胎拖距反而变小,回正力矩与侧偏力的方向？,轮胎形式与结构参数对回正力矩-侧偏角特性的影响；（相同侧偏角时，尺寸大、扁平比小的轮胎回正力矩大）轮胎气压低，接地印迹长，轮胎拖距大，回正力矩就大；,六、有外倾时轮胎的滚动,轮胎外倾角及产生的原因:*车桥因载荷变形*汽车转向时的离心力*路面倾斜*前轮定位参数的需要,当前轮有外倾角时，如果前桥断开，Fy=0,前轮向前滚动时会绕O点作圆周运动。,六、有外倾时轮胎的滚动,+,-,向外滚开的趋势,根据轮胎坐标系，图中外倾角为正，外倾侧向力为负。,由于前轴的约束,必然在拉力Fy的作用下，使左右轮只能按给定的方向一起行驶，此时地面产生与Fy方向相反的侧向反作用力，即为外倾侧向力FY。,1、车轮外倾侧向力,外倾侧向力不产生侧偏角！,2、外倾侧向力与外倾角关系,外倾侧向力不产生侧偏角！,试验表明：在小侧偏角条件下，外倾侧向力近似呈线性变化。按坐标系规定，为负值，因此，负的外倾角产生正的外倾侧向力外倾侧向力不产生侧偏角，但是车轮外倾会使侧偏角发生变化，为什么?,3、有外倾角时轮胎的侧偏特性,一定时，越大，FY越大。增加的FY是由作用的结果。小侧偏角时，不同外倾角对应的侧偏刚度不变，侧偏特性具有平移特性；,地面总的侧向反作用力,只有侧偏角外倾角为0时的侧偏力,只有外倾角侧偏角为0时的外倾侧向力,外倾侧向力不产生侧偏角，但是车轮外倾会使侧偏角发生变化，为什么?,（1）小侧偏角时，不同外倾角对应的侧偏刚度不变；（2）侧偏角为零、外倾角不为零时的地面侧向力，即为外倾侧向力。（图中y轴上的值）。（3）侧偏角不为零、外倾角为零时的地面侧向力，即为侧偏力。（图中0外倾角曲线上的值）（4）侧偏角和外倾角都不为零，且侧偏角较小时：,3、有外倾角时轮胎的侧偏特性,注意区分因果关系：由外倾角-产生外倾侧向力；引起侧偏角变化；而侧偏力-产生侧偏角；侧偏力和侧偏角-引起回正力矩变化；,作业5.1，P.275：某轿车（每个）前轮胎的侧偏刚度为-0176N/rad，外倾刚度为-7665N/rad。若轿车向左转弯，将使两前轮均产生正的外倾角，大小为+4度。设侧偏刚度和外倾刚度均不受左右轮载荷转移达到影响，试求：由外倾角引起的前轮侧偏角。解答：,随着外倾角的增大，胎面与路面的接触情况越来越差，会影响最大地面侧向反作用力（侧向附着力）而损害汽车的极限行