耿春亮 轮胎对汽车侧偏的影响

1、长春汽车工业高等专科学校毕 业 实 践 报 告题目/实践名称 轮胎对汽车侧偏的影响专业 / 班级 汽车试验一班学 生 姓 名 耿春亮学 号 0201202280企业指导教师 郭强校内指导教师 郭紫威起 止 时 间 2014.07.222015.02.10实 习 单 位 天津大众变速器21目 录内容摘要Abstract第一部分 探究轮胎的结构、工作条件对侧偏特性的影响51.1引言51.2实践单位的基本情况5第二部分 轮胎的尺寸、形式和结构参数对侧偏刚度的影响62.1轮胎的高宽比72.2侧偏刚度与载荷72.3结论10第三部分 气压和驱动力对侧偏力的影响113.1气压对侧偏刚度的影响113.2驱动力

2、对侧偏刚度的影响123.3结论12第四部分 路面环境对侧偏特性的影响144.1路面及其粗糙程度、干事状况对侧偏特性的影响144.2在滑水现象的情况下的影响144.3结论15第五部分 结论17参考文献附录致谢内 容 摘 要出于对汽车的操纵稳定性的探究，在轮胎的结构、工作条件对侧偏特性的影响，轮胎的尺寸、形式和结构参数对侧偏刚度的影响，气压和驱动力对侧偏力的影响，路面环境对侧偏特性的影响四个方面探究轮胎的结构、工作条件对车侧偏的影响，并得出结论。关键词：结构；工作条件；侧偏力；侧偏特性Content abstractFor exploring the handling stability of t

3、he vehicle, the impact on cornering characteristics in the structure, the working conditions of the tire, the influence of size, form and structure parameters of tire on lateral stiffness, effect of pressure and driving force of side force, influence the structure, the influence of operating conditi

4、on of pavement environment on Cornering characteristics four aspects of tyre for vehicle side bias, and draw a conclusion.Key words: structure; working conditions; lateral force; cornering properties第一部分 探 究 轮 胎 的 结 构 、工 作 条 件 对 侧 偏 特 性 的 影 响1.1引言轮胎的侧偏特性在车辆动力学特性中具有至关重要的作用 ,它除了决定车辆操纵稳定性外 ,还影响车辆的制动安全性

5、、行驶平顺性、前轮摆振和车辆侧向振动等。汽车的操纵稳定性直接影响到汽车的高速行驶安全 ,并对减轻驾驶员的劳动强度和汽车的动力性的充分发挥等具有重大的意义。弹性轮胎的侧偏特性作为操纵稳定性的理论基础直接影响着表征汽车操纵稳定性的车辆曲线行驶的时域响应特性。因此 ,对影响轮胎侧偏特性的各种因素进行研究就显得格外重要。 轮胎的侧偏特性在车辆动力学特性中具有至关重要的作用 ,它除了决定车辆操纵稳定性外 ,还影响车辆的制动安全性、行驶平顺性、前轮摆振和车辆侧向振动等。汽车的操纵稳定性直接影响到汽车的高速行驶安全 ,并对减轻驾驶员的劳动强度和汽车的动力性的充分发挥等具有重大的意义。客观评价汽车操纵稳定性的

6、一个重要指标是汽车方向盘角阶跃输入下的稳态响应特性 ,它可通过前后车轮的侧偏特性定量地表示出来。其分析精度决定于轮胎侧偏特性的表达精度。1.2实践单位的基本情况 2014年11月4日，大众汽车天津零部件厂正式建成投产，首批投产的产品为大众新一代双离合变速器DQ380，这也是该产品在全球的首次生产。新工厂初期年产能为45万台变速器，到2016年年产能将增至120万台。天津工厂全面达产后，大众汽车每年将可以为中国市场超过100万辆汽车搭载新型变速器。大众汽车自动变速器天津公司将创造5,500个新的就业机会，是当地目前最大的投资项目。这个新的变速器厂是大众汽车集团的全资子公司，也就意味着其为一家外资

7、公司。第二部分 轮胎的尺寸、形式和结构参数对侧偏刚度的影响2.1 轮胎的高宽比 在断面高宽比较小的轮胎中减有弹性的胎侧高度可改善轮胎的整体结构，增大径向、横向以及周向的强度。横向强度的增大可提高转向性能。周向强度的增大可提高加速、减速，特别是在转向时的操纵性能。断面高宽比小的轮胎胎侧较低，使轮辋直径增大的同时不改变轮胎外直径成为可能。较大的轮辋直径可满足防抱死制动系统(ABS)的需求。但是 值得注意的是，车轮驶过深坑或其它物体时极有可能损坏。因此，通过减小径向弹性可以将轮胎驶过凹凸不平路面时产 生的合力直接传送给车辆的悬架系统。轮胎内部应力和应变分布是轮胎最基本 的特性之一，决定了轮胎其它的性

8、能和特点同时又受轮胎断面高宽比的制约。研究 表明当轮胎断面高宽比减小时，带束层内的应力会增大。同时，沿着胎体帘布层方向的张力和胎圈的切向应力会减小。由此看来，在断面高宽比小的轮胎中应力分布似乎更均匀一些。 根据新的轮胎结构设计理论(如TCOT和 DSOC)，在带束层应力增大的同时胎 体帘布层的张力减小，从而使轮胎性能得到大幅度提高。另外，减小断面高宽比还会导致在胎侧部的横向位移和在胎冠中心线上的径向位移减小。所谓弹性轮胎的侧偏特性是指由于弹性轮胎存在的“弹性偏离”现象 ,在车轮行驶中当遇到侧向力 Fy 时 ,地面提供一个侧向附着力即侧偏力FY 与之抗衡 ,即使该外界侧向力并未达到轮胎侧向附着力

9、的极限 ,也会发生轮胎侧偏的情况。此时轮胎的前进方向偏离原行驶方向 ,与轮胎旋转平面成一定的角度 ,该角度被称为侧偏角。试验证明 :当侧偏角很小( < 4°5°) 时 ,侧偏力与侧偏角成线性关系 :FY = k(1)式中 :k 为侧偏刚度(N/ rad)(1) 式被称为轮胎的侧偏特性 ,轮胎的侧偏特性在车辆动力学特性中具有至关重要的作用 ,它是决定车辆操纵稳定性的重要特性。弹性轮胎的侧偏力 FY 是汽车赖以实现方向变换的原动力。汽车以高速度急转弯时产生的最大离心力一般不能超过所有车轮所能产生的侧偏力的总和。即侧偏力之和的最大值大体规定了汽车急剧曲线运行的极限范围。此外

10、 ,侧偏力对汽车的行驶稳定性也起着重要的作用 ,当汽车在直线行驶中受到横向急风等干扰时 ,正是由于侧偏力的存在才能保持车辆的行驶稳定性。侧向偏离一方面影响车轮的运行轨迹 ,另一方面侧向变形使滚动阻力增加 ,并加剧轮胎的磨损。2.2侧偏刚度与载荷第一，大尺寸轮胎一般比小尺寸的轮胎侧偏刚度高。轮胎尺寸越大，越能增强汽车行驶中的稳定性，减少发飘的可能性。 第二，轮胎从结构设计上可分为斜交和子午线轮胎。子午线胎比斜交胎侧偏刚度高，而钢丝子午线胎又比尼龙子午线胎侧偏刚度高。 第三，在直径相同的轮胎中，宽胎比窄胎有利于提高侧偏刚度。也就是说，使用宽胎的车发飘的情况较少，这也是在赛车时要使用特宽轮胎的原因。

11、 第四，对同一轮胎而言，载重越小、侧偏刚度越小，所以，轻车相比重车更容易发飘。 第五，当车速越快时，轮胎载荷越小，侧偏刚度就越小。因此，汽车高速时比低速更容易发飘，一些加了尾翼的车能减少升力，有助于减少高速时发飘。 第六，轮胎气压还和侧偏刚度有关。一般说来，气压越低，侧偏刚度越小，越容易发飘。但这并不是说胎压越高越好。胎压太高时轮胎的附着力就会减少，容易侧滑，最好是严格按汽车说明书保持胎压大小。车辆的稳态转向特性即方向盘角阶跃输入下进入的稳态响应 ,虽然在实际行驶中不常出现 ,但却是表征汽车操纵稳定性的一个重要的时域响应。汽车稳态响应特性分为三种类型 :不足转向、中性转向和过多转向。车辆稳态转

12、向特性与轮胎侧偏特性的关系体现在前后轮胎的侧偏角对转向特性的影响上,假设轮胎为刚性 ,车辆的转弯半径 R0 与前轮的转动角之间满足下面关系式 :R0L/ tg当前轮转角不大时 ,可认为 tg,则R0L/(2)式中 L 为轴距由此可见 ,在汽车结构参数一定的情况下,由于不存在侧偏现象 ,刚性车轮转弯时 ,其转弯半径 R0 只与前轮转角有关 ,而与车速 V 无关。当车轮为弹性时 ,由于弹性轮胎转向产生的离心力等侧向外力的作用 ,使轮胎发生侧偏现象 ,侧偏角的大小与轮胎所受的侧向力有关。在侧偏角不大时 ,由图 1 可知转向半径 R满足关系式:RL/ - (1 -2) (3)式中 ,1 为前轮侧偏角

13、,2 为后轮侧偏角。此时包含“侧偏现象”的车辆转向运动系统实质上是一个以无侧偏转向为基本系统 ,并加入一个侧偏角反馈回路的闭环系统 ,正是这种反馈特性直接影响着车辆的很多运动特性 ,主要是操纵性和稳定性1 。汽车的稳态转向特性通常还可以用转向灵敏度R/) s 来表征。R/) s = (V/ L) / (1 + KV2) (4)式中 ,V 为车速 ;L 为轴距 ; K为稳定性因数 ;K= 0 时 ,为中性转向 ; K > 0 时 ,为不足转向 ; K < 0 时 ,为过多转向2 。转动角之间满足下面关系式 :R0L/ tg当前轮转角不大时 ,可认为 tg,则R0L/(2)式中 L 为

14、轴距由此可见 ,在汽车结构参数一定的情况下 ,由于不存在侧偏现象 ,刚性车轮转弯时 ,其转弯半径 R0 只与前轮转角有关 ,而与车速 V 无关。当车轮为弹性时 ,由于弹性轮胎转向产生的离心力等侧向外力的作用 ,使轮胎发生侧偏现象 ,侧偏角的大小与轮胎所受的侧向力有关。在侧偏角不大时 ,由图 1 可知转向半径 R满足关系式:RL/ - (1 -2) (3)式中 ,1 为前轮侧偏角 ,2 为后轮侧偏角。此时包含“侧偏现象”的车辆转向运动系统实质上是一个以无侧偏转向为基本系统 ,并加入一个侧偏角反馈回路的闭环系统 ,正是这种反馈特性直接影响着车辆的很多运动特性 ,主要是操纵性和稳定性1 。汽车的稳态

15、转向特性通常还可以用转向灵敏度R/) s 来表征。R/) s = (V/ L) / (1 + KV2) (4)式中 ,V 为车速 ;L 为轴距 ; K为稳定性因数 ;K= 0 时 ,为中性转向 ; K > 0 时 ,为不足转向 ; K < 0 时 ,为过多转向2 。R/) s = (V/ L) / (1 + KV2)即 =R(1 + KV2)/ (V/ L) =R(1 + KV2)/ R或 R =R(1 + KV2) /(5)由(5) 可知 ,不足转向汽车回转的回转半径还与车速有关 ,在保持回转半径不变的条件下 ,由于 K > 0 ,前轮转角随速度 V 的提高而增加 ,两者呈

16、抛物线关系。换言之 ,若要提高车速 ,必须相应地增加前轮转角 ,才能保持转向半径不变。且随着向心加速度的提高 ,侧偏角急剧增加 ,很快达到或超过车轮的附着力极限而发生侧向滑移 ,对于不足转向汽车 ,由于前轮的侧偏角较大 ,故前轮首先发生侧滑。并加剧前轮的磨损。当1 <2 时 ,RL/ - (1 -2) < L/= R0 。此时汽车的转向半径小于同等条件下刚性车轮的转向半径。把这种转向特性叫过多转向。与(3) 相同 ,过多转向汽车回转的转向半径也与有关 ,和前后轮的侧偏角1 、2 有关。根据式 (5) ,由于 K < 0 ,前轮转角随速度 V 的提高而减少 ,两者呈抛物线关系。

17、换言之 ,若要提高车速 ,必须相应地减少前轮转角 ,才能保持转向半径不变。与不足转向不同 ,随着向心加速度的增加 ,首先是后轮发生侧滑。从转向灵敏度来分析 ,由式(4)可知 ,中性转向汽车的转向灵敏度与车速呈线性关系;不足转向汽车的转向灵敏度在各车速上均小于中性转向汽车 ,且在特征车速为 Uch =1K时 ,转向灵敏度达到最大值;过多转向汽车的转向灵敏度在各车速上均大于中性转向汽车 ,且在临界车速为 Uch = -1K时 ,转向灵敏度趋于无穷大 ,当车速超过临界车速时 ,汽车将发生激转而导致翻车事故。2.3 结论轮胎的侧偏特性在车辆动力学特性中具有至关重要的作用 ,它除了决定车辆操纵稳定性外

18、,还影响车辆的制动安全性、行驶平顺性、前轮摆振和车辆侧向振动等。汽车的操纵稳定性直接影响到汽车的高速行驶安全 ,并对减轻驾驶员的劳动强度和汽车的动力性的充分发挥等具有重大的意义。客观评价汽车操纵稳定性的一个重要指标是汽车方向盘角阶跃输入下的稳态响应特性 ,它可通过前后车轮的侧偏特性定量地表示出来。其分析精度决定于轮胎侧偏特性的表达精度。本文通过参阅国内外相关文献 ,对轮胎的力学特性 (主要是侧偏特性) 以及它对汽车稳态响应特性的影响进行了较深入的分析 ,希望对今后的教学及科研有所帮助。 第三部分 气 压 和 驱 动 力 对 侧 偏 力 的 影 响3.1气压对侧偏刚度的影响影响轮胎侧偏特性的因素

19、除了轮胎的结构和工作条件外 ,还应考虑转向轮的气压特别是转向轮的外倾角的选择。右前轮外倾时的情况 ,由于存在外倾角,具有绕车轴延长线与地面的交点向外滚动的趋势 ,但由于受到车轴的约束只能做带有一定侧偏角的直线运动。此时车轮接地面将产生向着上述圆周运动内侧的力 ,称之为外倾侧向力F。试验证明 ,外倾侧向力与外倾角成线性关系 ,即:R= V = k式中 :k外倾刚度显然 ,当车辆直线行驶并不受其它侧向外力即侧偏角为零的情况下 ,此时由于外倾侧向力的存在 ,轮胎底部与地面接触发生侧向变形 ,其运动效果与轮胎侧偏相似。当外倾侧向力超过地面的侧向附着极限时 ,轮胎开始侧向滑移。当有外倾角的轮胎曲线运动或

20、受到侧向外力时 ,应同时考虑外倾和侧偏的影响。只要侧偏角和外倾角均很小 ,两者之间无相互作用 ,可采取叠加的方法计算此时的侧偏力。即 :FY = FY+ FYFY 同时考虑轮胎外倾和侧偏作用时车轮的侧偏力FY只有侧偏无外倾时车轮的侧偏力FY只有外倾无侧偏时车轮的外倾侧向力轮胎外倾作用对侧偏特性的影响体现在侧偏角的变化上。在侧向力一定的情况下 ,与外倾角为零的情况相比 ,外倾角为正时 (即向着曲线的外侧倾斜) ,其侧偏角将增加 ;外倾角为负时,其侧偏角将减少。则对于前轮转向 ,外倾角为正时 ,前轮侧偏角1 增加 ,导致1 -2 增加 ,使汽车有不足转向的趋势。外倾角为负时 ,前轮侧偏角1 增加

21、,导致1 -2 减少 ,使汽车有过多转向的趋势。不容忽视的是 ,由于正外倾角导致的轮胎侧偏角的增加 ,使轮胎产生的变形增加 ,车轮容易产生侧向滑移而导致磨损。外倾角越大 ,轮胎表面参与滑移的面积增加 ,磨损越严重 ,因此 ,外倾角的调整应与汽车的技术状况匹配 ,在保证汽车具有良好的转向特性和行驶特性的前提下 ,尽可能地减少侧滑量。3.2驱动力对侧偏刚度的影响断面高宽比小的轮胎的生产工艺更复杂。由于轮胎宽度增大，断面高宽比小的轮胎会产生逆向曲率问题，即在胎冠部位的帘布层有向中心平面方向下陷的趋势。这种变形会形成一个曲点，导致对车辆控制失灵。因此，独特的结构设计、带束层和帘布层的型工艺对断面宽比小

22、的轮胎非常重要。 胎侧的能特点与轮胎的断面高宽比紧密相关。高宽比小的轮胎胎侧高度变 小，胎侧起更关键的作用。当轮胎断面高宽比减小时，胎侧所受张力峰值明显增大，这是无法避免的事实，会导致龟裂，而且龟裂程度随着高宽比的减小而增大。因此，断面高宽比较小的轮胎需要使用性能最好的胎侧胶。低高宽比轮胎胎圈部 位的作用也相当重要。由于轮辋离路面更近，轮胎胎体和胎侧必须提供强大支撑力并产生平稳张力及具有较高强度和稳定性，制造这样的轮胎很难。要达到这些 目的，就需改变胎圈结构和材料。例如胎圈各部位采用更硬的胶料 ，三角胶总体高度增大约100。另外，一种称为胶垫或轮辋边口衬胶的厚橡胶部件被用于高宽比小的轮胎中。这

23、种胶垫是位于胎侧下方并具有高定伸应力的硬胶条，能为胎 圈部位提供更好的刚性和稳定性，有助于方便地把轮胎安装到轮辋上。与此同时，它还能在轮胎遭大屈挠变形时保护轮辋边缘的胎侧免受损伤。 在断面高宽比小 的轮胎的生产过程中，要得到较软的胎面胶和坚韧的胎圈部位胶料，就需要更谨 慎地考虑混炼和挤出的工艺过程。 3.3结论除了上述特点以外，断面高宽比较小的轮胎具有更美的外观和圆滑的形状，与现代汽车的空气动力学设计相匹配。由于这些原因，通过不断减小轮胎高宽比以满足对轮胎高性能的要求一持续的过程。现在甚至已经出现了一种没有胎侧高宽比为02的新型轮胎 。 减小轮胎高宽比的趋势并不只局限于乘用汽车轮胎。在最近获得

24、专利权的发 明中，普利司通开发了一种针对大客车和货车的超低断面的轮胎。这项技术是用 单轮胎替代传统的双轮并装轮胎。据报道，这种轮胎具有多种优点，如使用寿命 较长，噪声低，可提高乘坐舒适性，减小滚动阻力达到10 ，驱动轴减轻80 110 kg，比等效的双胎宽度减小175 mm。第四部分 路 面 环 境 对 侧 偏 特 性 的 影 响4.1路面及其粗糙程度、干事状况对侧偏特性的影响 路面及其粗糙程度、干湿状况对轮胎侧偏特性，尤其是最大侧偏力影响很大。图4-44也给出了某轮胎在干、湿沥青路面及湿混凝土路面上的侧偏特性。图上给出的是侧向力系数与侧偏角的关系曲线。4.2在滑水现象下的影响在有薄水层的路面

25、上，因滑水现象(Hydroplaning)会出现完全丧失侧偏力的情况。图4-45给出某轮胎在不同车速下，与干燥路面相比不同水层厚度等条件下，最大侧偏力的降低情况。水层厚1.5mm时，车速80km/h时，、或均很小，容易出现滑水现象。当车速为110km/h时，侧向力系数、制动力系数或驱动力系数趋近于零，此时最大侧偏力为接近零，汽车极易发生滑水现象。4.3结论轮胎的尺寸、型式和结构参数对侧偏刚度有显著影响。尺寸较大的轮胎有较高的侧偏刚度。子午线轮胎接地面宽，一般侧偏刚度较高。钢丝子午线轮胎比尼龙子午线的侧偏刚度高。以百分数表示的轮胎断面高H与轮胎断面宽B之比H/B×100%称为扁平率。现

26、代轮胎的扁平率逐渐减小，不少轿车已采用扁平率为60%（60系列）宽轮胎。追求高性能的运动型轿车也有采用扁平率为50%甚至40%宽轮胎的。扁平率对轮胎侧偏刚度影响很大，采用扁平率小的宽轮胎是提高侧偏刚度的主要措施。图4-40给出了四种轮胎的侧偏刚度与载荷的关系曲线，可以看出扁平率为60%的仍系列轮胎的侧偏刚度有大幅度提高。汽车行驶时，轮胎垂直载荷常有变化。例如转向时，内侧车轮轮胎的垂直载荷减小，外侧车轮轮胎的垂直载荷增大。垂直载荷的变化对轮胎侧偏特性有显著影响。图4-41表明垂直载荷增大后，侧偏刚度随垂直载荷的增加而加大；但垂直载荷过大时，轮胎与地面接触区的压力变得极不均匀，使轮胎侧偏刚度反而有

27、所减小。第五部分 结 论轮胎的侧偏特性在车辆动力学特性中具有至关重要的作用 ,它除了决定车辆操纵稳定性外 ,还影响车辆的制动安全性、行驶平顺性、前轮摆振和车辆侧向振动等。汽车的操纵稳定性直接影响到汽车的高速行驶安全 ,并对减轻驾驶员的劳动强度和汽车的动力性的充分发挥等具有重大的意义。弹性轮胎的侧偏特性作为操纵稳定性的理论基础直接影响着表征汽车操纵稳定性的车辆曲线行驶的时域响应特性。因此 ,对影响轮胎侧偏特性的各种因素进行研究就显得格外重要。 轮胎的侧偏特性在车辆动力学特性中具有至关重要的作用 ,它除了决定车辆操纵稳定性外 ,还影响车辆的制动安全性、行驶平顺性、前轮摆振和车辆侧向振动等。汽车的操

28、纵稳定性直接影响到汽车的高速行驶安全 ,并对减轻驾驶员的劳动强度和汽车的动力性的充分发挥等具有重大的意义。客观评价汽车操纵稳定性的一个重要指标是汽车方向盘角阶跃输入下的稳态响应特性 ,它可通过前后车轮的侧偏特性定量地表示出来。其分析精度决定于轮胎侧偏特性的表达精度。参 考 文 献1. 余志生、夏群生等 汽车理论 机械工业出版社 2012年9月第五版2. 倪佑民 汽车方向稳定性基本原理 清华大学出版社 1987年版3. 陆正煜、伦景光、倪佑民 汽车转向特性模拟计算的初步研究 汽车工程 1982年第二版4. 陆正煜、伦景光、倪佑民 方向盘斜阶跃转角输入对汽车转向瞬态响应特性的影响 汽车工程 1982年第二版5. W.Lincke,B.Richter,R.Schmidt Simulation and Measurement of Dri