车辆动力学 - 轮胎-2013-1课件

1、车辆动力学 - 轮胎北京科技大学USTB车辆工程专业1. 轮胎的运动坐标系 子午线轮胎斜交线轮胎n轮胎基本构造轮胎基本构造子午线轮胎比斜交轮胎的滚动阻力小20%30； 与帘线（棉、人造丝、尼龙、钢丝）和橡胶品质有关。 基础知识n轮胎标识轮胎标识 每一种轮胎都有其特定的标识，以区别于其它，供人们选用。 一般轮胎规格可描述为： 胎宽mm/胎厚与胎宽的百分比 R轮毂直径(英寸) 载重系数速度标识 基础知识 例如轮胎: 195/65 R14 88H 其含义为： n胎宽-195mm n胎厚与胎宽的百分比为-65%，即胎厚=126.75, 126.75/195*100=65(%) n轮毂直径-14英寸n载

2、重系数-88 n速度系数-H 基础知识基础知识 轮胎轮胎是由复杂的橡胶帘布材料制成，其各向异性的结构决定了轮胎力学特性研究的难度。 轮胎与路面的相互作用轮胎与路面的相互作用(如附着或滑移，冰路面或湿路面，变附着系数)，轮胎的受力状况轮胎的受力状况(如变载荷或变气压，惯性力，制动力或驱动力，侧向力输入，质量不平衡等)，运动状态运动状态(如多自由度，稳态与非稳态，变速，高频等)，生热和生热和磨损磨损都是十分复杂的。基础知识u 按胎体骨架材料胎体骨架材料分类，有棉帘线轮胎、人造丝帘线轮胎、尼龙帘线轮胎、聚酯帘线轮胎、钢丝帘线轮胎、浇注轮胎； u 按充气压力充气压力标准不同可分为固定气压轮胎和调压轮胎

3、； u 按用途不同用途不同，可分为汽车轮胎、工程机械轮胎、农业和林业机械轮胎、航空轮胎、摩托车轮胎、工业车辆轮胎，畜力车轮胎(马车轮胎)等 2. 车轮运动参数滑动率滑动率sx：n表示车轮相对于纯滚动（或纯滑动）状态的偏离程度。n驱动工况时，滑转率；n制动工况时，滑移率；轮胎的侧偏角：n车轮平面与车轮中心运动方向的夹角。轮胎的侧向力：n一旦达到了附着极限，橡胶将相对于地面沿横向（垂直于轮胎平面）滑动。切向应力的非对称性将使得轮胎接地面区域的抓地力分布不均。轮胎的侧偏现象和侧偏特性：轮胎模型 (a) (b)轮胎理论滑移特性 如下图 (a), (b)所示，为了分析简便，假定车轮中心固定，路面相对于车

4、轮中心移动，若设轮胎圆周速度为Vc，路面速度为VR，则有 Vc =re yVR=-Vn路面相对于车轮中心的速度VR是车轮平面的纵向速度Vx和垂直于车轮平面的横向速度Vy的合成速度。n车轮的侧偏角以及车轮胎面与路面间的滑移速度VS、分别被定义为:arctan(/)yxVV1222()SCxVVVVy轮胎运动参数 在这里，滑移速度VS与轮胎平面的夹角被定义为滑移方向角:arcsin( / )yxV V 纵向滑移率在制动时定义为：在驱动时被定义为：0 xcSxVVSV0 xcSxVVSV轮胎运动参数 仅由侧偏角引起的横向滑移率在制动时与驱动时分别定义为：tanS(1) tanSSS仅由侧顷角引起的滑

5、移率被定义为：sinS轮胎运动参数 同时考虑侧偏角以及侧顷角时的横向滑移率在制动时与驱动时分别为：sintan2lSrsin(1)tan2SlSSr轮胎侧向力n由于车轮的种类不同，所产生的侧向力大小显著不同。n铁车轮，所能产生的最大侧向力还不到橡胶轮胎的三分之一。充气橡胶轮胎车轮所能产生的侧向力大于实心橡胶轮胎车轮。 3. 轮胎纵向力学特性车轮滚动阻力车轮滚动阻力：滚动车轮产生的所有阻力n轮胎滚动阻力：轮胎滚动阻力：n道路阻力分量道路阻力分量：不平路面，塑性路面和湿路面等引起的附加阻力n轮胎侧偏阻力分量轮胎侧偏阻力分量：由轮胎的侧向载荷使轮胎侧偏而产生的附加轮胎纵向阻力轮胎的滚动阻力轮胎滚动阻

6、力轮胎滚动阻力由以下组成：n弹性迟滞阻力弹性迟滞阻力：胎体变形引起的轮胎材料迟滞作用是造成轮胎滚动阻力；n摩擦阻力摩擦阻力：轮胎接地印迹内，路面与滚动单元带渐在纵向和横向将产生相对运动部分滑动轮胎磨损转化成热n风扇效应阻力风扇效应阻力：轮胎旋转带来的气流损失n轮胎等效为“弹簧-阻尼单元”，开始做功并将其转化为热消耗掉。n弹性迟滞阻力等于消耗的阻尼与行驶距离之比。弹性迟滞阻力弹性迟滞阻力临界车速（最高车速） 当汽车车速超过临界车速时，轮胎会出现驻波现象，其周缘呈明显的波浪状，轮胎温度快速增加。 后果是大量发热导致轮胎破损或爆胎。 n驻波现象驻波现象：在高速行驶时，轮胎离开地面后因变形所产生的扭曲

7、并不立即恢复，其残余变形形成了一种波，这就是驻波。此时轮胎周缘不再是圆形， 而呈明显的波浪形。轮胎刚离开地面时波的振幅最大，它按指数规律沿轮胎圆周衰减。 轮胎的两个最重要参数：极限速度和承载量。 n驻波驻波：（deformation wave) 高速情况下，n驻波会增加能量损失，产生大量的热，最终使轮胎破坏。轮胎摩擦阻力n轮胎接地长度：轮胎接触印迹区的对应弦长。由于接地区域中，纵向及横向产生相对运动，引起轮胎磨损，产生热。滚动阻力与载荷的关系n轮胎材料迟滞作用是滚动阻力的主要成分。大致为线性关系米西林推荐的模型：n滚动阻力系数fR：相应载荷作用下滚动阻力与车轮垂直载荷的比值 n滚动阻力随车轮载

8、荷的增加而增加，而滚动阻力系数随车轮载荷的增加而减小。n此外，轮胎压力，车速都对滚动阻力系数有影响 ,RRz wFfF轮胎接地印迹内的垂向和切向应力分布n轮胎接地印迹中垂向压力的变化形状，不对称斜交轮胎接地印迹内的轮胎压力轮胎压力n气压越高，轮胎变形及由其产生的迟滞损失就越小，滚动阻力也越小。 驱动力轮胎滚动阻力降低的过程 道路阻力n不平路面：弹性单元弹性恢复过程中释放的能量比压缩过程中所作的少，损失的为阻尼功。n其值大小：不平路段（x距离内）所作的功W使车轮滚动阻力增加了一附加分量 F不平= W/xn塑性路面：承载车轮滚过后，将使路面产生清晰可见的车辙。n压实阻力：土壤变形很小，滚过后可恢复

9、；n推土阻力：土壤被挤到轮胎前部，这些路面物质的纵向和侧向运动，造成轮胎的滚动阻力。n剪切阻力：轮胎花纹槽剪切阻力，由轮胎侧壁和路面物质间的摩擦产生。 轮胎内部压力增加导致附加阻力增大，因轮胎接地印迹减小，轮胎的下陷量加大。塑性路面n道路状况不同下的滚动阻力系数n湿路面湿路面:水膜区，过度区和直接接触区湿路面影响该值的因素：n水深，表面的纹理，排干程度；n接触区的压力分布：构成，大小，印迹形状；n轮胎的沟槽，磨损10EtwRW uFN扰流阻力FR：W t轮胎宽度Uw：车轮前进速度N,E：扰流阻力系数n湿路面4. 轮胎侧偏阻力n轮胎侧向力与侧偏角的关系：n车轮定位角的影响 车轮前束角 车轮外倾角

10、yFC5.轮胎纵向力与滑动率的关系n驱动力系数（纵向力Fx/垂向载荷Fy）轮胎初始的滑转主要由胎面的弹性形变引起的。n胎面单元沿轮胎接触面上的位移（自由滚动，行驶，制动）n由于轮胎的变形，接地印迹处的纵向力将引起滑移（滑转）。n制动力系数bxbzFF制动力Fbx轮胎法向载荷Fzn制动时，纵向制动力随滑移率的提高而迅速增加，并很快达到最大值。n 随之滑移率的增加，制动力逐渐下降，直到纯滑移而达到饱和状态。n轮胎类型，车辆行驶速度，轮胎轮胎类型，车辆行驶速度，轮胎载荷载荷均对驱动（制动）力系数与车轮滑转率有关系。n侧偏角对制动力的影响不同路面下的附着力n不同路面下纵向力系数的峰值及滑移值n载荷和车

11、速对驱动力系数的影响n大型卡车在不同路面下附着性能的改变6.轮胎的侧向力特性n影响侧向力的三个因素：侧偏角，垂向载荷和前轮外倾角。n侧偏角车速，侧向速度，横摆速度和转向角所决定n垂向载荷：车辆的质量分布；n外倾角：由转向角和悬架杆系的作用。n联合工况下：车辆转弯加速或转弯制动；n复合工况：转向中的制动n摩擦椭圆联合工况n同时侧向力和纵向力、垂向载荷的相互作用。n联合工况下，轮胎印迹内所产生的合力是一定的，最大摩擦力限制下，轮胎不能同时达到最大的侧向力和最大的纵向力。n摩擦椭圆摩擦椭圆一系列给定滑移率或侧偏角情况下，轮胎侧向力与纵向力的关系曲线。n侧向力Fy与侧偏角a的关系(a=0处）是线性操纵稳定性的基础。纯转向工况n地毯图：垂向载荷作用下侧向力与侧偏角的关系n由于轮胎的非线性，随着轮胎载荷的增加，轮胎力对轮胎载荷的绝对斜率将减小。转向中，由于内外轮力分布的不同，每根轴上平均侧向轮胎力减小。n轮胎的转向刚度随载荷的增大而减小。3.轮胎的垂向特性n以轮胎所受载荷和变形的曲线表示轮胎的刚度特性，轮胎载荷与垂向变形基本呈线性关系。n静刚度：基本不随载荷变化n静刚度：n非滚动刚度：下抛，胎面不离地面；由振动