汽车系统动力学第三章-充气轮胎动力学

第三章充气轮胎动力学§3-1概述轮胎是车辆重要的组成部分，直接与地面接触。其作用是支承整车的重量，与悬架共同缓冲来自路面的不平度激励，以保证车辆具有良好的乘坐舒适性和行驶平顺性；保证车轮和路面具有良好的附着性，以提高车辆驱动性、制动性和通过性，并为车辆提供充分的转向力。一、轮胎运动坐标系二、车轮运动参数1．滑动率2．轮胎侧偏角a3．轮胎径向变形§3-2轮胎的功能、结构及发展轮胎的基本功能包括：1)支撑整车重量；2)与悬架元件共同作用，衰减由路面不平引起的振动与冲击；3)传递纵向力，以实现驱动和制动；4)传递侧向力，以使车辆转向并保证行驶稳定性。为实现以上功能，任何一个充气轮胎都必须具备以下基本结构：(1)胎体(2)胎圈(3)胎面常用的车用充气轮胎有两种，即斜交轮胎和子午线轮胎。二者在结构上有明显不同，主要区别在于胎体帘线角度的不同。所谓“帘线角”即为胎体帘布层单线与车轮中心线形成的夹角。根据车辆动力学研究内容的不同，轮胎模型可分为：(1)轮胎纵滑模型主要用于预测车辆在驱动和制动工况时的纵向力。(2)轮胎侧偏模型和侧倾模型主要用于预测轮胎的侧向力和回正力矩，评价转向工况下低频转角输入响应。(3)轮胎垂向振动模型主要用于高频垂向振动的评价，并考虑轮胎的包容特性(包含刚性滤波和弹性滤波特性)。这里仅对几种常用的轮胎模型给予介绍。(1)幂指数统一轮胎模型幂指数统一轮胎模型的特点是：。1)采用了无量纲表达式，其优点在于由纯工况下的一次台架试验得到的试验数据可应用于各种不同的路面。当路面条件改变时，只要改变路面的附着特性参数，代人无量纲表达式即可得该路面下的轮胎特性。2)无论是纯工况还是联合工况，其表达式是统一的。3)可表达各种垂向载荷下的轮胎特性。4)保证了可用较少的模型参数实现全域范围内的计算精度，参数拟合方便，计算量小。在联合工况下，其优势更加明显。5)能拟合原点刚度。(2)“魔术公式”轮胎模型“魔术公式”轮胎模型的特点是：1)用一套公式可以表达出轮胎的各向力学特性，统一性强，编程方便，需拟合参数较少，且各个参数都有明确的物理意义，容易确定其初值。2)无论对侧向力、纵向力还是回正力矩，拟合精度都比较高。3)由于“魔术公式”为非线性函数，参数的拟合较困难，有些参数与垂直载荷的关系也是非线性的，因此计算量较大。4)C值的变化对拟合的误差影响较大。5)不能很好地拟合小侧偏情况下轮胎的侧偏特性。。现在，越来越多的轮胎制造商以“魔术公式”系数的形式为整车厂提供轮胎数据，而不再以表格或图形提供数据。因此，在某些数据丢失或不可靠时，以同类相近轮胎测得的系数替代，也可取到很好的效果。根据实测的轮胎数据，通过曲线拟合算法可以优化“魔术公式”中的那些系数，一旦求得这些系数，利用“魔术公式”就可准确地进行轮胎性能预测，甚至对于极限值以外的一定范围也有较好的置信度。(3)SWIFT轮胎模型SWIFT轮胎模型结构有以下几方面的特点：1)为了合理描述轮胎动力学特性，考虑了带束层惯量，并假设在高频范围内带束层为一个刚性圈。2)在接地区域和刚性圈之间引入了残余刚度，在垂向、纵向、侧向以及侧偏方向的刚度值分别等于各个方向轮胎的静态刚度。而轮胎模型的柔性考虑了胎体柔性、残余柔性(实际上为胎体柔性的一部分)以及胎面柔性。3)接地印迹有效长度和宽度的影响均被考虑。4)通过有效的路面不平度、路面坡度和具有包容特性的轮胎有效滚动半径来描述路面特性，可实现轮胎在非水平路面及不平路面的仿真，并能保证轮胎动态滑移和振动工况下的仿真精度。§3-4轮胎纵向力学特性滚动车轮产生的所有阻力被定义为车轮滚动阻力，主要包括轮胎滚动阻力分量、道路阻力分量和轮胎侧偏阻力分量。其中，轮胎侧偏阻力分量是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。由不平路面、塑性路面和湿路面等道路情况引起的附加阻力称为道路阻力分量。此外，除了由轴承摩擦和轮胎与地面相对滑动造成的摩擦阻力外，胎内气流流动以及转动的轮胎对外部空气造成的风扇效应都会引起轮胎的滚动阻力，但均为次要影响因素，因此通常它们包含于车轮阻力中，并不单独列出。一、轮胎滚动阻力当充气轮胎在理想路面(通常指平坦的干、硬路面)上直线滚动时，其外缘中心对称面与车轮滚动方向一致，所受到的与滚动方向相反的阻力即为本节中介绍的轮胎滚动阻力。根据作用机理的不同，轮胎滚动阻力还可以进一步分解为弹性迟滞阻力、摩擦阻力和风扇效应阻力，分别介绍如下。1．弹性迟滞阻力2．摩擦阻力3．风扇效应阻力、4．滚动阻力系数5．滚动阻力系数的测量根据滚动面情况的不同，轮胎试验台基本上可分为三种类型：①外支撑试验台；②内支撑试验台；③平板试验台。二、道路阻力1．不平路面2．塑性路面车轮在硬路面(如沥青路面)或微弹性路面(如混凝土路面)上滚动时，路面在正常载荷作用下不会产生永久变形。然而，在土路、砂路、草地或雪路等情况下，当承载车轮滚过后，将使路面产生清晰可见的车辙，由此引起附加的车轮阻力FR，塑性，主要由以下三部分阻力组成：(1)压实阻力(2)推土阻力(3)剪切阻力3．湿路面三、轮胎侧偏阻力1．侧向载荷的影响2．车轮定位的影响四、总的车轮滚动阻力五、轮胎纵向力与滑动率的关系1．理论一Julien提出的关于驱动力与充气轮胎纵向滑转率关系的理论模型。2．理论二给出了一个描述轮胎纵向动力学特性的简化模型，但实际上轮胎与地面的相互作用关系更为复杂，因而该轮胎模型的有效性有待进一步研究和验证。3．理论三这里，以“刷子”模型(BmshM0del)为例，介绍轮胎模型纵向力的分析过程。§3-5轮胎垂向力学特性一、轮胎的垂向特性根据测试条件的不同，轮胎垂向刚度有三种不同的定义，分别为：静刚度、非滚动动刚度及滚动动刚度，分别介绍如下。1．静刚度2．非滚动动刚度3．滚动动刚度二、轮胎噪声轮胎噪声产生的主要机理如下：(1)空气泵吸效应(2)胎面单元振动三、一个轮胎垂向振动力学模型在车辆振动分析中，轮胎的缓冲特性可用不同的数学模型来描述。最简单的模型是点接触式线性弹簧．粘性阻尼模型。§3-6轮胎侧向力学特性一、纯转向工况二、联合工况三、整车建模中对轮胎模型的考虑建模时车辆的建模精度必须要与轮胎模型的精度相吻合。建模中需考虑的因素有以下几点：1)在基本的线性操纵动力学模型中，轮胎只需产生与垂向载荷和侧偏角呈线性关系的侧向力(包括回正力矩)。2)轮胎模型还必须包括侧向力与轮胎垂向载荷的关系。3)建模中还考虑了车身侧倾角与车轮外倾角的关系。4