《转向时车轮的受力》课件

转向时车轮的受力本次演示文稿将深入探讨车辆转向时车轮所承受的各种力的作用机制。我们将从转向系统的基本原理入手，详细分析轮胎的结构、材料以及与路面的相互作用。通过对摩擦力、滚动阻力、侧偏现象以及纵向力的深入剖析，揭示车辆转向过程中各种力的产生、传递与平衡。此外，还将探讨车速、轮胎气压、路面状况和车辆载重等因素对转向力的影响，以及悬架系统在转向过程中的作用。引言：为什么研究转向受力很重要？安全至关重要研究转向受力对于提升车辆的操控性和安全性至关重要。精确掌握车轮在转向时的受力情况，有助于工程师优化车辆的转向系统设计，提高车辆在各种路况下的行驶稳定性，从而保障驾驶员和乘客的安全。性能优化通过深入研究转向受力，可以更好地理解车辆的动力学特性，为车辆性能优化提供理论依据。例如，通过调整悬架参数、轮胎选择等，可以改善车辆的转向响应、侧倾控制等，提升车辆的整体性能。技术创新对转向受力的深入研究，有助于推动转向技术的创新发展。例如，线控转向系统、主动悬架系统等先进技术的研发，都离不开对转向受力的精确控制和优化。转向系统的基本原理回顾转向机构转向机构是转向系统的核心部件，负责将驾驶员的转向操作转化为车轮的偏转。常见的转向机构包括齿轮齿条式、循环球式等。转向机构的传动比决定了转向的灵敏度。转向传动机构转向传动机构负责将转向机构的输出传递到车轮。它通常由转向拉杆、转向节等部件组成。转向传动机构的设计需要保证运动的准确性和可靠性。助力转向系统为了减轻驾驶员的转向负担，现代汽车普遍配备了助力转向系统。助力转向系统利用液压或电力辅助，提供额外的转向力，使转向操作更加轻松。车轮受力的基础概念纵向力纵向力是指沿车轮滚动方向的力，包括驱动力和制动力。驱动力使车辆加速，制动力使车辆减速。侧偏力侧偏力是指垂直于车轮滚动方向的力，由轮胎的侧偏现象产生。侧偏力是车辆实现转向的关键力。滚动阻力滚动阻力是指阻碍车轮滚动的力，由轮胎的变形、路面的摩擦等因素引起。滚动阻力会消耗车辆的能量，降低燃油效率。轮胎的结构与材料胎面胎面是轮胎与路面直接接触的部分，由耐磨橡胶制成。胎面的花纹设计影响轮胎的抓地力、排水性能等。胎体胎体是轮胎的主体结构，由帘布层、钢丝层等组成。胎体承受轮胎的载荷，并保持轮胎的形状。胎圈胎圈是轮胎与轮辋连接的部分，由高强度钢丝制成。胎圈将轮胎固定在轮辋上，承受轮胎的气压。轮胎与路面的相互作用1弹性变形轮胎与路面接触时，会发生弹性变形。弹性变形产生接触面积，并提供支撑力。2摩擦力轮胎与路面之间存在摩擦力，包括静摩擦力和滑动摩擦力。摩擦力是车辆驱动、制动和转向的基础。3磨损轮胎与路面的长期摩擦会导致磨损。磨损会降低轮胎的性能，影响行驶安全。摩擦力的基本原理接触面粗糙度1法向力2摩擦系数3摩擦力是两个接触物体之间阻碍相对运动的力。摩擦力的大小与接触面的粗糙度、法向力和摩擦系数有关。摩擦系数是描述接触面摩擦特性的参数。静摩擦力与滑动摩擦力静摩擦力静摩擦力是指两个相对静止的物体之间产生的摩擦力。静摩擦力的大小随外力的增大而增大，但存在一个最大值，即最大静摩擦力。滑动摩擦力滑动摩擦力是指两个相对滑动的物体之间产生的摩擦力。滑动摩擦力的大小与法向力和滑动摩擦系数有关，与相对滑动速度无关（通常情况下）。车轮滚动阻力轮胎变形轮胎在滚动过程中会发生变形，变形需要克服轮胎内部的阻力，产生能量损失。路面摩擦轮胎与路面之间的摩擦会产生滚动阻力。路面越粗糙，滚动阻力越大。气动阻力高速行驶时，轮胎与空气的摩擦会产生气动阻力，增加滚动阻力。影响滚动阻力的因素轮胎气压轮胎气压过低会增加轮胎的变形，从而增加滚动阻力。保持合适的轮胎气压可以降低滚动阻力。路面状况路面越粗糙，滚动阻力越大。在平坦的路面上行驶可以降低滚动阻力。轮胎材料轮胎材料的弹性模量和阻尼特性会影响滚动阻力。选择低滚动阻力轮胎可以降低车辆的燃油消耗。轮胎的侧偏现象什么是侧偏当轮胎受到侧向力时，其滚动方向与车轮的指向方向不一致，产生一个夹角，称为侧偏角。这种现象称为轮胎的侧偏现象。侧偏的原因侧偏是由于轮胎的弹性变形引起的。当轮胎受到侧向力时，胎体会发生变形，导致轮胎的接地印迹不对称，从而产生侧偏角。什么是侧偏角？1车轮指向方向2车轮实际运动方向3侧偏角侧偏角是指车轮指向方向与车轮实际运动方向之间的夹角。侧偏角的大小反映了轮胎侧偏的程度。侧偏角越大，轮胎的侧偏越严重。侧偏力及其产生1侧偏力的定义侧偏力是指垂直于车轮滚动方向的力，由轮胎的侧偏现象产生。侧偏力是车辆实现转向的关键力。2侧偏力的产生当轮胎发生侧偏时，轮胎的接地印迹不对称，导致轮胎内部的应力分布不均匀，从而产生侧偏力。3侧偏力的方向侧偏力的方向与侧偏角的方向相反。侧偏力始终指向轮胎侧偏的一侧，使车辆产生转向。侧偏力与侧偏角的关系侧偏角侧偏力侧偏力与侧偏角之间存在近似线性的关系。在较小的侧偏角范围内，侧偏力随侧偏角的增大而增大。当侧偏角超过一定值时，侧偏力达到饱和，不再随侧偏角的增大而增大。轮胎侧偏刚度的概念侧偏刚度的定义轮胎侧偏刚度是指单位侧偏角引起的侧偏力变化量。侧偏刚度是衡量轮胎产生侧偏力能力的重要指标。侧偏刚度越大，轮胎产生侧偏力的能力越强，车辆的转向响应越灵敏。影响侧偏刚度的因素轮胎的结构、材料、气压以及路面状况都会影响侧偏刚度。一般来说，高刚性的轮胎、较高的气压以及干燥的路面都会提高侧偏刚度。轮胎的纵向力1驱动力驱动力是指沿车轮滚动方向的力，由发动机通过传动系统传递到车轮。驱动力使车辆加速。2制动力制动力是指沿车轮滚动方向的反向力，由制动系统产生。制动力使车辆减速。驱动力与制动力驱动力驱动力的大小取决于发动机的输出功率、传动系统的传动比以及轮胎的抓地力。过大的驱动力会导致车轮打滑，降低加速性能。制动力制动力的大小取决于制动系统的制动力矩以及轮胎的抓地力。过大的制动力会导致车轮抱死，降低制动性能，并可能导致车辆失控。纵向滑移率1滑移率的定义纵向滑移率是指车轮的实际速度与理论速度之间的差异。滑移率反映了车轮在纵向方向上的滑动程度。2驱动滑移率驱动滑移率是指驱动轮的实际速度小于理论速度的情况。驱动滑移率越大，驱动轮的打滑越严重。3制动滑移率制动滑移率是指制动轮的实际速度大于理论速度的情况。制动滑移率越大，制动轮的抱死越严重。纵向力与滑移率的关系滑移率纵向力纵向力与滑移率之间存在复杂的关系。在较小的滑移率范围内，纵向力随滑移率的增大而增大。当滑移率超过一定值时，纵向力达到峰值，然后随滑移率的增大而减小。轮胎的联合作用：纵向力与侧偏力联合作用在实际行驶过程中，轮胎通常同时承受纵向力和侧偏力。纵向力和侧偏力的联合作用会影响轮胎的性能。力的耦合纵向力和侧偏力之间存在耦合效应。当轮胎同时承受纵向力和侧偏力时，其纵向力和侧偏力都会受到影响。力的合成与分解力的合成力的合成是指将多个力合并为一个力的过程。合并后的力称为合力。合力与各个分力的作用效果相同。力的分解力的分解是指将一个力分解为多个力的过程。分解后的力称为分力。各个分力的作用效果与原力相同。力的平衡平衡状态当作用在物体上的所有力的合力为零时，物体处于平衡状态。平衡状态分为静力平衡和动力平衡。平衡条件物体处于平衡状态的条件是：所有力的合力为零，所有力矩的合力为零。转向时的受力分析1轮胎受力2悬架受力3车身受力转向时，车轮、悬架和车身都会受到力的作用。对这些力进行分析，可以更好地理解车辆的转向特性。转向力的来源侧偏力1纵向力2路面摩擦力3转向力主要来源于轮胎的侧偏力、纵向力以及路面摩擦力。侧偏力是主要的转向力，纵向力和路面摩擦力对转向力有辅助作用。转向力矩力矩的定义力矩是指力对物体产生转动效应的量。力矩的大小与力的大小和力臂的长度有关。转向力矩转向力矩是指作用在车轮上的、使车轮发生转动的力矩。转向力矩由驾驶员施加在方向盘上的力通过转向系统传递到车轮。影响转向力的因素车速车速越高，转向力越大。高速行驶时，需要更大的转向力才能改变车辆的行驶方向。轮胎气压轮胎气压过低或过高都会影响转向力。合适的轮胎气压可以提供最佳的转向性能。路面状况路面状况对转向力有显著影响。在湿滑路面上行驶，转向力会减小，容易发生侧滑。车速对转向力的影响低速低速行驶时，转向力较小，转向轻便。驾驶员可以轻松地控制车辆的行驶方向。中速中速行驶时，转向力适中，转向感觉良好。驾驶员可以准确地控制车辆的行驶方向。高速高速行驶时，转向力较大，转向沉重。驾驶员需要更大的力量才能改变车辆的行驶方向。同时车辆稳定性要求更高。轮胎气压的影响气压过低轮胎气压过低会导致轮胎变形过大，增加滚动阻力，降低转向响应，并可能导致爆胎。气压过高轮胎气压过高会导致轮胎接地面积减小，降低抓地力，影响转向性能，并可能导致轮胎磨损不均匀。路面状况的影响1干燥路面干燥路面提供良好的抓地力，转向力较大，转向响应灵敏。车辆在干燥路面上行驶稳定可靠。2湿滑路面湿滑路面降低抓地力，转向力减小，转向响应迟缓。车辆在湿滑路面上容易发生侧滑，需要谨慎驾驶。3冰雪路面冰雪路面抓地力极低，转向力极小，转向几乎无效。车辆在冰雪路面上极易失控，需要使用防滑链或雪地轮胎。车辆载重的影响1重心升高2侧倾增大3转向力减小车辆载重会影响车辆的转向性能。载重过大会导致重心升高，侧倾增大，转向力减小，影响车辆的操控性和稳定性。悬架系统对转向的影响车身姿态悬架系统可以控制车身姿态，减少侧倾，提高车辆的操控性和稳定性。车轮定位悬架系统可以保证车轮定位参数，提供最佳的转向性能。减震悬架系统可以减缓路面冲击，提高乘坐舒适性，并保证车轮与路面的接触。悬架结构与转向特性悬架类型特点转向特性麦弗逊式结构简单，成本低转向灵敏，侧倾较大多连杆式结构复杂，成本高转向精准，侧倾较小双叉臂式性能优异，成本较高转向稳定，操控性好前束角与转向前束角的定义前束角是指车轮前端指向内侧或外侧的角度。前束角影响车辆的转向灵敏度和轮胎的磨损。前束角的作用合适的前束角可以提高车辆的直线行驶稳定性，并减少轮胎的磨损。倾角与转向1倾角的定义倾角是指车轮与地面垂直线的夹角。倾角影响车辆的侧倾和轮胎的接地面积。2正倾角正倾角指车轮上端向外倾斜。正倾角可以提高车辆的侧倾刚度，但会减少轮胎的接地面积。3负倾角负倾角指车轮上端向内倾斜。负倾角可以增大轮胎的接地面积，提高车辆的抓地力。主销后倾角与转向后倾角的定义主销后倾角是指转向主销轴线与垂直线的夹角。主销后倾角影响车辆的转向稳定性和回正力矩。后倾角的作用合适的主销后倾角可以提高车辆的转向稳定性和回正力矩，使车辆更容易保持直线行驶方向。车辆稳定性与转向稳定性车辆稳定性是指车辆在行驶过程中抵抗外界干扰，保持原有行驶状态的能力。转向性转向性是指车辆对驾驶员转向指令的响应程度。良好的转向性可以提高驾驶员对车辆的控制能力。平衡车辆稳定性和转向性之间存在一定的矛盾。良好的车辆设计需要在这两者之间取得平衡。转向不足与转向过度转向特性定义特点应对方法转向不足车辆实际转向角度小于驾驶员期望的转向角度车辆倾向于沿直线行驶，不易转弯减小转向输入，减速转向过度车辆实际转向角度大于驾驶员期望的转向角度车辆后轮容易失去抓地力，发生侧滑反向修正方向盘，控制油门如何判断转向特性？路试通过在安全的路段进行路试，感受车辆在不同速度下的转向响应和稳定性。观察车辆在弯道中的表现，判断其转向特性。数据分析通过采集车辆在行驶过程中的数据，如车速、转向角度、侧倾角等，对车辆的转向特性进行定量分析。改善车辆稳定性的方法悬架调校通过调整悬架的参数，如弹簧刚度、阻尼系数等，可以改善车辆的稳定性。轮胎选择选择具有良好抓地力的轮胎，可以提高车辆的稳定性和操控性。空气动力学通过优化车辆的空气动力学设计，可以提高车辆在高速行驶时的稳定性。电子稳定程序（ESP）的作用监测ESP系统通过传感器实时监测车辆的行驶状态，如车速、转向角度、侧倾角等。判断ESP系统根据监测到的数据，判断车辆是否处于不稳定状态，如侧滑、甩尾等。干预当ESP系统判断车辆处于不稳定状态时，会主动对车轮施加制动力，调整发动机输出，帮助车辆恢复稳定。驱动防滑系统（ASR）的作用功能作用防止驱动轮打滑提高车辆在起步和加速时的稳定性控制驱动轮的转速避免驱动轮转速过高，导致失控提高车辆的牵引力使车辆在湿滑路面上也能顺利行驶转向系统的设计考虑操控性1稳定性2舒适性3转向系统的设计需要综合考虑操控性、稳定性和舒适性。操控性是指车辆对驾驶员转向指令的响应程度，稳定性是指车辆在行驶过程中抵抗外界干扰的能力，舒适性是指驾驶员和乘客在转向过程中的舒适感受。转向机构的类型齿轮齿条式齿轮齿条式转向机构结构简单、成本低廉、传动效率高，广泛应用于轿车和小型汽车。循环球式循环球式转向机构结构复杂、成本较高、传动效率较低，但可以提供较大的转向力，适用于大型汽车和货车。转向传动比的选择1转向传动比的定义转向传动比是指方向盘转动角度与车轮转动角度的比值。转向传动比影响转向的灵敏度和力矩放大。2传动比过小转向传动比过小会导致转向沉重，需要较大的力才能转动方向盘。3传动比过大转向传动比过大会导致转向过于灵敏，容易发生转向过度。助力转向系统的原理1传感器2控制器3助力机构助力转向系统利用液压或电力辅助，提供额外的转向力，减轻驾驶员的转向负担。助力转向系统通常由传感器、控制器和助力机构组成。液压助力转向系统液压泵液压泵提供液压动力，驱动液压油流动。液压缸液压缸将液压动力转化为机械动力，辅助驾驶员转动方向盘。控制阀控制阀控制液压油的流量和方向，调节助力的大小。电动助力转向系统1电机电机提供助力，辅助驾驶员转动方向盘。2传感器传感器检测方向盘的转动角度和力矩。3控制器控制器根据传感器的信号，调节电机的输出，实现助力功能。线控转向系统（Steer--Wire）传感器传感器检测方向盘的转动角度和力矩，并将信号传递给控制器。控制器控制器根据传感器的信号，计算出车轮需要转动的角度，并将信号传递给执行器。执行器执行器根据控制器的信号，控制车轮的转动角度。轮胎的选择与使用参数含义作用轮胎尺寸轮胎的直径、宽度和扁平比影响车辆的操控性、舒适性和油耗载重指数轮胎能够承受的最大载重保证车辆的行驶安全速度等级轮胎能够承受的最高速度保证车辆在高速行驶时的安全如何选择合适的轮胎？车辆类型根据车辆的类型选择合适的轮胎。例如，轿车需要选择舒适性和操控性兼顾的轮胎，SUV需要选择耐磨性和抓地力强的轮胎。行驶路况根据行驶路况选择合适的轮胎。例如，经常在城市道路行驶的车辆可以选择舒适型轮胎，经常在高速公路行驶的车辆可以选择高速型轮胎。气候条件根据气候条件选择合适的轮胎。例如，冬季可以选择雪地轮胎，夏季可以选择高性能轮胎。轮胎的维护与保养检查气压定期检查轮胎气压，保持在合适的范围内。轮胎换位定期进行轮胎换位，使轮胎磨损均匀。四轮定位定期进行四轮定位，保证车轮定位参数正确。如何延长轮胎的使用寿命？避免急加速和急刹车急加速和急刹车会加速轮胎的磨损。避免超载超载会增加轮胎的负担，缩短轮胎的寿命。避免在恶劣路况下行驶在恶劣路况下行驶会加速轮胎的磨损。案例分析：不同车辆的转向受力分析车辆类型转向特性原因轿车转向灵敏，操控性好车身轻盈，悬架调校偏向操控SUV转向沉重，稳定性好车身高大，悬架调校偏向舒适卡车转向迟缓，回转半径大车身庞大，轴距长轿车的转向特性操控灵敏轿车通常具有较轻的车身和灵活的悬架