第講汽車輪胎動(dòng)力學(xué)與建模方法課件

1、1,輪胎動(dòng)力學(xué)及建模方法,第一講,2,1.1輪胎的功能、結(jié)構(gòu)及發(fā)展 1.2輪胎模型 1.3輪胎縱向力學(xué)特性 1.4輪胎垂向力學(xué)特性 1.5輪胎側(cè)向力學(xué)特性,3,1.1輪胎的功能及結(jié)構(gòu),三種輪胎必備的基本功能： 1） 支撐垂直負(fù)載，同時(shí)緩沖路面沖擊 2） 產(chǎn)生縱向的加速和制動(dòng)力 3） 產(chǎn)生供轉(zhuǎn)向的側(cè)向力,4,輪胎基本結(jié)構(gòu) 1）胎體輪胎最重要的部分，其結(jié)構(gòu)決定了輪胎的基本性能 2）胎圈便于胎體從輪輞上裝卸，需有一定剛度，以保證與輪輞緊密貼合 3）胎面包括胎冠、胎肩和胎側(cè),5,輪胎結(jié)構(gòu)實(shí)例 圖1-1 斜交胎和子午胎的結(jié)構(gòu)實(shí)例,6,1.2 輪胎模型,輪胎運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系 冪指數(shù)統(tǒng)一輪胎模型 “魔術(shù)公式”輪胎

2、模型（Magic Formula Tire Model） SWIFT輪胎模型,7,輪胎運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系,圖1-2 輪胎的坐標(biāo)系與地面作用于輪胎的力和力矩,8,冪指數(shù)統(tǒng)一輪胎模型,穩(wěn)態(tài)縱滑側(cè)偏聯(lián)合工況時(shí)，輪胎的縱向力 、側(cè)向力 與回正力矩 的表達(dá)式： 無量綱總切向力， 相對(duì)總滑移率， 輪胎的側(cè)向偏矩， 側(cè)向剛度， 式中 均由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到,9,冪指數(shù)統(tǒng)一輪胎模型的特點(diǎn)： 1）采用了無量綱表達(dá)式，其優(yōu)點(diǎn)在于由純工況下的一次臺(tái)架試驗(yàn)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可用于各種不同的路面 2）無論是純工況還是聯(lián)合工況，其表達(dá)式是統(tǒng)一的 3）可表達(dá)各種垂向載荷下的輪胎特性 4）保證了可用較少的模型參數(shù)實(shí)現(xiàn)全域范圍內(nèi)的計(jì)算精度，

3、參數(shù)擬合方便，計(jì)算量小 5）能擬合原點(diǎn)剛度,10,魔術(shù)公式”輪胎模型（Magic Formula Tire Model,魔術(shù)公式”輪胎模型表達(dá)式： 式中，y可以是縱向力側(cè)向力或回正力矩，自變量x可以在不同的情況下分別表示輪胎的側(cè)偏角或縱向滑移率,11,魔術(shù)公式”輪胎模型的特點(diǎn),1）統(tǒng)一性強(qiáng)，編程方便，需擬合參數(shù)較少，且各個(gè)參數(shù)都有明確的物理意義，容易確定其初值 2）擬合精度比較高 3）參數(shù)的擬合較困難，計(jì)算量大 4）c值的變化對(duì)擬合的誤差影響較大 5）不能很好地?cái)M合小側(cè)偏情況下輪胎的側(cè)偏特性,12,1.3輪胎縱向力學(xué)特性,1）滾動(dòng)阻力（ Rolling resistance ） A）滾動(dòng)阻力是

4、如何形成的？ B）構(gòu)成： C）滾動(dòng)阻力的影響因素,13,A）滾動(dòng)阻力是如何形成的,彈性車輪在硬路面上的滾動(dòng) 從動(dòng)輪在硬路面上滾動(dòng)時(shí)的受力情況 加載前后胎側(cè)形狀的變化 輪胎徑向壓縮模式圖 由路面變形和輪轍摩擦引起的附加滾動(dòng)阻力 滾動(dòng)阻力(波阻)示意圖,14,彈性車輪在硬路面上的滾動(dòng),圖1-3 彈性車輪在硬路面上滾動(dòng),15,從動(dòng)輪在硬路面上滾動(dòng)時(shí)的受力情況,圖1-4 從動(dòng)輪在硬路面上滾動(dòng)時(shí)的受力情況,16,滾動(dòng)阻力,Fp1=Tf/r=Fz (a/r) 令f=(a/r) 而Fz=W Fp1=W f f 稱為滾動(dòng)阻力系數(shù),17,加載前后胎側(cè)形狀的變化,圖1-5 加載前后胎側(cè)形狀的變化（載荷:4.448

5、KN;氣壓:210KPa,18,輪胎徑向壓縮模式圖,圖1-6 輪胎徑向壓縮模式圖,19,由路面變形和輪轍摩擦引起的附加滾動(dòng)阻力,圖1-7由路面變形和輪轍摩擦引起的附加滾動(dòng)阻力,20,滾動(dòng)阻力(波阻)示意圖,不平路面造成的滾動(dòng)阻力： 車輪在不平路面上行駛時(shí)，它和車身也會(huì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)車身阻尼和路面不平度一起，造成了平均值不為零的振蕩的Fu和Fz減振器壓縮和伸長時(shí)做了功，這個(gè)功與汽車行駛過的路程之比被看作滾動(dòng)阻力（波阻），見圖,圖1-8 滾動(dòng)阻力(波阻)示意圖,21,B）構(gòu)成,There are at least seven mechanisms responsible for rolling res

6、istance: 1)Energy less due to deflection of the tire side wall near the contact area. 2)Energy loss due to deflection of the treads elements（外胎面）. 3)Scrubbing in the contact patch. 4)Tire slip in the longitudinal and lateral directions. 5)Deflection of the road surface. 6)Air drag on the inside and

7、outside of the tire. 7)Energy loss on bumps,22,C）滾動(dòng)阻力的影響因素,1）車速 （2）輪胎氣壓 （3）輪胎結(jié)構(gòu) （4）路面 （5）溫度 （6）轉(zhuǎn)彎行駛 （7）驅(qū)動(dòng)力系數(shù),23,Rolling resistance versus speed,圖1-9 Rolling resistance versus speed,24,滾動(dòng)阻力系數(shù)f的數(shù)值（不同路面,圖1-10 滾動(dòng)阻力系數(shù)f的數(shù)值（不同路面,25,轎車輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)與車速.壓力的關(guān)系曲線,圖1-11轎車輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)與車速.壓力的關(guān)系曲線,26,滾動(dòng)阻力系數(shù)與充氣壓力、徑向載荷的關(guān)系,圖

8、1-12 滾動(dòng)阻力系數(shù)與充氣壓力、徑向載荷的關(guān)系,27,轉(zhuǎn)彎時(shí)的滾動(dòng)阻力與車速的關(guān)系,圖1-13 轉(zhuǎn)彎時(shí)的滾動(dòng)阻力與車速的關(guān)系,28,Relative tire temperature and rolling resistance during warm-up,圖1-14 Relative tire temperature and rolling resistance during warm-up,29,滾動(dòng)阻力,有人推薦用下式計(jì)算良好道路上貨車輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù) f0.00760.000056ua 有人推薦用下面的公式估算轎車輪胎在良好路面上的滾動(dòng)阻力系數(shù),30,對(duì)轉(zhuǎn)鼓上測得的各試驗(yàn)曲線進(jìn)行擬

9、合，求得上式中的系數(shù)f0、f1、f4的數(shù)值如下,31,滾動(dòng)阻力系數(shù)與驅(qū)動(dòng)力系數(shù)的關(guān)系(驅(qū)動(dòng)力系數(shù)：驅(qū)動(dòng)力與徑向載荷之比,圖1-15 滾動(dòng)阻力系數(shù)與驅(qū)動(dòng)力系數(shù)的關(guān)系(驅(qū)動(dòng)力系數(shù):驅(qū)動(dòng)力與徑向載荷之比,32,硬路面上的附著系數(shù),1、車輪的三態(tài) 純滾動(dòng)v=r,33,硬路面上的附著系數(shù),1、車輪的三態(tài) 驅(qū)動(dòng)車輪vr,34,四、硬路面上的附著系數(shù),1、車輪的三態(tài) 制動(dòng)車輪vr,35,滑動(dòng)率,定義,圖1-16 制動(dòng)時(shí)輪胎留在地面上的印痕,36,滑動(dòng)率,制動(dòng)力系數(shù)b=Fxb/N-制動(dòng)力與垂直載荷之比 峰值附著系數(shù)p與滑動(dòng)附著系數(shù)s 側(cè)向力系數(shù)l-側(cè)向力與垂直載荷之比,37,2、滑動(dòng)率,圖1-17 有側(cè)偏時(shí)的

10、 、 曲線,38,影響附著系數(shù)的因素,路面,圖1-18 各種路面上的 曲線,39,影響附著系數(shù)的因素,路面 車速,圖1-19 車輪對(duì)制動(dòng)力系數(shù)曲線的影響,40,影響附著系數(shù)的因素,路面 車速 輪胎花紋 Sm-無花紋光胎面Rbd-有溝槽胎面 Spd-有溝槽且有小切縫胎面,41,滑水現(xiàn)象,42,1.4輪胎垂向力學(xué)特性,輪胎的垂向特性 充氣輪胎的一個(gè)基本功能是在不平路面行駛時(shí)起緩沖作用，該緩沖作用與充氣輪胎的彈性有關(guān)，通常以輪胎所受的載荷和變形的曲線來表示輪胎的剛度特性，它對(duì)車輛的行駛平順性行駛穩(wěn)定性和制動(dòng)性均有重要影響,43,靜剛度,圖1-23 1653型子午線轎車輪胎的靜載荷與變形的關(guān)系,44,

11、動(dòng)剛度,圖1-24 車速對(duì)轎車滾動(dòng)輪胎動(dòng)剛度的影響,45,輪胎垂直振動(dòng)的力學(xué)模型,圖1-25 點(diǎn)接觸式線性彈簧粘性阻尼模型,46,試驗(yàn)時(shí)汽車懸架被卡死,激勵(lì)由裝有正弦波鼓面的轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)產(chǎn)生，每周6個(gè)波峰，正弦波幅值0.01m，波長0.696m,圖1-26 不同工況下輪胎垂直振動(dòng)加速度響應(yīng)譜的計(jì)算值與試驗(yàn)值比較,47,1.5 輪胎的側(cè)向力學(xué)特性,一、直線行駛：輪胎承受垂直力和縱向力，縱向力有制動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)力、滾動(dòng)阻力。用縱向附著系數(shù)模型來解決制動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)力與垂直力的關(guān)系，用滾動(dòng)阻力系數(shù)模型來解決滾動(dòng)阻力與垂直力的關(guān)系。難點(diǎn)：附著效率和制動(dòng)效率 二、曲線行駛：側(cè)向力,48,輪胎的側(cè)偏特性,49,輪胎

12、的側(cè)偏特性,側(cè)向力Fy Side force,側(cè)偏力FY Cornering force,車輪如何滾動(dòng),圖1- 27 輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象 a)靜止 b)滾動(dòng),50,輪胎的側(cè)偏特性,側(cè)向力Fy Side force,側(cè)偏力FY Cornering force,圖1- 28 輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象 a)靜止 b)滾動(dòng),51,輪胎的側(cè)偏特性,三、輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象 1、定義： 側(cè)偏角:車輪行駛方向與車輪平面的夾角稱為側(cè)偏角。 2、方向,52,輪胎的側(cè)偏特性,問題：圖57中車輪的側(cè)偏角是正還是負(fù),X,y,FY0 0,53,輪胎的側(cè)偏特性,54,輪胎的側(cè)偏特性,55,輪胎的側(cè)偏特性,輪胎的側(cè)偏角和側(cè)偏力的關(guān)系（見試驗(yàn)曲

13、線） 小于45度，是線性關(guān)系，0度時(shí)的斜率是側(cè)偏剛度 。 側(cè)偏剛度 FY=K K0,56,輪胎的側(cè)偏特性,四、側(cè)偏剛度的影響因素 輪胎的尺寸、型式和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)側(cè)偏剛度有顯著影響，扁平率對(duì)輪胎側(cè)偏剛度影響很大,圖1-29 幾種不同扁平率子午線胎的側(cè)偏剛度與載荷的關(guān)系曲線 A-82系列 B-70系列 C-高性能70系列 D-60系列,57,輪胎的側(cè)偏特性,四、側(cè)偏剛度的影響因素： 輪胎的充氣壓力對(duì)側(cè)偏剛度也有顯著影響,圖1-30 輪胎充氣壓力對(duì)側(cè)偏剛度的影響 輪胎: 6.40-13 速度為11m/s 垂直載荷 W=4000N,58,輪胎的側(cè)偏特性,四、側(cè)偏剛度的影響因素： 垂直載荷的變化對(duì)輪胎側(cè)偏

14、特性有顯著影響,圖1-31 垂直載荷對(duì)側(cè)偏特性的影響,59,輪胎的側(cè)偏特性四、側(cè)偏剛度的影響因素：路面,圖1-32干路面和濕路面上的側(cè)偏特性 a干瀝青路面, 速度為16.1Km/h b濕混凝土路面, 速度為32.2Km/h C濕瀝青路面， 速度為14.5Km/h,60,輪胎的側(cè)偏特性,四、側(cè)偏剛度的影響因素： 行駛車速對(duì)側(cè)偏剛度的影響很小,61,輪胎的側(cè)偏特性,五、回正力矩繞軸的力矩：回正力矩是由接地面內(nèi)分布的微元側(cè)向反力產(chǎn)生的,圖1-33 接地印跡內(nèi)地面?zhèn)认蚍醋饔昧Φ姆植技盎卣氐漠a(chǎn)生,62,輪胎的側(cè)偏特性,回正力矩的影響因素： 垂直載荷,63,輪胎的側(cè)偏特性,回正力矩的影響因素： 輪胎的

15、型式及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)回正力矩一側(cè)偏角特性有重要影響,64,輪胎的側(cè)偏特性,回正力矩的影響因素：地面切向反作用力對(duì)回正力矩的影響,圖1-34 地面切向反作用力對(duì) 回正力矩的影響,65,輪胎的側(cè)偏特性,五、有外傾角時(shí)輪胎的滾動(dòng),圖1-35 車輪外傾角與外側(cè)向力,66,輪胎的側(cè)偏特性,圖136 有外傾角時(shí)輪胎的側(cè)偏特性 a)外傾角與外傾側(cè)向力的關(guān)系b),c)有外傾角時(shí)的側(cè)偏特性,67,輪胎的側(cè)偏特性,為三條相互平行的直線，故可認(rèn)為在各種外傾角下，輪胎側(cè)偏剛度是一樣的,68,輪胎的側(cè)偏特性,2）側(cè)偏角為零時(shí)的地面?zhèn)认蛄Ρ闶峭鈨A側(cè)向力Y, Y= k,69,輪胎的側(cè)偏特性,3）地面?zhèn)认蛄閅，時(shí)的側(cè)偏角，等于外傾角為零時(shí)Y產(chǎn)生的側(cè)偏角與由此外傾角產(chǎn)生的側(cè)偏角之和。如外傾角為正值時(shí)