輪胎力學(xué)特性-充氣輪胎力學(xué)

1、充氣輪胎力學(xué),輪胎標(biāo)識含義,A 胎 面 寬 度 W 輪 胎 斷 寬 H 輪 胎 斷 高 E 輪 輞 外 徑 F 輪 胎 外 徑 G 扁 平 比 H / W,E,F,A,H,1、概述,作用：輪胎是車輛重要的組成部分，功能包括： 支撐整個車輛； 與懸架元件共同作用，抑制由路面不平引起的振動與沖擊； 傳遞縱向力以實現(xiàn)加速、驅(qū)動和制動； 傳遞側(cè)向力，為車輛提供轉(zhuǎn)向并保證行駛穩(wěn)定性,輪胎的要求,有足夠的強(qiáng)度和壽命、氣密性好，保持行駛安全； 良好的彈性和阻尼特性，噪聲小，保證乘坐舒適和安全； 胎面花紋要增強(qiáng)與地面的附著性，保證必要的驅(qū)動力和制動效能； 輪胎變形時，材料中摩擦損失或遲滯損失要小，保證滾動阻力

2、??； 輪胎側(cè)偏特性好，保證轉(zhuǎn)向靈敏和良好的方向穩(wěn)定性,荷重的支撐,方向的維持與轉(zhuǎn)變,驅(qū)動、加速、減速、制動,沖擊的吸收,輪胎的類型和各類輪胎的特點,按用途分為： 載貨汽車輪胎（重型、中型、輕型）、 轎車輪胎 有無內(nèi)胎分為： 有內(nèi)胎輪胎； 無內(nèi)胎輪胎。 按輪胎結(jié)構(gòu)特點分為： 斜交輪胎；子午線輪胎。 按輪胎胎面花紋可分為： 普通花紋輪胎、混合花紋輪胎、越野花紋輪胎； 按充氣大小分為： 高壓、 低壓、 超低壓,二、輪胎結(jié)構(gòu)特點,普通斜交輪胎,胎冠及胎側(cè)由相同的結(jié)構(gòu)層構(gòu)成,各層重疊構(gòu)成較厚的胎體結(jié)構(gòu)層,胎體由幾個斜交叉的簾布層構(gòu)成,普通斜交輪胎： 優(yōu)點：外胎面柔軟；制造容易；噪音小；價格低； 缺點：輪

3、胎易磨損；高速時的穩(wěn)定性差；受側(cè)向力時接地面積變小，抗側(cè)向力能力差；承載能力小,子午線輪胎,胎冠和胎側(cè)獨立活動, 可以提供更大的接地面積,胎面磨耗均勻而且緩慢,胎體由單獨一層鋼絲簾布構(gòu)成，這樣就沒有了層間的摩擦，行駛時生熱更低,胎冠由鋼絲環(huán)帶固定，改善了輪胎的抗刺穿及抗撕裂性能,子午線輪胎的特點： 優(yōu)點：接地面積大，附著性能好，磨損少，壽命長 胎冠較厚，行駛時變形小，可降低油耗； 簾布層少，胎側(cè)薄，散熱性好； 徑向彈性大，緩沖性好、負(fù)荷能力大； 承受側(cè)向力時，接地面積基本不變，行駛穩(wěn)定性好。 缺點： 胎側(cè)薄且軟，胎冠厚，在過渡區(qū)容易產(chǎn)生裂紋 制造技術(shù)要求高，成本高,輪胎的規(guī)格與標(biāo)記 1）斜交胎

4、規(guī)格：用B-d表示，B為輪胎名 斷面寬度，d為輪輞名義直徑代號,2）子午線輪胎規(guī)格：用BRd表示， R代表子午線輪胎。目前國產(chǎn)轎車子午線輪胎 有80，75，70，65，60五個系列,輪胎結(jié)構(gòu)發(fā)展,輪胎是典型的粘彈性結(jié)構(gòu)，其材料組成十分復(fù)雜（橡膠41%、炭黑37%、油18%、化學(xué)物質(zhì)等）。 橡膠混合物的材料構(gòu)成、胎面花紋以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是決定輪胎品質(zhì)的重要因素。 其結(jié)構(gòu)特性直接影響了輪胎的物理特性，包括前進(jìn)方向所受的滾動阻力、車輪所提供的垂向減振與緩沖作用，以及為車輛提供側(cè)向轉(zhuǎn)向力的能力。 下面以德國新倍力（Semperit)輪胎為例說明輪胎的發(fā)展進(jìn)程,3、輪胎模型,描述了輪胎六分力與車輪運動參數(shù)

5、之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，即輪胎在特定工作條件下的輸入和輸出之間的關(guān)系,車輪運動參數(shù),滑動率S (滑轉(zhuǎn)/滑移） 車輪相對于純滾動（或純滑動）狀態(tài)的偏離程度，是影響輪胎產(chǎn)生縱向力的一個重要因素。0 s 1 驅(qū)動：雪天打滑 制動：完全抱死,車輪運動參數(shù),輪胎側(cè)偏角 是影響輪胎側(cè)向力的一重要因素，定義為車輪平面與車輪中心運動方向的夾角,X軸：車輪平面與地平面的交線,式中：u -輪心前進(jìn)速度； v -車輪側(cè)向速度,作用在輪胎上的力和力矩,車輪平面 垂直于車輪旋轉(zhuǎn)軸線的輪胎中分平面稱為車輪平面 坐標(biāo)系的原點O 車輪平面和地平面的交線與車輪旋轉(zhuǎn)軸線在地平面上的投影線的交點 車輪平面與地平面的交線取為X軸，規(guī)定向前為

6、正 Z軸與地面垂直規(guī)定為正 Y軸在地平面上規(guī)定面向車輪前進(jìn)方向時指向左方為正,輪胎坐標(biāo)系,車輪運動參數(shù),輪胎徑向變形 車輛行駛過程中遇到路面不平度影響而使輪胎在半徑方向上產(chǎn)生的變形，定義為無負(fù)載時的輪胎半徑與負(fù)載時的輪胎半徑之差,式中：r t -無負(fù)載時的輪胎半徑； r tf -負(fù)載時的輪胎半徑,輪胎模型,根據(jù)車輪動力學(xué)研究內(nèi)容不同： 縱滑模型：預(yù)測車輛在驅(qū)動與制動工況下的縱向力 側(cè)偏模型和側(cè)傾模型：預(yù)測輪胎的側(cè)向力和回正力矩 垂向振動模型：用于高頻垂向振動的評價,3、輪胎模型分類,經(jīng)驗?zāi)Ｐ?根據(jù)輪胎的實驗數(shù)據(jù)，通過插值或函數(shù)擬合方法給出預(yù)測輪胎特性的公式 物理模型 根據(jù)輪胎與路面之間的相互作

7、用機(jī)理和力學(xué)關(guān)系建立模型，旨在模擬力和力矩產(chǎn)生的機(jī)理和過程,3、輪胎模型,基于物理建模的輪胎模型 輪胎通常被簡化成一系列理想化、具有給定的物理特性的徑向排列的彈性單元體。根據(jù)輪胎與路面相互作用的關(guān)系，推導(dǎo)出以數(shù)學(xué)公式表達(dá)的物理過程模型。幾個典型的輪胎物理模型： (1)弦模型； (2)梁模型； (3)刷子模型； (4)輻條模型,3、輪胎模型,基于實測數(shù)據(jù)的輪胎經(jīng)驗?zāi)Ｐ?經(jīng)驗?zāi)Ｐ捅仨毘浞掷盟锌色@得的數(shù)據(jù)，以此來計算各種運行工況范圍內(nèi)的輪胎力。 兩種典型的測量方法： 實車中安裝一個測試輪胎； 是轉(zhuǎn)鼓實驗臺上測試輪胎,3、輪胎模型,基于實測數(shù)據(jù)的輪胎經(jīng)驗?zāi)Ｐ?插值法： 數(shù)據(jù)太少，插值不可靠；數(shù)據(jù)太

8、多，插值過于復(fù)雜。 超出測試點之外的插值法通常不可靠。 不如數(shù)據(jù)擬合函數(shù)可靠。被函數(shù)擬合取代 簡單函數(shù)擬合法 復(fù)合函數(shù)擬合法,3、輪胎模型,基于實測數(shù)據(jù)的輪胎經(jīng)驗?zāi)Ｐ?簡單函數(shù)擬合法 大多情況下輪胎側(cè)向力F、與側(cè)偏角，側(cè)向力與垂直載荷的關(guān)系可近似用指數(shù)函數(shù)形式表達(dá)如F： 適用小側(cè)偏角或小垂直載荷的線性特性，也適用于大側(cè)偏角或大載荷下的飽和情況。 對最簡單的操縱模型而言，輪胎的垂直載荷通常假定為恒定，只利用第1個公式。在完全線性模型中，當(dāng)側(cè)偏角為0時的梯度，即為系數(shù)A1，該值表示輪胎的側(cè)偏剛度，通常用K表示。 如果垂直載荷變化（如考慮了載荷的重新分配），則可把上式合為一個公式,3、輪胎模型,基于

9、實測數(shù)據(jù)的輪胎經(jīng)驗?zāi)Ｐ?復(fù)合函數(shù)擬合法：魔術(shù)公式，越來越占據(jù)主導(dǎo)地位 與簡單函數(shù)擬合方法采用相同的思想只是更復(fù)雜。 魔術(shù)公式輪胎模型（Magic Formula Tire Model)為側(cè)向力、回正力矩和縱向力提供了一個統(tǒng)一形式的函數(shù)擬合公式，其通式表達(dá)如下（Pacejka教授提出）： 式中，Y可以是縱向力、側(cè)向力或回正力矩 x可以在不同的情況下分別表示輪胎側(cè)偏角或縱向滑移率,3、輪胎模型,復(fù)合函數(shù)擬合法：魔術(shù)公式,圖中曲線可以是縱向力、側(cè)向力或回正力矩； D ：曲線峰值 C：曲線形狀系數(shù)，控制曲線的形狀 由曲線峰值 yp, 穩(wěn)態(tài)值 ys決定 B：也稱剛度系數(shù) E：控制曲線峰值處的曲率,3、輪

10、胎模型,基于實測數(shù)據(jù)的輪胎經(jīng)驗?zāi)Ｐ?復(fù)合函數(shù)擬合法：魔術(shù)公式的特點 用一套公式表達(dá)輪胎的各向力學(xué)特性，統(tǒng)一性強(qiáng) 對縱向力、側(cè)向力或回正力矩，擬合精度都比較高 魔術(shù)公式為非線性函數(shù)，參數(shù)的擬合較困難，有些參數(shù)與垂直載荷的關(guān)系也是非線性的，計算量大 C值的變化對擬合的誤差影響較大 不能很好的擬合小側(cè)偏情況下的輪胎側(cè)偏特性 現(xiàn)在，越來越多的制造商以“魔術(shù)公式”系數(shù)的形式為正車提供輪胎數(shù)據(jù)，而不再以表格或圖形提供數(shù)據(jù),3、輪胎模型,基于理論與試驗基礎(chǔ)上的輪胎經(jīng)驗?zāi)Ｐ?冪指數(shù)統(tǒng)一輪胎模型： 半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，由郭孔輝院士提出 可用于輪胎的穩(wěn)態(tài)側(cè)偏、縱滑及縱滑側(cè)偏聯(lián)合工況 通過獲得有效的滑移率，該模型也可進(jìn)行非

11、穩(wěn)態(tài)工況下的輪胎縱向力、側(cè)向力及回正力矩的計算 類似簡單函數(shù)擬合法 SWIFT（Short Wavelength Intermediate Frequency Tire)輪胎模型 剛性圈理論與魔術(shù)公式結(jié)合的產(chǎn)品，適合小波長、大滑移幅度下的高頻輸入情況 考慮側(cè)向力和回正力矩時：采用Magic Formula公式； 考慮縱向力和垂直力時：采用剛性圈理論,4、輪胎縱向力特性,輪胎滾動阻力 道路阻力 輪胎側(cè)偏阻力 總的車輪滾動阻力 輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系,輪胎滾動阻力,彈性遲滯損失：9095% 胎體變形所引起的輪胎材料遲滯作用是造成輪胎滾動阻力的主要原因。輪胎內(nèi)部摩擦產(chǎn)生遲滯損失。 摩擦阻力：210

12、% 在輪胎接觸印跡內(nèi)，路面與滾動單元帶之間在縱向和橫向?qū)a(chǎn)生相對運動，由于部分滑動引起輪胎磨損，其能量轉(zhuǎn)換熱，由此產(chǎn)生阻力。 風(fēng)扇效應(yīng)阻力： 1.53.5% 輪胎的旋轉(zhuǎn)運動會導(dǎo)致氣流損失,輪胎徑向變形曲線,輪胎滾動阻力,滾動阻力系數(shù) 滾動阻力 ： 彈性遲滯損失 摩擦阻力 風(fēng)扇效應(yīng)阻力 滾動阻力系數(shù)： 滾動阻力/車輛垂直載荷,輪胎滾動阻力,輪胎壓力: 結(jié)構(gòu): 輪胎結(jié)構(gòu)、材料、簾線、花紋、胎面對f 的影響也很大。 子午線輪胎 f 小，天然橡膠 f 低 載荷： 載荷越大，滾動阻力越大，但滾動阻力系數(shù)變化不大,滾動阻力系數(shù)的影響因素,道路阻力,不平路面： 塑性路面：松軟路面 壓實阻力、推土阻力、剪切阻

13、力 濕路面 水膜區(qū)、過渡區(qū)，接觸區(qū) 速度、花紋、路面不平情況,輪胎側(cè)偏阻力,側(cè)向載荷的影響 滾動阻力：水平滾動阻力 側(cè)向力分力 車輪定位的影響 前束角：可產(chǎn)生側(cè)偏角 外傾角：可產(chǎn)生側(cè)偏角 通過分析受力可得到影響，增加了滾動阻力,總的車輪滾動阻力,總的車輪滾動阻力組成 輪胎滾動阻力 道路阻力 輪胎側(cè)偏阻力,輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系,制動,驅(qū)動,輪胎與路面間的附著性能是決定汽車安全性的重要因素之一。統(tǒng)計資料顯示，有5一10的公路運輸事故是因為附著力不夠而造成的，在濕滑路面上事故率更高，可達(dá)交通事故的25一40。因此，國際公路協(xié)會規(guī)定了不同路面條件下的最低附著系數(shù)，一般最低附著系數(shù)在0406之間,路

14、面類型,圖4-5 各種路面上的 曲線,影響附著系數(shù)的因素,輪胎結(jié)構(gòu)與材料對附著系數(shù)有很大的影響，改變輪胎的結(jié)構(gòu)參數(shù)(如行駛面曲率、胎面花紋、斷面輪廓曲率以及簾線角大小等)，可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)影響附著系數(shù)。 首先要準(zhǔn)確選擇行駛面的曲率，可使胎面在接地面內(nèi)具有較小的應(yīng)力，這樣可獲得較好的附著性能；其次是增加胎面花紋的分散度，減小斷面輪廓肩部曲率半徑以及提高胎體彈性等。采用這些措施后，制動輪胎，在濕路面和打滑路面上可提高附著性能。通常于午線輪胎與寬斷面、低氣壓和有胎面花紋的輪胎具有比斜交輪胎高的附著系數(shù),輪胎結(jié)構(gòu)及所用材料,圖4-6 垂直載荷對附著系數(shù)的影響,圖4-7 氣壓對附著系數(shù)的影響,輪胎載荷

15、與氣壓,1.干瀝青路面；2.濕瀝青路面,1.干瀝青路面；2.濕瀝青路面；3.冰雪路面,車速,圖4-8 車速對制動力系數(shù)曲線的影響,1 ) 輪胎的剛度特性 2 ) 輪胎垂向振動的力學(xué)模型 3）輪胎振動對汽車性能的影響,5、垂向特性,1 ) 輪胎的剛度特性,充氣輪胎的一個基本功能是在不平路面行駛時起緩沖作用，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，它對車輛的行駛平順性行駛穩(wěn)定性和制動性均有重要影響,實際輪胎滾動時的剛度稱為輪胎動剛度。 輪胎動剛度是以測定滾動輪胎對已知正弦激勵的響應(yīng)來確定的。通常在輪轂處測量響應(yīng)，而激勵作用在胎面上，通過計算輸入輸出之比

16、和相位角，即可求出滾動輪胎動剛度和阻尼系數(shù)。 輪胎動剛度也可通過在輪轂或皮帶上滾動輪胎測量其共振頻率而求出。下圖為以這種方法測得的各種類型輪胎的動剛度,圖7-3 簡單輪胎力學(xué)模型,2 ) 輪胎垂向振動的力學(xué)模型,對汽車平順性的影響 由于輪胎的振動，對汽車懸架系統(tǒng)中彈性元件的振動形成干擾，因而懸架中要產(chǎn)生振動疊加，這就要求汽車設(shè)計時要將輪胎的參數(shù)與懸架參數(shù)結(jié)合起來考慮，以便獲得良好的汽車平順性。 例如，用子午線輪胎匹配好的汽車，其他汽車參數(shù)不變而只將輪胎換成斜交胎后，汽車平順性等將變差,3）輪胎振動對汽車性能的影響,對汽車操縱穩(wěn)定性的影響 輪胎在汽車轉(zhuǎn)彎行駛時發(fā)生振動，會引起車身異常振動。汽車轉(zhuǎn)

17、向盤發(fā)生擺振，駕駛員無法操縱汽車行駛，導(dǎo)致汽車的操縱穩(wěn)定性變差。 對汽車行駛速度的影響 由于汽車振動時汽車的操縱穩(wěn)定性變差，駕駛員不得不使汽車減速以確保汽車安全行駛，這影響了汽車行駛速度的發(fā)揮，降低了運輸生產(chǎn)效率,對汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響 輪胎的振動必然將汽車行駛中的一部分動能轉(zhuǎn)變成輪胎的變形，將生成熱量并傳到大氣中去而使汽車的能量損失，從而造成汽車燃油經(jīng)濟(jì)性變差，使油耗增加。 對汽車安全性能的影響 汽車在行駛過程中輪胎發(fā)生振動，將影響到輪胎與路面的附著能力，過大的輪胎振動會導(dǎo)致輪轂軸承的異常磨損，從而惡化汽車的技術(shù)狀況，直接影響汽車行駛安全。 此外，輪胎的振動還會影響汽車的制動性、轉(zhuǎn)向輕便性以

18、及輪胎的使用壽命等,1 ) 側(cè)偏角與側(cè)偏力 2 ) 側(cè)傾角與外傾側(cè)向力 3 ）回正力矩 4 ）驅(qū)動、制動時的側(cè)偏特性,6、側(cè)向力學(xué)特性,1 ) 側(cè)偏角與側(cè)偏力,圖5-1 輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象,輪胎的側(cè)偏特性,輪胎的側(cè)偏角和側(cè)偏力的關(guān)系（見試驗曲線） 小于45度，是線性關(guān)系，0度時的斜率是側(cè)偏剛度 。 側(cè)偏剛度 FY=K K0,圖5-2 輪胎的側(cè)偏特性,影響輪胎側(cè)偏特性的主要因素如下,1）輪胎結(jié)構(gòu) （2）輪胎的扁平率 （3）垂直載荷的變化 （4）充氣壓力 （5）路面類型及干濕狀況 （6）車速,側(cè)偏力的影響因素,輪胎結(jié)構(gòu) 類型：子午線輪胎斜交輪胎； 材料：鋼絲尼龍輪胎 尺寸的輪胎，k 輪胎扁平率：輪胎斷

19、面高度與斷面寬度之比H /B ， k 輪胎充氣壓力 ，k ； 垂直載荷FZ 載荷 ，k ，載荷太大時，k； 路面材料、結(jié)構(gòu)、潮濕程度 潮濕特別在積水時，k 很大 行駛車速對k影響較小 車輪外傾角,輪胎外傾角對側(cè)偏力的作用,原因：外傾角存在：車輪有向外張開滾動 但前軸約束：2車輪一起行駛 結(jié)果：車輪中心有一Fy的側(cè)向力 于是地面與輪胎間產(chǎn)生側(cè)偏力,外傾角與外傾側(cè)向力的關(guān)系 W ，Ky,有外傾角時輪胎的側(cè)偏特性 側(cè)偏特性具有平移特點,輪胎外傾角對側(cè)偏力的作用,側(cè)偏力組成： 由側(cè)偏角產(chǎn)生的側(cè)偏力 由側(cè)傾角產(chǎn)生的側(cè)傾力,通常輪胎的外傾剛度的大小只有側(cè)偏剛度的1020%。同時，當(dāng)外傾角增大時，胎面與路面的接觸情況越來超差，會影響輪胎最大地面?zhèn)认蚍醋饔昧Χ鴵p害汽車的極限性能，并使輪胎過度磨損。所以高速轎車特別是采用超寬斷面輪胎的競賽車，轉(zhuǎn)彎行駛時承受大部分前側(cè)向力的前外輪應(yīng)盡量垂直于地面，即外傾角等于零,在輪胎發(fā)生側(cè)偏時，還會產(chǎn)生使輪胎繞Oz軸轉(zhuǎn)動的力矩Tz。汽車圓周行駛時，Tz是使轉(zhuǎn)向車輪恢復(fù)到直線行駛位置的主要恢復(fù)力矩之一，稱