車輛動(dòng)力學(xué) - 輪胎-2013-1

1、車輛動(dòng)力學(xué) - 輪胎 北京科技大學(xué)USTB 車輛工程專業(yè) 1. 輪胎的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系 子午線輪胎 斜交線輪胎 n輪胎基本構(gòu)造輪胎基本構(gòu)造 子午線輪胎比斜交輪胎的滾 動(dòng)阻力小20%30； 與簾線（棉、人造絲、尼 龍、鋼絲）和橡膠品質(zhì)有關(guān)。 基礎(chǔ)知識(shí)n輪胎標(biāo)識(shí)輪胎標(biāo)識(shí) 每一種輪胎都有其特定的標(biāo)識(shí)，以區(qū)別 于其它，供人們選用。 一般輪胎規(guī)格可描述為： 胎寬mm/胎厚與胎寬的百分比 R輪轂直 徑(英寸) 載重系數(shù)速度標(biāo)識(shí) 基礎(chǔ)知識(shí) 例如輪胎: 195/65 R14 88H 其含義為： n胎寬-195mm n胎厚與胎寬的百分比為-65%，即胎厚 =126.75, 126.75/195*100=65(%) n

2、輪轂直徑-14英寸 n載重系數(shù)-88 n速度系數(shù)-H 基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí) 輪胎輪胎是由復(fù)雜的橡膠簾布材料制成，其各向 異性的結(jié)構(gòu)決定了輪胎力學(xué)特性研究的難度。 輪胎與路面的相互作用輪胎與路面的相互作用(如附著或滑移，冰 路面或濕路面，變附著系數(shù))，輪胎的受力狀況輪胎的受力狀況 (如變載荷或變氣壓，慣性力，制動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)力， 側(cè)向力輸入，質(zhì)量不平衡等)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(如多自 由度，穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)，變速，高頻等)，生熱和生熱和 磨損磨損都是十分復(fù)雜的。 基礎(chǔ)知識(shí) u 按胎體骨架材料胎體骨架材料分類，有棉簾線輪胎、人造 絲簾線輪胎、尼龍簾線輪胎、聚酯簾線輪胎、 鋼絲簾線輪胎、澆注輪胎； u 按充氣壓力

3、充氣壓力標(biāo)準(zhǔn)不同可分為固定氣壓輪胎和調(diào) 壓輪胎； u 按用途不同用途不同，可分為汽車輪胎、工程機(jī)械輪胎、 農(nóng)業(yè)和林業(yè)機(jī)械輪胎、航空輪胎、摩托車輪胎、 工業(yè)車輛輪胎，畜力車輪胎(馬車輪胎)等 2. 車輪運(yùn)動(dòng)參數(shù) 滑動(dòng)率滑動(dòng)率sx： n表示車輪相對(duì)于純滾動(dòng)（或純滑動(dòng)）狀 態(tài)的偏離程度。 n驅(qū)動(dòng)工況時(shí)，滑轉(zhuǎn)率； n制動(dòng)工況時(shí)，滑移率； 輪胎的側(cè)偏角： n車輪平面與車輪中心運(yùn)動(dòng)方向的夾角。 輪胎的側(cè)向力： n一旦達(dá)到了附著極限，橡膠將相對(duì)于地 面沿橫向（垂直于輪胎平面）滑動(dòng)。切 向應(yīng)力的非對(duì)稱性將使得輪胎接地面區(qū) 域的抓地力分布不均。 輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象和側(cè)偏特性： 輪胎模型 (a) (b) 輪胎理論滑移

4、特性 如下圖 (a), (b)所示，為 了分析簡(jiǎn)便，假定車輪中 心固定，路面相對(duì)于車輪 中心移動(dòng)，若設(shè)輪胎圓周 速度為Vc，路面速度為VR， 則有 Vc =re y VR=-V n路面相對(duì)于車輪中心的速度VR是車輪平面的縱向速度 Vx和垂直于車輪平面的橫向速度Vy的合成速度。 n車輪的側(cè)偏角以及車輪胎面與路面間的滑移速度VS、 分別被定義為: arctan(/)yxVV 1 22 2 ()SCxVVVVy 輪胎運(yùn)動(dòng)參數(shù) 在這里，滑移速度VS與輪胎平面的夾角被定義 為滑移方向角: arcsin( / )yxV V 縱向滑移率在制動(dòng)時(shí) 定義為： 在驅(qū)動(dòng)時(shí)被定義為： 0 xc S x VV S V

5、0 xc S x VV S V 輪胎運(yùn)動(dòng)參數(shù) 僅由側(cè)偏角引起的橫向滑移率在制動(dòng)時(shí)與驅(qū)動(dòng) 時(shí)分別定義為： tanS (1) tanSSS 僅由側(cè)頃角引起的滑移率被定義為： sinS 輪胎運(yùn)動(dòng)參數(shù) 同時(shí)考慮側(cè)偏角以及側(cè)頃角時(shí)的橫向滑移率在 制動(dòng)時(shí)與驅(qū)動(dòng)時(shí)分別為： sin tan 2 l S r sin (1)tan 2 S l SS r 輪胎側(cè)向力 n由于車輪的種類不同， 所產(chǎn)生的側(cè)向力大小 顯著不同。 n鐵車輪，所能產(chǎn)生的 最大側(cè)向力還不到橡 膠輪胎的三分之一。 充氣橡膠輪胎車輪所 能產(chǎn)生的側(cè)向力大于 實(shí)心橡膠輪胎車輪。 3. 輪胎縱向力學(xué)特性 車輪滾動(dòng)阻力車輪滾動(dòng)阻力：滾動(dòng)車輪產(chǎn)生的所有阻力

6、n輪胎滾動(dòng)阻力：輪胎滾動(dòng)阻力： n道路阻力分量道路阻力分量：不平路面，塑性路面和濕 路面等引起的附加阻力 n輪胎側(cè)偏阻力分量輪胎側(cè)偏阻力分量：由輪胎的側(cè)向載荷使 輪胎側(cè)偏而產(chǎn)生的附加輪胎縱向阻力 輪胎的滾動(dòng)阻力 輪胎滾動(dòng)阻力輪胎滾動(dòng)阻力由以下組成： n彈性遲滯阻力彈性遲滯阻力：胎體變形引起的輪胎材料 遲滯作用是造成輪胎滾動(dòng)阻力； n摩擦阻力摩擦阻力：輪胎接地印跡內(nèi)，路面與滾動(dòng) 單元帶漸在縱向和橫向?qū)a(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng) 部分滑動(dòng)輪胎磨損轉(zhuǎn)化成熱 n風(fēng)扇效應(yīng)阻力風(fēng)扇效應(yīng)阻力：輪胎旋轉(zhuǎn)帶來的氣流損失 n輪胎等效為“彈簧-阻 尼單元”，開始做功 并將其轉(zhuǎn)化為熱消耗 掉。 n彈性遲滯阻力等于消 耗的阻尼與行駛

7、距離 之比。 彈性遲滯阻力彈性遲滯阻力 臨界車速（最高車速） 當(dāng)汽車車速超過臨界車速時(shí)，輪胎會(huì)出現(xiàn)駐波現(xiàn) 象，其周緣呈明顯的波浪狀，輪胎溫度快速增加。 后果是大量發(fā)熱導(dǎo)致輪胎破損或爆胎。 n駐波現(xiàn)象駐波現(xiàn)象：在高速行駛時(shí)，輪胎離開地面后 因變形所產(chǎn)生的扭曲并不立即恢復(fù)，其殘余 變形形成了一種波，這就是駐波。此時(shí)輪胎 周緣不再是圓形， 而呈明顯的波浪形。輪胎 剛離開地面時(shí)波的振幅最大，它按指數(shù)規(guī)律 沿輪胎圓周衰減。 輪胎的兩個(gè)最重要參數(shù)：極限速度和承載量。 n駐波駐波：（deformation wave) 高速情況下， n駐波會(huì)增加能量損失，產(chǎn)生大量的熱，最 終使輪胎破壞。 輪胎摩擦阻力 n輪胎

8、接地長(zhǎng)度：輪 胎接觸印跡區(qū)的對(duì) 應(yīng)弦長(zhǎng)。 由于接地區(qū)域中，縱向及橫向產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，引起 輪胎磨損，產(chǎn)生熱。 滾動(dòng)阻力與載荷的關(guān)系 n輪胎材料遲 滯作用是滾 動(dòng)阻力的主 要成分。 大致為線性關(guān)系 米西林推薦的模型： n滾動(dòng)阻力系數(shù)fR：相應(yīng)載荷作用下滾動(dòng)阻力與車輪垂直 載荷的比值 n滾動(dòng)阻力隨車輪載荷的增加而增加，而滾動(dòng)阻力系數(shù) 隨車輪載荷的增加而減小。 n此外，輪胎壓力，車速都對(duì)滾動(dòng)阻力系數(shù)有影響 , R R z w F f F 輪胎接地印跡內(nèi)的垂向和切向 應(yīng)力分布 n輪胎接地印跡中垂向壓力的變化形狀， 不對(duì)稱 斜交輪胎接地印跡內(nèi)的輪胎壓力 輪胎壓力 n氣壓越高，輪胎變形及由其產(chǎn)生的遲滯 損失

9、就越小，滾動(dòng)阻力也越小。 驅(qū)動(dòng)力 輪胎滾動(dòng)阻力降低的過程 道路阻力 n不平路面：彈性單元彈性恢復(fù)過程中釋 放的能量比壓縮過程中所作的少，損失 的為阻尼功。 n其值大?。翰黄铰范危▁距離內(nèi)）所作 的功W使車輪滾動(dòng)阻力增加了一附加 分量 F不平= W/x n塑性路面：承載車輪滾過后，將使路面產(chǎn)生 清晰可見的車轍。 n壓實(shí)阻力：土壤變形很小，滾過后可恢復(fù)； n推土阻力：土壤被擠到輪胎前部，這些路面物質(zhì) 的縱向和側(cè)向運(yùn)動(dòng)，造成輪胎的滾動(dòng)阻力。 n剪切阻力：輪胎花紋槽剪切阻力，由輪胎側(cè)壁和 路面物質(zhì)間的摩擦產(chǎn)生。 輪胎內(nèi)部壓力增加導(dǎo)致附加阻力增大，因輪胎 接地印跡減小，輪胎的下陷量加大。 塑性路面 n道

10、路狀況不同下的滾動(dòng)阻力系數(shù) n濕路面濕路面:水膜區(qū)，過度區(qū)和直接接觸區(qū) 濕路面 影響該值的因素： n水深，表面的紋理，排干程度； n接觸區(qū)的壓力分布：構(gòu)成，大小，印跡 形狀； n輪胎的溝槽，磨損 10 E tw R W u F N 擾流阻力FR： W t輪胎寬度 Uw：車輪前進(jìn)速度 N,E：擾流阻力系數(shù) n濕路面 4. 輪胎側(cè)偏阻力 n輪胎側(cè)向力與側(cè)偏角的關(guān)系： n車輪定位角的影響 車輪前束角 車輪外傾角 y FC 5.輪胎縱向力與滑動(dòng)率的關(guān)系 n驅(qū)動(dòng)力系數(shù)（縱向力Fx/垂向載荷Fy） 輪胎初始的滑轉(zhuǎn)主要由胎面的彈性形變引起的。 n胎面單元沿輪胎接觸面上的位移（自由滾 動(dòng)，行駛，制動(dòng)） n由于

11、輪胎的變 形，接地印跡 處的縱向力將 引起滑移（滑 轉(zhuǎn)）。 n制動(dòng)力系數(shù) bx b z F F 制動(dòng)力Fbx 輪胎法向載荷Fz n制動(dòng)時(shí)，縱向制動(dòng)力 隨滑移率的提高而迅 速增加，并很快達(dá)到 最大值。 n 隨之滑移率的增加， 制動(dòng)力逐漸下降，直 到純滑移而達(dá)到飽和 狀態(tài)。 n輪胎類型，車輛行駛速度，輪胎輪胎類型，車輛行駛速度，輪胎 載荷載荷均對(duì)驅(qū)動(dòng)（制動(dòng)）力系數(shù)與 車輪滑轉(zhuǎn)率有關(guān)系。 n側(cè)偏角對(duì)制動(dòng)力的影 響 不同路面下的附著力 n不同路面下縱向力系數(shù)的峰值及滑移值 n載荷和車速對(duì)驅(qū)動(dòng)力系數(shù)的影響 n大型卡車在不同路面下附著性能的改變 6.輪胎的側(cè)向力特性 n影響側(cè)向力的三個(gè)因素：側(cè)偏角，垂 向

12、載荷和前輪外傾角。 n側(cè)偏角車速，側(cè)向速度，橫擺速 度和轉(zhuǎn)向角所決定 n垂向載荷：車輛的質(zhì)量分布； n外傾角：由轉(zhuǎn)向角和懸架桿系的作用。 n聯(lián)合工況下：車輛轉(zhuǎn)彎加速或轉(zhuǎn)彎制動(dòng)； n復(fù)合工況： 轉(zhuǎn)向中的制 動(dòng) n摩擦橢圓 聯(lián)合工況 n同時(shí)側(cè)向力和縱向力、垂向載荷的相互作用。 n聯(lián)合工況下，輪胎印跡內(nèi)所產(chǎn)生的合力 是一定的，最大摩擦力限制下，輪胎不 能同時(shí)達(dá)到最大的側(cè)向力和最大的縱向 力。 n摩擦橢圓摩擦橢圓一系列給定滑移率或側(cè)偏 角情況下，輪胎側(cè)向力與縱向力的關(guān)系 曲線。 n側(cè)向力Fy與側(cè)偏角a的關(guān)系(a=0處） 是線性操縱穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。 純轉(zhuǎn)向工況 n地毯圖：垂向載荷作用下側(cè)向力與側(cè)偏 角的關(guān)系 n由于輪胎的非線性，隨著輪胎載荷的增 加，輪胎力對(duì)輪胎載荷的絕對(duì)斜率將減 小。轉(zhuǎn)向中，由于內(nèi)外輪力分布的不同， 每根軸上平均側(cè)向輪胎力減小。 n輪胎的轉(zhuǎn)向剛度隨載荷的增大而減小。 3.輪胎的垂向特性 n以輪胎所受載荷和變形的曲線表示輪胎 的剛度特性，輪胎載荷與垂向變形基本 呈線性關(guān)系。 n靜剛度：基本不隨載荷變化 n靜剛度： n非滾動(dòng)剛度：下拋，胎面不離地面；由 振動(dòng)曲線求得；