第一章地面 輪胎力學(xué)

1、第一章第一章 地面輪胎力學(xué)地面輪胎力學(xué) 問題回顧問題回顧 汽車六大性能: l1、計算汽車的通過性時，滿載還是空載？ l2、發(fā)動機與輪胎的受力是什么關(guān)系？ 第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述 l輪胎是連接汽車車身與道路的唯一部件，其基本職能是支承車 輛重量、傳遞驅(qū)動和制動力矩，吸振以及保證轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。汽 車的運動依賴于輪胎所受的力。 l輪胎力學(xué)是研究輪胎受力、變形和運動響應(yīng)之間關(guān)系的，它的 主要任務(wù)是建立精確實用的數(shù)學(xué)模型，描述輪胎的力學(xué)特性。 第三節(jié)第三節(jié) 作用在車輪上的力和力矩作用在車輪上的力和力矩 l一、輪胎坐標(biāo)系 x y X F Z F 回回正正力力矩矩 z T x T翻翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)力力矩矩 y T 外

2、傾角外傾角 y F 側(cè)偏角側(cè)偏角 滾動阻力矩 地面反作用力縱向分力 地面反作用力側(cè)向分力 二、輪胎六分力二、輪胎六分力 l在輪胎坐標(biāo)系中，地面作用在輪胎上的主要力和力矩 有：（在輪胎坐標(biāo)系中已標(biāo)注） l縱向力F x 地面切向反作用力沿x軸的分量； l側(cè)向力F y 地面切向反作用力沿y軸的分量； l地面法向反作用力F z ； l翻轉(zhuǎn)力矩M x 地面反作用力繞x軸的力矩； l滾動阻力矩M y 地面反作用力繞y軸的力矩； l回正力矩M z 地面反作用力繞z軸的力矩。 第四節(jié)第四節(jié) 輪胎的縱向力學(xué)特性輪胎的縱向力學(xué)特性 l輪胎內(nèi)部摩擦產(chǎn)生的遲滯損失。這種遲滯損失輪胎內(nèi)部摩擦產(chǎn)生的遲滯損失。這種遲滯損失

3、 表現(xiàn)為阻礙車輪運動的阻力偶。表現(xiàn)為阻礙車輪運動的阻力偶。 一、滾動阻力一、滾動阻力 C D KNF, mmh/ Z F 圖圖1-9 輪胎徑向變形曲線輪胎徑向變形曲線 1Z F a 1x F 1f T 1 W 1p F a u 圖圖1 11111 滾動阻力系數(shù) l 輪胎內(nèi)部摩擦產(chǎn)生遲滯損失，這種輪胎內(nèi)部摩擦產(chǎn)生遲滯損失，這種 損失表現(xiàn)為阻礙車輪運動的阻力偶。損失表現(xiàn)為阻礙車輪運動的阻力偶。 1 1 11 11 111111 W F ffWF r a f F r a F rFrFaFTWF p p zp pxzfz 則令 滾動阻力系數(shù)f f l滾動阻力系數(shù)滾動阻力系數(shù) l 車輪在一定條件下，滾動

4、所車輪在一定條件下，滾動所 需要推力需要推力Fp1與負(fù)荷與負(fù)荷W1之比，即之比，即 單位重力的推力單位重力的推力： r T F W F f f p p 1 1 1 1 且 阻力偶用滾動阻力描述 滾動阻力無法在受力圖上畫出，它是滾動阻力無法在受力圖上畫出，它是 一個數(shù)值，在受力圖上它是切向反力。一個數(shù)值，在受力圖上它是切向反力。 11x FWf 在實際計算時，可不必考慮阻在實際計算時，可不必考慮阻 力偶，而用滾動阻力替代力偶，而用滾動阻力替代 滾動阻力系數(shù)的試驗確定法 牽引法、滑行法和轉(zhuǎn)鼓法 l1. 速度速度ua對對 f 的影響的影響 脫落和爆裂。產(chǎn)生駐波現(xiàn)象，高溫、 fhkmu constfh

5、kmu a a ,/200 .,/100 對對 f 的影響因素的影響因素 2. 輪胎的結(jié)構(gòu)、材料、簾線對輪胎的結(jié)構(gòu)、材料、簾線對f 的影的影 響也很大。子午線輪胎響也很大。子午線輪胎 f 小，天然橡膠小，天然橡膠 f 低。低。 fP fW P fP a a a 參與變形 （稍微） 道路壽命道路受力 f 的經(jīng)驗公式 aa a a uf,uf u.f )/u(ff 商用車轎車 商用車： 轎車： 2 2 0 000056000760 194401 甚至增加幾十倍。側(cè)滑時 。通常不考慮轉(zhuǎn)彎的影響 轉(zhuǎn)彎時 f %,f10050 表表2-5 車輪滾動阻力系數(shù)車輪滾動阻力系數(shù) 路面類型路面類型滾動阻力系滾動

6、阻力系 數(shù)數(shù) 路面類型路面類型滾動阻力系滾動阻力系 數(shù)數(shù) 瀝青或混凝土路面（新） 瀝青或混凝土路面（磨舊） 碎石路面 卵石路面（平） 卵石路面（坑洼） 壓實土路（干燥） 0.0100.018 0.0180.020 0.0200.025 0.0350.030 0.0350.050 0.0250.035 壓實土路（雨后） 泥濘土路(雨季或解凍期) 干砂 濕砂 結(jié)冰路面 壓實雪道 0.0500.150 0.1000.250 0.1000.300 0.0600.150 0.0150.030 0.0300.050 2Z F a 2x F 2p F 2 W t T 222 WfF r a F zf 22

7、22 22 22 / ftx fxt Zxt Zxt FFF FFF raFFrT aFrFT 圖圖112 驅(qū)驅(qū) 動動 輪輪 受受 力力 圖圖 a u l真正驅(qū)動車輪前進的力是地面切真正驅(qū)動車輪前進的力是地面切 向反力向反力Fx2。其。其在數(shù)值上等于汽車在數(shù)值上等于汽車 驅(qū)動力驅(qū)動力Ft與滾動阻力與滾動阻力Ff之差。之差。 2 2 2 22 ft f t x ftx FF r T r T F TTT 二、穿水阻力二、穿水阻力 n w CbuF C為比例常數(shù)；b為輪胎的寬度；u為汽 車的行駛車速；n為冪指數(shù)，當(dāng)水層厚度大于 0.5mm時，冪指數(shù)近似等于1.6 排擠水層而增加的滾動阻力 三、三、前

8、束阻力前束阻力 前束阻力：車輪的前束角造成 ，用以消除偶然外力沖擊保 持直線行駛的一種能力。 四、縱向附著系數(shù)四、縱向附著系數(shù) l縱向附著系數(shù)定義：縱向力與垂直載荷的比值 l滑動率：（實際速度-理論速度）/實際速度 純滾動、純滑動(拖滑)、邊滾邊滑 縱向附著系數(shù)影響因素： 路面：材料、路面狀況 輪胎：輪胎結(jié)構(gòu)、材料、花紋、新舊程度、氣壓 輪胎與路面：受力、相互運動狀態(tài) 路況好,則縱向附著系數(shù)大; 車速越低,則縱向附著系數(shù)大. 第五節(jié)第五節(jié) 輪胎的側(cè)偏特性輪胎的側(cè)偏特性 側(cè)偏特性：側(cè)偏力、回正力與側(cè)偏角的關(guān)系 x y z X F Z F Y F 回回正正力力矩矩 z T x T翻翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)力力矩矩

9、y T 外傾角外傾角 y F 側(cè)偏角側(cè)偏角 1 1 輪胎坐標(biāo)系輪胎坐標(biāo)系 原因原因 偏角側(cè)偏現(xiàn)象、側(cè)偏力、側(cè). 2 u u u v y F y F C C 剛剛性性輪輪 zlY FF zlY FF Y F Y F k kF F F Y y Y 側(cè)偏剛度 側(cè)偏角 側(cè)偏現(xiàn)象 側(cè)向力 側(cè)偏力 y F Y F 概念概念 Y F y F Y F y F Y F y F Y F radKNk/8028 彈彈性性輪輪胎胎 v u u kF Y 符號相反符號相反與與kFY 最大側(cè)偏力的影響因素 l附著條件附著條件 及垂直載荷及垂直載荷F FZ Z l輪胎胎面花紋、材料、結(jié)構(gòu)、充輪胎胎面花紋、材料、結(jié)構(gòu)、充 氣

10、壓力氣壓力 l路面材料、結(jié)構(gòu)、潮濕程度路面材料、結(jié)構(gòu)、潮濕程度 l車輪外傾角車輪外傾角 3. 輪胎結(jié)構(gòu)、工作條件與側(cè)偏特性 l尺寸尺寸的輪胎，的輪胎，k ； l子午線輪胎接地面寬子午線輪胎接地面寬，k大大； l鋼絲比尼龍輪胎鋼絲比尼龍輪胎k大大； l扁平率：輪胎斷面高度與斷面寬度之比扁平率：輪胎斷面高度與斷面寬度之比H /B ， k ； l在一定范圍內(nèi)，載荷在一定范圍內(nèi)，載荷 （FZ ） ，k 。但。但載荷載荷太大時太大時， k； l輪胎充氣壓力輪胎充氣壓力 ，k ； l行駛車速對行駛車速對k影響較小影響較小； l潮濕特別在積水時，潮濕特別在積水時，k 很大。很大。 k W 增增加加扁扁平平率

11、率BH / 增增加加載載荷荷W Y F 增加增加 W Y F Y F 增增加加 p胎壓胎壓 附著橢圓 一定側(cè)偏角下，驅(qū)動一定側(cè)偏角下，驅(qū)動 力或制動力增加時，側(cè)偏力或制動力增加時，側(cè)偏 力逐漸有所減小，這是由力逐漸有所減小，這是由 于輪胎側(cè)線彈性有所改變于輪胎側(cè)線彈性有所改變 的關(guān)系。當(dāng)縱向力相當(dāng)大的關(guān)系。當(dāng)縱向力相當(dāng)大 時，側(cè)偏力顯著下降，接時，側(cè)偏力顯著下降，接 近附著極限時，切向力已近附著極限時，切向力已 耗去大部分附著力，而側(cè)耗去大部分附著力，而側(cè) 向力能利用的附著力很小。向力能利用的附著力很小。 x F b F Y F 側(cè)側(cè)偏偏角角 xb Y FF F 或 Yxb FFF或 c c

12、c c c c c c a a a a a a a a e Y F Yz eFT 輪胎拖距e u y F z T Y F Y F Y F 側(cè)側(cè)偏偏角角 Z T回回正正力力矩矩Z T回回正正力力矩矩 W載載荷荷 賽賽車車胎胎 子子午午線線胎胎 斜斜交交胎胎 Z Z T T 64 64 X F驅(qū)動力 制動力 ZbX ZbX TFFF TFFF 或制動力驅(qū)動力 或制動力驅(qū)動力 Z T回回正正力力矩矩 b F yY kF Y F Y F O 0 0 0 Y F Y F 0 0 0 W Y F kkFFF kF k k YYY Y 外外傾傾角角產(chǎn)產(chǎn)生生的的側(cè)側(cè)偏偏力力 外外傾傾角角產(chǎn)產(chǎn)生生的的側(cè)側(cè)偏偏角角 的結(jié)果的結(jié)果 力共同作用力共同作用和由側(cè)傾角