汽車動力學(xué)-輪胎動力學(xué)

主講：彭琪凱汽車系統(tǒng)動力學(xué)精品課件第三章充氣輪胎動力學(xué)3.1概述3.2輪胎的功能、結(jié)構(gòu)與發(fā)展3.3輪胎模型3.4輪胎縱向力學(xué)特性3.5輪胎垂向力學(xué)特性3.6輪胎側(cè)向力學(xué)特性1精品課件1.輪胎運動坐標(biāo)系

□縱向力

□側(cè)向力

□法向力

□翻轉(zhuǎn)力矩

□滾動阻力矩

□回正力矩

3.1概述

2精品課件2.車輪運動參數(shù)

3.1概述

□滑動率(s=0~1),表示車輪相對于純滾動(或純滑動)狀態(tài)的偏離程度?！D(zhuǎn)率(驅(qū)動時)▲滑移率(制動時)□輪胎側(cè)偏角負(fù)的輪胎側(cè)向力產(chǎn)生正的側(cè)偏角□輪胎徑向變形無負(fù)載輪胎徑向半徑與負(fù)載時半徑之差。3順時針方向為正精品課件3.2輪胎的功能、結(jié)構(gòu)及發(fā)展

輪胎的功能□支撐整車質(zhì)量□與懸架共同作用，衰減由路面不平引起的振動與沖擊□傳遞縱向力，實現(xiàn)驅(qū)動和制動□傳遞側(cè)向力，使車輛轉(zhuǎn)向并保證行駛穩(wěn)定性4精品課件3.2輪胎的功能、結(jié)構(gòu)及發(fā)展

□胎體□胎圈□胎面■胎冠■胎肩■胎側(cè)▲常用的充氣輪胎有兩種，斜交輪胎和子午線輪胎，主要是胎體簾線角度的不同，前者為20-40度，后者為85-90度。

輪胎的結(jié)構(gòu)5保護胎體、內(nèi)胎決定輪胎基本性能便于胎體裝卸精品課件子午線輪胎斜交輪胎3.2輪胎的功能、結(jié)構(gòu)及發(fā)展與比較

6精品課件3.2輪胎的功能、結(jié)構(gòu)及發(fā)展

輪胎的材料、胎面花紋以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響輪胎的物理特性?！醯蜐L動阻力□良好的平順性□良好的操穩(wěn)性□良好的附著性□低噪聲

輪胎的發(fā)展7精品課件3.3輪胎模型

什么是輪胎模型？

輪胎模型分類□輪胎縱滑模型，預(yù)測車輛在驅(qū)動和制動工況時的縱向力?！踺喬?cè)偏和側(cè)傾模型，預(yù)測側(cè)向力和回正力矩?！踺喬ゴ瓜蛘駝幽Ｐ停糜诟哳l垂向振動的評價。8精品課件□冪指數(shù)統(tǒng)一輪胎模型

3.3輪胎模型

幾種常用的輪胎模型▲穩(wěn)態(tài)純縱滑工況縱向力▲穩(wěn)態(tài)純側(cè)偏工況縱向力▲穩(wěn)態(tài)純側(cè)偏工況回正力矩▲穩(wěn)態(tài)縱滑側(cè)偏聯(lián)合工況

無量綱，表達式統(tǒng)一，可表達各種垂向載荷下的輪胎特性，參數(shù)擬合方便，能擬合原點剛度。由郭孔輝院士提出，用于預(yù)測輪胎的穩(wěn)態(tài)特性。

9精品課件□“魔術(shù)公式”輪胎模型3.3輪胎模型

Pacejka提出，以三角函數(shù)組合的形式來擬合輪胎試驗數(shù)據(jù)，得出一套公式可以同時表達縱向力、側(cè)向力和回正力矩的輪胎模型。

擬合精度高，由于非線性計算量大；C值的變化對擬合的誤差影響較大；不能很好地擬合極小側(cè)偏情況下輪胎的側(cè)偏特性。10精品課件3.3輪胎模型

□SWIFT輪胎模型荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)提出，采用剛性圈理論，結(jié)合“魔術(shù)公式”綜合而成。□Fiala模型□Gim模型□有限元模型……□Dugoff模型11精品課件3.4輪胎縱向力學(xué)特性

1.干、硬的平坦路面上輪胎滾動阻力及其產(chǎn)生機理2.道路條件引起的附加阻力3.輪胎側(cè)偏引起的附加阻力4.總的車輪滾動阻力5.輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系12精品課件3.4輪胎縱向力學(xué)特性

1.干、硬的平坦路面上輪胎滾動阻力及其產(chǎn)生機理

輪胎滾動阻力□彈性遲滯阻力■產(chǎn)生過程■駐波高速工況；增加能量損失，產(chǎn)生大量熱，限制最高安全行駛速度。13精品課件□摩擦阻力3.4輪胎縱向力學(xué)特性

□風(fēng)扇效應(yīng)阻力

輪胎滾動阻力□滾動阻力系數(shù)滾動阻力滾動阻力系數(shù)滾動阻力系數(shù)■滾動阻力系數(shù)隨著胎壓增加而降低■滾動阻力系數(shù)隨著車速增加而增加■滾動阻力系數(shù)隨著車輪載荷增加而降低14精品課件3.4輪胎縱向力學(xué)特性

□滾動阻力系數(shù)測量

輪胎滾動阻力■整車道路測試■室內(nèi)臺架測試15精品課件2.道路條件產(chǎn)生的附加阻力

路面不平不平路面阻力

塑性路面3.4輪胎縱向力學(xué)特性

壓實阻力推土阻力剪切阻力▲塑性路面阻力隨胎壓的增加而增大16精品課件2.道路條件產(chǎn)生的附加阻力3.4輪胎縱向力學(xué)特性

濕路面擾流阻力濕路面上的輪胎滾動阻力17精品課件3.4輪胎縱向力學(xué)特性

側(cè)向載荷的影響由輪胎側(cè)偏附加的阻力由側(cè)偏角引起的附加滾動阻力系數(shù)小側(cè)偏角時，，假定3.輪胎側(cè)偏引起的附加阻力18精品課件3.4輪胎縱向力學(xué)特性

車輪定位的影響□車輪前束角3.輪胎側(cè)偏引起的附加阻力19精品課件3.4輪胎縱向力學(xué)特性

車輪定位的影響□車輪外傾角由于車輪外傾角的存在，使輪胎在滾動過程中不垂直于地面，胎面滾動區(qū)域?qū)⑹懿粩嘧兓妮d荷作用，胎壁產(chǎn)生變形，引起滾動阻力稍有增加。3.輪胎側(cè)偏引起的附加阻力20精品課件3.4輪胎縱向力學(xué)特性

4.總的車輪滾動阻力總的車輪滾動阻力是各部分阻力之和。車輛在普通干路面上作直線行駛時，一般可認(rèn)為車輪阻力就是輪胎滾動阻力。5.輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系

縱向力在滑動率15%-20%附近時達到最大值。

制動防抱死系統(tǒng)和驅(qū)動力控制系統(tǒng)的理論依據(jù)。21精品課件3.5輪胎垂向力學(xué)特性

1.輪胎的垂向特性2.輪胎噪聲3.輪胎垂向振動力學(xué)模型224.輪胎振動對汽車性能的影響精品課件3.5輪胎垂向力學(xué)特性

1.輪胎的垂向特性通常以輪胎所受的載荷和變形曲線來表示輪胎的剛度特性。

靜剛度曲線斜率即為靜剛度，可認(rèn)為輪胎的靜剛度不隨載荷的變化而變化。靜載荷與垂向變形的關(guān)系。23精品課件3.5輪胎垂向力學(xué)特性

1.輪胎的垂向特性

非滾動動剛度

滾動動剛度24精品課件3.5輪胎垂向力學(xué)特性

2.輪胎噪聲輪胎噪聲產(chǎn)生的機理：(1)空氣泵吸效應(yīng)(2)胎面單元振動3.輪胎垂向振動力學(xué)模型彈簧-阻尼模型25精品課件3.5輪胎垂向力學(xué)特性

4.輪胎振動對汽車性能的影響26

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。彈簧-阻尼模型

對汽車制動性、轉(zhuǎn)向輕便性以及輪胎的使用壽命的影響。精品課件3.5輪胎垂向力學(xué)特性

4.輪胎振動對汽車性能的影響27

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)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。彈簧-阻尼模型

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。精品課件3.5輪胎垂向力學(xué)特性

4.輪胎振動對汽車性能的影響28

對汽車燃油經(jīng)濟性的影響

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，使汽車的能量損失，使燃油經(jīng)濟性變差。彈簧-阻尼模型

對汽車安全性的影響

汽車行駛過程中輪胎發(fā)生振動，將影響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，惡化汽車的技術(shù)狀況，影響汽車的行駛安全。精品課件3.5輪胎側(cè)向力學(xué)特性

1.純轉(zhuǎn)向工況

前輪外傾角

側(cè)偏角

垂向載荷29精品課件不同垂向載荷作用下的輪胎側(cè)向力與側(cè)偏角關(guān)系30精品課件3.5輪胎側(cè)向力學(xué)特性

2.聯(lián)合工況輪胎的垂向載荷、側(cè)向力與縱向力之間相互影響車輛轉(zhuǎn)彎加速或轉(zhuǎn)彎制動時，由于受摩擦力的限制，輪胎不能同時獲得最大的側(cè)向力和最大的縱向力。摩擦橢圓31精品課件3.整車建模中對輪胎模型的考慮3.5輪胎側(cè)向力學(xué)特性

在基本的線性操縱動力學(xué)模型中，輪胎只需產(chǎn)生與垂向載荷和側(cè)偏角呈線性關(guān)系的側(cè)向力（包括回正力矩）

如果車輛模型考慮車輛載荷重新分配，輪胎模型還必須包括側(cè)向力和輪胎垂直載荷的關(guān)系

如果建模中考慮車身側(cè)傾角與車輪外傾角的關(guān)系，輪胎模型必須包括車輪外傾對輪胎力的影響

在非線性域分析中，輪胎模型必須能充分考慮大側(cè)偏角情況下的受力情況，并進行精確計算

如果車輛模型包括縱向自由度，輪胎模型必須包括縱向力。在需要同時考慮縱向力和側(cè)向力的聯(lián)合工況下，輪胎模型必須能在兩個方向準(zhǔn)確地分配所能獲得的輪胎力。32精品課件什么是輪胎的駐波現(xiàn)象？問題

汽車的重量會使輪胎接觸地面的部分稍有變形.車行駛時變形的部分離開了路面后將恢復(fù)原狀.如果從輪胎表面一個點來看,輪胎轉(zhuǎn)一次,這個點就發(fā)生一次變形和復(fù)原的過程.變形和復(fù)原是要時間的,在高速行駛的時候,其復(fù)原速度趕不上輪胎的轉(zhuǎn)速的話,就會在輪胎接地面后側(cè)引起駐波的異常形變現(xiàn)象,這就是駐波現(xiàn)象

在這種狀態(tài)下,駐波的這部分花紋受到劇烈的摩擦而急劇升溫,不久就引起胎面橡膠從內(nèi)