汽车动力学-轮胎动力学课件.ppt

1、主讲：彭琪凯第三章第三章 充气轮胎动力学充气轮胎动力学3.13.1概述概述3.23.2轮胎的功能、结构与发展轮胎的功能、结构与发展3.33.3轮胎模型轮胎模型3.43.4轮胎纵向力学特性轮胎纵向力学特性3.53.5轮胎垂向力学特性轮胎垂向力学特性3.63.6轮胎侧向力学特性轮胎侧向力学特性11.轮胎运动坐标系 xF纵向力 侧向力 yF法向力 zF翻转力矩 xM滚动阻力矩 yM回正力矩 zM3.1概述概述 22.车轮运动参数 3.1概述概述 滑动率(s=01),表示车轮相对于纯滚动(或纯滑动)状态的偏离程度。100%dwdrusr滑转率(驱动时)滑移率(制动时)100%wdbwursu轮胎侧偏角

2、arctan()wwvu负的轮胎侧向力产生正的侧偏角轮胎径向变形无负载轮胎径向半径与负载时半径之差。3顺时针方向为正顺时针方向为正3.2轮胎的功能、结构及发展轮胎的功能、结构及发展 轮胎的功能支撑整车质量与悬架共同作用，衰减由路面不平引起的振动与冲击传递纵向力，实现驱动和制动传递侧向力，使车辆转向并保证行驶稳定性43.2轮胎的功能、结构及发展轮胎的功能、结构及发展 胎体胎圈胎面胎冠胎肩胎侧常用的充气轮胎有两种，斜交轮胎和子午线轮胎，主要是胎体帘线角度的不同，前者为20-40度，后者为85-90度。轮胎的结构5保护胎体、内胎保护胎体、内胎决定轮胎基本性能决定轮胎基本性能便于胎体装卸便于胎体装卸子

3、午线轮胎斜交轮胎3.2轮胎的功能、结构及发展与比较轮胎的功能、结构及发展与比较 63.2轮胎的功能、结构及发展轮胎的功能、结构及发展 轮胎的材料、胎面花纹以及内部结构影响轮胎的物理特性。低滚动阻力良好的平顺性良好的操稳性良好的附着性低噪声 轮胎的发展73.3轮胎模型轮胎模型 什么是轮胎模型？轮胎模型分类轮胎纵滑模型，预测车辆在驱动和制动工况时的纵向力。轮胎侧偏和侧倾模型，预测侧向力和回正力矩。轮胎垂向振动模型，用于高频垂向振动的评价。8xxxzxxFF F 幂指数统一轮胎模型幂指数统一轮胎模型 3.3轮胎模型轮胎模型 几种常用的轮胎模型稳态纯纵滑工况纵向力 稳态纯侧偏工况纵向力 yyyzyyF

4、F F 稳态纯侧偏工况回正力矩 zyxMF D 稳态纵滑侧偏联合工况 无量纲，表达式统一，可表达各种垂向载荷下的轮胎特性，参数拟合方便，能拟合原点刚度。由郭孔辉院士提出，用于预测轮胎的稳态特性。9“魔术公式魔术公式”轮胎模型轮胎模型3.3轮胎模型轮胎模型 Pacejka提出，以三角函数组合的形式来拟合轮胎试验数据，得出一套公式可以同时表达纵向力、侧向力和回正力矩的轮胎模型。sinarctan(arctan)yDCBxE BxBx拟合精度高，由于非线性计算量大；C值的变化对拟合的误差影响较大；不能很好地拟合极小侧偏情况下轮胎的侧偏特性。103.3轮胎模型轮胎模型 SWIFTSWIFT轮胎模型轮胎

5、模型荷兰荷兰DelftDelft工业大学提出，采用刚性圈理论，结合工业大学提出，采用刚性圈理论，结合“魔术公式魔术公式”综合而成。综合而成。FialaFiala模型模型GimGim模型模型有限元有限元模型模型DugoffDugoff模型模型113.4轮胎纵向力学特性轮胎纵向力学特性 1.1.干、硬的平坦路面上轮胎滚动阻力及其产生机理干、硬的平坦路面上轮胎滚动阻力及其产生机理2.2.道路条件引起的附加阻力道路条件引起的附加阻力3.3.轮胎侧偏引起的附加阻力轮胎侧偏引起的附加阻力4.4.总的车轮滚动阻力总的车轮滚动阻力5.5.轮胎纵向力与滑动率的关系轮胎纵向力与滑动率的关系123.4轮胎纵向力学特

6、性轮胎纵向力学特性 1.1.干、硬的平坦路面上轮胎滚动阻力及其产生机理干、硬的平坦路面上轮胎滚动阻力及其产生机理 轮胎滚动阻力轮胎滚动阻力弹性迟滞阻力弹性迟滞阻力产生过程产生过程驻波驻波 高速工况；增加能量损失，产生大量热，限制最高高速工况；增加能量损失，产生大量热，限制最高安全行驶速度。安全行驶速度。13摩擦阻力摩擦阻力3.4轮胎纵向力学特性轮胎纵向力学特性 风扇效应阻力风扇效应阻力 轮胎滚动阻力轮胎滚动阻力滚动阻力系数滚动阻力系数滚动阻力滚动阻力,RRRRFFFF弹性迟滞摩擦风扇滚动阻力系数滚动阻力系数,RRz wFfF滚动阻力系数滚动阻力系数RRdefr滚动阻力系数随着胎压增加而降低滚动

7、阻力系数随着胎压增加而降低滚动阻力系数随着车速增加而增加滚动阻力系数随着车速增加而增加滚动阻力系数随着车轮载荷增加而降低滚动阻力系数随着车轮载荷增加而降低143.4轮胎纵向力学特性轮胎纵向力学特性 滚动阻力系数测量滚动阻力系数测量 轮胎滚动阻力轮胎滚动阻力整车道路测试整车道路测试室内台架测试室内台架测试152.2.道路条件产生的附加阻力道路条件产生的附加阻力 路面不平路面不平不平路面阻力不平路面阻力0 xRWFx，不平 塑性路面塑性路面3.4轮胎纵向力学特性轮胎纵向力学特性 压实阻力压实阻力推土阻力推土阻力剪切阻力剪切阻力,RRRFFF，塑性塑性塑性路面阻力随胎塑性路面阻力随胎压的增加而增大压

8、的增加而增大162.2.道路条件产生的附加阻力道路条件产生的附加阻力3.4轮胎纵向力学特性轮胎纵向力学特性 湿路面湿路面()10EtwRW uFN，扰流扰流阻力扰流阻力湿路面上的轮胎滚动阻力湿路面上的轮胎滚动阻力,RRRFFF，湿路 扰流173.4轮胎纵向力学特性轮胎纵向力学特性 侧向载荷的影响侧向载荷的影响cossinRyRFFF，侧偏(1 cos)sinRRyRFFFF，侧偏由轮胎侧偏由轮胎侧偏附加的阻力附加的阻力,sin(1 cos)yRRz WFFfF，侧偏由侧偏角引起的附加由侧偏角引起的附加滚动阻力系数滚动阻力系数小侧偏角时，小侧偏角时，yFC，假定，假定sin,cos12,/z W

9、RfCF，侧偏3.3.轮胎侧偏引起的附加阻力轮胎侧偏引起的附加阻力183.4轮胎纵向力学特性轮胎纵向力学特性 车轮定位的影响车轮定位的影响车轮前束角车轮前束角,sinywz WRRFFfF，前束前束3.3.轮胎侧偏引起的附加阻力轮胎侧偏引起的附加阻力193.4轮胎纵向力学特性轮胎纵向力学特性 车轮定位的影响车轮定位的影响车轮外倾角车轮外倾角由于车轮外倾角的存在，使轮胎在滚动过程中不垂直于地面，胎由于车轮外倾角的存在，使轮胎在滚动过程中不垂直于地面，胎面滚动区域将受不断变化的载荷作用，胎壁产生变形，引起滚动面滚动区域将受不断变化的载荷作用，胎壁产生变形，引起滚动阻力稍有增加。阻力稍有增加。3.3

10、.轮胎侧偏引起的附加阻力轮胎侧偏引起的附加阻力203.4轮胎纵向力学特性轮胎纵向力学特性 4.4.总的车轮滚动阻力总的车轮滚动阻力总的车轮滚动阻力是各部分阻力之和。车辆在普通干路面总的车轮滚动阻力是各部分阻力之和。车辆在普通干路面上作直线行驶时，一般可认为车轮阻力就是轮胎滚动阻力。上作直线行驶时，一般可认为车轮阻力就是轮胎滚动阻力。5.5.轮胎纵向力与滑动率的关轮胎纵向力与滑动率的关系系纵向力在滑动率纵向力在滑动率15%-15%-20%20%附近时达到最大值。附近时达到最大值。制动防抱死系统和驱制动防抱死系统和驱动力控制系统的理论依动力控制系统的理论依据。据。213.5轮胎垂向力学特性轮胎垂向

11、力学特性 1.1.轮胎的垂向特性轮胎的垂向特性2.2.轮胎噪声轮胎噪声3.3.轮胎垂向振动力学模型轮胎垂向振动力学模型224.4.轮胎振动对汽车性能的影响轮胎振动对汽车性能的影响3.5轮胎垂向力学特性轮胎垂向力学特性 1.1.轮胎的垂向特性轮胎的垂向特性通常以轮胎所受的载荷和变形曲线来表示轮胎的刚度特性。通常以轮胎所受的载荷和变形曲线来表示轮胎的刚度特性。静刚度静刚度曲线斜率即为静刚度，可认为轮胎的静刚度不随载荷的变曲线斜率即为静刚度，可认为轮胎的静刚度不随载荷的变化而变化。化而变化。静载荷与垂向变形的关系。静载荷与垂向变形的关系。233.5轮胎垂向力学特性轮胎垂向力学特性 1.1.轮胎的垂向

12、特性轮胎的垂向特性 非滚动动刚度非滚动动刚度 滚动动刚度滚动动刚度243.5轮胎垂向力学特性轮胎垂向力学特性 2.2.轮胎噪声轮胎噪声轮胎噪声产生的机理：轮胎噪声产生的机理：(1)(1)空气泵吸效应空气泵吸效应(2)(2)胎面单元振动胎面单元振动3.3.轮胎垂向振动力学模型轮胎垂向振动力学模型弹簧弹簧-阻尼模型阻尼模型253.5轮胎垂向力学特性轮胎垂向力学特性 4.4.轮胎振动对汽车性能的影响轮胎振动对汽车性能的影响26 对汽车平顺性的影响对汽车平顺性的影响 由于轮胎的振动，对汽由于轮胎的振动，对汽车悬架系统中弹性元件的振动车悬架系统中弹性元件的振动形成干扰，因而悬架中要产生形成干扰，因而悬架

13、中要产生振动叠加，这就要求汽车设计振动叠加，这就要求汽车设计时要将轮胎的参数与悬架参数时要将轮胎的参数与悬架参数结合起来考虑，以便获得良好结合起来考虑，以便获得良好的汽车平顺性。的汽车平顺性。弹簧弹簧-阻尼模型阻尼模型 对汽车制动性、转向轻便性以及对汽车制动性、转向轻便性以及轮胎的使用寿命的影响。轮胎的使用寿命的影响。3.5轮胎垂向力学特性轮胎垂向力学特性 4.4.轮胎振动对汽车性能的影响轮胎振动对汽车性能的影响27 对汽车操纵稳定性的影响对汽车操纵稳定性的影响 轮胎在汽车转弯行驶时轮胎在汽车转弯行驶时发生振动，会引起车身异常振发生振动，会引起车身异常振动。汽车转向盘发生摆振，驾动。汽车转向盘

14、发生摆振，驾驶员无法操纵汽车行驶，导致驶员无法操纵汽车行驶，导致汽车的操纵稳定性变差。汽车的操纵稳定性变差。弹簧弹簧-阻尼模型阻尼模型 对汽车行驶速度的影响对汽车行驶速度的影响 由于汽车振动时，汽车由于汽车振动时，汽车的操纵稳定性变差，驾驶员不的操纵稳定性变差，驾驶员不得不使汽车减速以确保汽车安得不使汽车减速以确保汽车安全行驶。全行驶。3.5轮胎垂向力学特性轮胎垂向力学特性 4.4.轮胎振动对汽车性能的影响轮胎振动对汽车性能的影响28 对汽车燃油经济性的影响对汽车燃油经济性的影响 轮胎的振动必然将汽车轮胎的振动必然将汽车行驶中的一部分动能转变成轮行驶中的一部分动能转变成轮胎的变形，将生成热量并

15、传到胎的变形，将生成热量并传到大气中去，使汽车的能量损失，大气中去，使汽车的能量损失，使燃油经济性变差。使燃油经济性变差。弹簧弹簧-阻尼模型阻尼模型 对汽车安全性的影响对汽车安全性的影响 汽车行驶过程中轮胎发生振汽车行驶过程中轮胎发生振动，将影响轮胎与路面的附着能力，动，将影响轮胎与路面的附着能力，过大的轮胎振动会导致轮毂轴承的过大的轮胎振动会导致轮毂轴承的异常磨损，恶化汽车的技术状况，异常磨损，恶化汽车的技术状况，影响汽车的行驶安全。影响汽车的行驶安全。3.5轮胎侧向力学特性轮胎侧向力学特性 1.1.纯转向工纯转向工况况 前轮外倾角前轮外倾角 侧偏角侧偏角 垂向载荷垂向载荷29不同垂向载荷作

16、用下的轮胎侧向力与侧偏角关系不同垂向载荷作用下的轮胎侧向力与侧偏角关系303.5轮胎侧向力学特性轮胎侧向力学特性 2.2.联合工况联合工况轮胎的垂向载荷、侧向力与纵向力之间相互影响轮胎的垂向载荷、侧向力与纵向力之间相互影响车辆转弯加速或转弯制动时，由于受摩擦力的限制，轮胎车辆转弯加速或转弯制动时，由于受摩擦力的限制，轮胎不能同时获得最大的侧向力和最大的纵向力。不能同时获得最大的侧向力和最大的纵向力。摩擦椭圆摩擦椭圆313.3.整车建模中对轮胎模型的考虑整车建模中对轮胎模型的考虑3.5轮胎侧向力学特性轮胎侧向力学特性 在基本的线性操纵动力学模型中，轮胎只需产生与垂向载荷和侧在基本的线性操纵动力学

17、模型中，轮胎只需产生与垂向载荷和侧偏角呈线性关系的侧向力（包括回正力矩）偏角呈线性关系的侧向力（包括回正力矩）如果车辆模型考虑车辆载荷重新分配，轮胎模型还必须包括侧向如果车辆模型考虑车辆载荷重新分配，轮胎模型还必须包括侧向力和轮胎垂直载荷的关系力和轮胎垂直载荷的关系 如果建模中考虑车身侧倾角与车轮外倾角的关系，轮胎模型必须如果建模中考虑车身侧倾角与车轮外倾角的关系，轮胎模型必须包括车轮外倾对轮胎力的影响包括车轮外倾对轮胎力的影响 在非线性域分析中，轮胎模型必须能充分考虑大侧偏角情况下的在非线性域分析中，轮胎模型必须能充分考虑大侧偏角情况下的受力情况，并进行精确计算受力情况，并进行精确计算 如果

18、车辆模型包括纵向自由度，轮胎模型必须包括纵向力。在需如果车辆模型包括纵向自由度，轮胎模型必须包括纵向力。在需要同时考虑纵向力和侧向力的联合工况下，轮胎模型必须能在两个要同时考虑纵向力和侧向力的联合工况下，轮胎模型必须能在两个方向准确地分配所能获得的轮胎力。方向准确地分配所能获得的轮胎力。32什么是轮胎的驻波现象？什么是轮胎的驻波现象？问题 汽车的重量会使轮胎接触地面的部分稍有变形汽车的重量会使轮胎接触地面的部分稍有变形.车行驶时变形的车行驶时变形的部分离开了路面后将恢复原状部分离开了路面后将恢复原状.如果从轮胎表面一个点来看如果从轮胎表面一个点来看,轮胎转轮胎转一次一次,这个点就发生一次变形和

19、复原的过程这个点就发生一次变形和复原的过程.变形和复原是要时间的变形和复原是要时间的,在高速行驶的时候在高速行驶的时候,其复原速度赶不上轮胎的转速的话其复原速度赶不上轮胎的转速的话,就会在轮胎就会在轮胎接地面后侧引起驻波的异常形变现象接地面后侧引起驻波的异常形变现象,这就是驻波现象这就是驻波现象 在这种状态下在这种状态下,驻波的这部分花纹受到剧烈的摩擦而急剧升温驻波的这部分花纹受到剧烈的摩擦而急剧升温,不久就引起胎面橡胶从内部胎体剥落的现象不久就引起胎面橡胶从内部胎体剥落的现象.然后爆胎然后爆胎!更惨的是更惨的是,从发生驻波现象到爆胎从发生驻波现象到爆胎,开车的人不会有任何感觉和预兆开车的人不会有任何感觉和预兆 不象漏个不象漏个气气,方向跑偏什么的方向跑偏什么的,这是高速上独有的致命的现象这是高速上独有的致命的现象-驻波现象驻波现象,引起驻波现象的直接原因就是轮胎变形大引起驻波现象的直接原因就是轮胎变形大,同时高速行驶同时高速行驶,轮胎复轮胎复原速度赶不上轮胎的转速原速度赶不上轮胎的转速.所以在跑高速的时候（所以在跑高速的时候（160160公里以上）公里以上）要求更高的胎压减少变形要求更高的胎压减少变形,减少变形另外的方法是减少载重减少变形另外的方法是减少载重,速度越速度越高高,就不能太接近胎壁上标的那个最大荷重了。就不能太接近胎壁上标的那个最大荷重了。32