同济大学《汽车理论》第一章汽车轮胎力学与空气动力学课件.ppt
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1、第一章第一章 汽车轮胎力学汽车轮胎力学与空气动力学与空气动力学朱西产朱西产 教授教授第一节第一节 轮胎力学轮胎力学轮胎的基本知识轮胎的基本知识175/65 R 14 82 H速度标记速度标记负荷指数负荷指数轮辋直径轮辋直径(in)轮胎型号(轮胎型号(R为子为子午线,午线,-为斜交胎)为斜交胎)扁平率(扁平率(%)轮胎宽度轮胎宽度轮胎的扁轮胎的扁平率:表征平率:表征轮胎的胎面轮胎的胎面高度高度H H与宽与宽度度R R的比值的比值(百分比)。(百分比)。速度标记速度标记(GSYGSY)最高车速最高车速(km/hkm/h)速度标记速度标记(GSYGSY)最高车速最高车速(km/hkm/h)F F80
2、80R R170170M M130130S S180180P P150150T T190190Q Q160160H H210210速度标记速度标记负荷指数(负荷指数(L1L1)L1承载能力(kg)L1承载能力(kg)L1承载能力(kg)L1承载能力(kg)5019065290804509569051195663008146296710522006730782475977305320668315834879875054212693258450099775552187033585515100800562247134586530101825572307235587545102850582367336
3、58856010387559243743758958010490060250753879060010592561257764009161510695062265774129263010797563272784259365010810006428079437946701091030轮胎的变形参数与六分力轮胎的状态参数:前轮转角、外倾角、转速轮胎的状态参数:前轮转角、外倾角、转速轮胎的变形参数:滑移率、侧偏角、经向变形轮胎的变形参数:滑移率、侧偏角、经向变形轮胎六分力轮胎六分力符号名 称意 义纵向力地面对轮胎的反作用力眼坐标系x轴的分量测向力地面对轮胎的反作用力沿坐标系y轴的分量法向力地面对轮胎的
4、反作用力沿坐标系z轴的分量侧倾力矩地面对轮胎反作用力绕x轴产生的力矩滚动阻力矩地面对轮胎反作用力绕x轴产生的力矩回正力矩地面对轮胎反作用力绕x轴产生的力矩FxFyFzTxTyTz轮胎模型纵向滑移率纵向滑移率侧偏角侧偏角经向变形经向变形车轮外倾角车轮外倾角车轮转速车轮转速前轮转向角前轮转向角纵向力纵向力侧向力侧向力法向力法向力侧倾力矩侧倾力矩滚动助力矩滚动助力矩回正力矩回正力矩轮胎模型是汽车动力学研究的难点轮胎模型是汽车动力学研究的难点 目前还没有如此完备的轮胎模型目前还没有如此完备的轮胎模型 目前在车轮动力学研究中使用的三类轮胎目前在车轮动力学研究中使用的三类轮胎模型模型轮胎纵滑模型:主要用于
5、汽车动力性、制动性轮胎纵滑模型:主要用于汽车动力性、制动性能研究能研究轮胎侧偏模型:主要用于操纵稳定性研究轮胎侧偏模型:主要用于操纵稳定性研究轮胎垂直振动模型:主要用于轮胎垂直振动模型:主要用于NVHNVH研究研究1.1.1 1.1.1 轮胎的纵向力学特性轮胎的纵向力学特性 一、滚动阻力一、滚动阻力 二、轮胎的附着性能二、轮胎的附着性能软路面上软路面上硬路面上硬路面上产生滚动阻力的主要原因产生滚动阻力的主要原因轮胎变形轮胎变形轮胎变形和路面变形轮胎变形和路面变形轮胎变形为什么会产生滚动阻力?轮胎变形为什么会产生滚动阻力?轮胎的迟滞损失轮胎的迟滞损失:轮胎在加载变形时所消耗的能量在卸:轮胎在加载
6、变形时所消耗的能量在卸载恢复时不能完全收回,一部分能量消耗在轮胎内部摩擦载恢复时不能完全收回,一部分能量消耗在轮胎内部摩擦损失上,产生热量,这种损失称为轮胎的损失上,产生热量,这种损失称为轮胎的迟滞损失迟滞损失。一、滚动阻力Ff思考思考ua加载变形区加载变形区卸载变形区卸载变形区n n思思考考 由轮胎的迟滞损失图看,在轮胎径向变形相同的情况下,由轮胎的迟滞损失图看,在轮胎径向变形相同的情况下,地面作用在加载变形区与卸载变形区的法向反力是否相等?地面作用在加载变形区与卸载变形区的法向反力是否相等?aun nW dd1pF1XFaun nWp1F1XFaraun nW1pF1XFZFZFOEFCD
7、AhZF1)从动轮受力分析FZdFZdfTZFaFTZff1pTrFraFrTFZf1praf p1FWfWFf1pWfF frTFfff滚动阻力系数滚动阻力系数aun nWp1F1XFarZFaun nW1pF1XFfTZF令令auWp2F2XFZFtTaraFTrFZXt2ftTT rTrTFXft2ftFF 即路面作用于驱动轮的切向力即路面作用于驱动轮的切向力FX2比比Ft要小。要小。2)驱动轮受力分析4a4a10100100ufufff ua高高 f 大大 货车货车 f=0.0076+0.000056ua 3)影响Ff的因素轿车轿车(1)车速 uazf 子午线轮胎子午线轮胎比斜交轮胎的
8、滚动阻力小比斜交轮胎的滚动阻力小20%30;滚动阻力滚动阻力与轮胎的帘线(棉、人造丝、尼龙、钢丝)与轮胎的帘线(棉、人造丝、尼龙、钢丝)和橡胶品质有关。和橡胶品质有关。(2)轮胎结构(3)气压 气压越高,轮胎变形及由其产生的迟滞损失就越小,气压越高,轮胎变形及由其产生的迟滞损失就越小,滚动阻力也越小。滚动阻力也越小。(4)驱动力为什么驱动力系数很大时为什么驱动力系数很大时,气压越低气压越低 f 越小?越小?Ft胎面滑移胎面滑移Ff pa接地面积接地面积胎面滑移胎面滑移滑移引起的滑移引起的Ff 思考思考上高速公路时,轮胎气压应该适当高一些。上高速公路时,轮胎气压应该适当高一些。在松软路面、泥泞路
9、面、雪地行驶时,可适当降低轮胎气压。在松软路面、泥泞路面、雪地行驶时,可适当降低轮胎气压。在高速公路上,轮胎变形产生的滚动阻力在高速公路上,轮胎变形产生的滚动阻力大还是滑移产生的滚动阻力大?大还是滑移产生的滚动阻力大?胎压高胎压高轮胎变形小轮胎变形小迟迟滞损失少滞损失少Ff小小胎压低胎压低滑移小滑移小Ff小小 上高速公路前要检查胎压上高速公路前要检查胎压,在给定的胎压范围内在给定的胎压范围内,胎胎压适当高一些好还是低一些好?压适当高一些好还是低一些好?思考思考思考思考路面类型路面类型滚动阻力系数滚动阻力系数良好的沥青或混凝土路面良好的沥青或混凝土路面0.0100.018一般的沥青或混凝土路面一
10、般的沥青或混凝土路面0.0180.020碎石路面碎石路面0.0200.025良好的卵石路面良好的卵石路面0.0250.030坑洼的卵石路面坑洼的卵石路面0.0350.050压紧土路压紧土路干燥的干燥的0.0250.035 雨后的雨后的0.0500.150泥泞土路(雨季或解冻期)泥泞土路(雨季或解冻期)0.1000.250干沙干沙0.1000.300湿沙湿沙0.0600.150结冰路面结冰路面0.0150.030压紧的雪道压紧的雪道0.0300.050 由轮胎由轮胎与土壤之与土壤之间的粘着间的粘着性所致性所致(5)路面条件表表1-2 滚动阻力系数滚动阻力系数 f 的数值的数值离心力离心力前、后轮
11、产生侧偏力前、后轮产生侧偏力侧偏力沿行驶方向产生分力侧偏力沿行驶方向产生分力滚动阻力增加滚动阻力增加(6)转向wr0wruwr0wruwr0wru0w车轮接近纯滚动车轮接近纯滚动车轮边滚边滑车轮边滚边滑车轮抱死拖滑车轮抱死拖滑二、轮胎的附着性能 从制动过程的三个阶段看,随着制动强度的增加,车从制动过程的三个阶段看,随着制动强度的增加,车轮几何中心的运动速度因滚动而产生的部分越来越少,因轮几何中心的运动速度因滚动而产生的部分越来越少,因滑动而产生的部分越来越多。滑动而产生的部分越来越多。1.滑动率滑动率:车轮接地处的滑动速度与车轮中心运动速度的滑动率:车轮接地处的滑动速度与车轮中心运动速度的比值
12、。比值。滑动率的数值说明了车轮运动中滑动成分所占的比例。滑动率的数值说明了车轮运动中滑动成分所占的比例。wuur0rO(速度瞬心)rwwurr0wruwr0wuurw100%usuwr0ww100%uruw滑动率滑动率s的计算的计算wwurr0wruwr0wuurw100%usuwr0ww100%uru滑动率滑动率s的计算的计算纯滚动时纯滚动时 u=0,s=0;纯滑动时纯滑动时 w=0,=u,s=100%;边滚边滑时边滚边滑时 0 s 100%。wu2.纵向力系数 与滑动率s纵向力系数纵向力系数:地:地面纵向力与作用在面纵向力与作用在车轮上的垂直载荷车轮上的垂直载荷的比值。的比值。bZXFFb
13、b峰值附着系数峰值附着系数滑动附着系数滑动附着系数s=15%20%纵向力系数随纵向力系数随滑动率而变化滑动率而变化侧向力系数侧向力系数:地面:地面作用于车轮的侧向力作用于车轮的侧向力与车轮垂直载荷之比。与车轮垂直载荷之比。ZYFFll 侧向力系数也侧向力系数也随滑动率而变化随滑动率而变化3.侧向力系数 1)纵向力系数大,地面纵向力大,制动距离短;)纵向力系数大,地面纵向力大,制动距离短;2)侧向力系数大,地面可作用于车轮的侧向力大,)侧向力系数大,地面可作用于车轮的侧向力大,方向稳定性好;方向稳定性好;3)减轻轮胎磨损。)减轻轮胎磨损。ABS(防抱死制动系统)将制动时的滑动率控制(防抱死制动系
14、统)将制动时的滑动率控制在在15%20%之间,有如下优点:之间,有如下优点:如果汽车直线行驶,在侧向外力作用下,容易发生侧滑;如果汽车直线行驶,在侧向外力作用下,容易发生侧滑;如果汽车转向行驶,地面提供的侧向力不能满足转向的需如果汽车转向行驶,地面提供的侧向力不能满足转向的需要,将会失去转向能力。要,将会失去转向能力。由由 、与与 s 之间的关系可知,当滑动率之间的关系可知,当滑动率 s=100%时,时,即地面能产生的侧向力,即地面能产生的侧向力FY很小。很小。bl1.0l什么情况下汽车会受到侧向外力的作用?什么情况下汽车会受到侧向外力的作用?为什么弯道要有一定的侧倾角?为什么弯道要有一定的侧
15、倾角?向内倾还是向外倾?向内倾还是向外倾?倾角的大小依什么而定?倾角的大小依什么而定?思考思考车身受到侧向风作用车身受到侧向风作用路面侧倾路面侧倾汽车转向行驶汽车转向行驶YFYF 平地转向时,离心力平地转向时,离心力Fl由地面侧向力由地面侧向力FY平衡。平衡。当汽车在倾斜弯道转向时,离心力当汽车在倾斜弯道转向时,离心力Fl可由重力的分力平衡。可由重力的分力平衡。弯道内倾,可以减小所需的地面侧向力;倾角依道路弯道内倾,可以减小所需的地面侧向力;倾角依道路转弯半径和设计车速而定。转弯半径和设计车速而定。环形跑道环形跑道(视频)(视频)(注意观察弯道的倾斜情况)(注意观察弯道的倾斜情况)路面路面峰值
16、附着系数峰值附着系数滑动附着系数滑动附着系数 沥青或混凝土路面沥青或混凝土路面0.80.90.75 沥青(湿)沥青(湿)0.50.70.450.6 混凝土(湿)混凝土(湿)0.70.7 砾石砾石0.60.55 土路(干)土路(干)0.680.65 土路(湿)土路(湿)0.550.40.5 雪(压紧)雪(压紧)0.20.15 冰冰0.10.07表表4-2 各种路面的平均附着系数各种路面的平均附着系数(1)路面4.影响纵向力系数的因素(1)路面4.影响纵向力系数的因素(2)车速 子午线轮胎接地面积大、单位压力小、滑移小、胎面子午线轮胎接地面积大、单位压力小、滑移小、胎面不易损耗,纵向力系数较高。不
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