第1講-汽車輪胎動力學(xué)與建模方法

輪胎動力學(xué)及建模方法

講

2021/3/29星期一11.1輪胎的功能、結(jié)構(gòu)及發(fā)展1.2輪胎模型1.3輪胎縱向力學(xué)特性1.4輪胎垂向力學(xué)特性1.5輪胎側(cè)向力學(xué)特性2021/3/29星期一21.1輪胎的功能及結(jié)構(gòu)三種輪胎必備的基本功能：?1）支撐垂直負(fù)載，同時緩沖路面沖擊?2）產(chǎn)生縱向的加速和制動力?3）產(chǎn)生供轉(zhuǎn)向的側(cè)向力2021/3/29星期一3輪胎基本結(jié)構(gòu)?1）胎體—輪胎最重要的部分，其結(jié)構(gòu)決定了輪胎的基本性能?2）胎圈—便于胎體從輪輞上裝卸，需有一定剛度，以保證與輪輞緊密貼合?3）胎面—包括胎冠、胎肩和胎側(cè)2021/3/29星期一4輪胎結(jié)構(gòu)實例圖1-1斜交胎和子午胎的結(jié)構(gòu)實例2021/3/29星期一51.2輪胎模型輪胎運(yùn)動坐標(biāo)系冪指數(shù)統(tǒng)一輪胎模型“魔術(shù)公式”輪胎模型（MagicFormulaTireModel）SWIFT輪胎模型2021/3/29星期一6輪胎運(yùn)動坐標(biāo)系圖1-2輪胎的坐標(biāo)系與地面作用于輪胎的力和力矩2021/3/29星期一7冪指數(shù)統(tǒng)一輪胎模型穩(wěn)態(tài)縱滑側(cè)偏聯(lián)合工況時，輪胎的縱向力、側(cè)向力與回正力矩的表達(dá)式：—無量綱總切向力，

—相對總滑移率，

—輪胎的側(cè)向偏矩，

—側(cè)向剛度，式中均由試驗數(shù)據(jù)擬合得到

2021/3/29星期一8冪指數(shù)統(tǒng)一輪胎模型的特點：?1）采用了無量綱表達(dá)式，其優(yōu)點在于由純工況下的一次臺架試驗得到的試驗數(shù)據(jù)可用于各種不同的路面?2）無論是純工況還是聯(lián)合工況，其表達(dá)式是統(tǒng)一的?3）可表達(dá)各種垂向載荷下的輪胎特性?4）保證了可用較少的模型參數(shù)實現(xiàn)全域范圍內(nèi)的計算精度，參數(shù)擬合方便，計算量小?5）能擬合原點剛度2021/3/29星期一9“魔術(shù)公式”輪胎模型（MagicFormulaTireModel）“魔術(shù)公式”輪胎模型表達(dá)式：式中，y可以是縱向力側(cè)向力或回正力矩，自變量x可以在不同的情況下分別表示輪胎的側(cè)偏角或縱向滑移率

2021/3/29星期一10“魔術(shù)公式”輪胎模型的特點?1）統(tǒng)一性強(qiáng)，編程方便，需擬合參數(shù)較少，且各個參數(shù)都有明確的物理意義，容易確定其初值?2）擬合精度比較高?3）參數(shù)的擬合較困難，計算量大?4）c值的變化對擬合的誤差影響較大?5）不能很好地擬合小側(cè)偏情況下輪胎的側(cè)偏特性2021/3/29星期一111.3輪胎縱向力學(xué)特性1）滾動阻力（Rollingresistance）

?

A）滾動阻力是如何形成的？?B）構(gòu)成：?C）滾動阻力的影響因素：2021/3/29星期一12A）滾動阻力是如何形成的？彈性車輪在硬路面上的滾動從動輪在硬路面上滾動時的受力情況加載前后胎側(cè)形狀的變化輪胎徑向壓縮模式圖由路面變形和輪轍摩擦引起的附加滾動阻力滾動阻力(波阻)示意圖2021/3/29星期一13彈性車輪在硬路面上的滾動圖1-3彈性車輪在硬路面上滾動2021/3/29星期一14從動輪在硬路面上滾動時的受力情況圖1-4從動輪在硬路面上滾動時的受力情況2021/3/29星期一15滾動阻力Fp1=Tf/r=Fz(a/r)令f=(a/r)而Fz=WFp1=Wff稱為滾動阻力系數(shù)2021/3/29星期一16加載前后胎側(cè)形狀的變化圖1-5加載前后胎側(cè)形狀的變化（載荷:4.448KN;氣壓:210KPa)2021/3/29星期一17輪胎徑向壓縮模式圖圖1-6輪胎徑向壓縮模式圖2021/3/29星期一18由路面變形和輪轍摩擦引起的附加滾動阻力圖1-7由路面變形和輪轍摩擦引起的附加滾動阻力2021/3/29星期一19滾動阻力(波阻)示意圖不平路面造成的滾動阻力：車輪在不平路面上行駛時，它和車身也會有相對運(yùn)動．車身阻尼和路面不平度一起，造成了平均值不為零的振蕩的Fu和Fz．減振器壓縮和伸長時做了功，這個功與汽車行駛過的路程之比被看作滾動阻力（波阻），見圖．圖1-8滾動阻力(波阻)示意圖2021/3/29星期一20B）構(gòu)成：Thereareatleastsevenmechanismsresponsibleforrollingresistance:1)Energylessduetodeflectionofthetiresidewallnearthecontactarea.2)Energylossduetodeflectionofthetreadselements（外胎面）.3)Scrubbinginthecontactpatch.4)Tireslipinthelongitudinalandlateraldirections.5)Deflectionoftheroadsurface.6)Airdragontheinsideandoutsideofthetire.7)Energylossonbumps.

2021/3/29星期一21C）滾動阻力的影響因素：（1）車速（2）輪胎氣壓（3）輪胎結(jié)構(gòu)（4）路面（5）溫度（6）轉(zhuǎn)彎行駛（7）驅(qū)動力系數(shù)

2021/3/29星期一22Rollingresistanceversusspeed.圖1-9

Rollingresistanceversusspeed2021/3/29星期一23滾動阻力系數(shù)f的數(shù)值（不同路面）圖1-10滾動阻力系數(shù)f的數(shù)值（不同路面）2021/3/29星期一24轎車輪胎的滾動阻力系數(shù)與車速.壓力的關(guān)系曲線圖1-11轎車輪胎的滾動阻力系數(shù)與車速.壓力的關(guān)系曲線2021/3/29星期一25滾動阻力系數(shù)與充氣壓力、徑向載荷的關(guān)系圖1-12滾動阻力系數(shù)與充氣壓力、徑向載荷的關(guān)系2021/3/29星期一26轉(zhuǎn)彎時的滾動阻力與車速的關(guān)系圖1-13轉(zhuǎn)彎時的滾動阻力與車速的關(guān)系2021/3/29星期一27Relativetiretemperatureandrollingresistanceduringwarm-up圖1-14

Relativetiretemperatureandrollingresistanceduringwarm-up2021/3/29星期一28滾動阻力有人推薦用下式計算良好道路上貨車輪胎滾動阻力系數(shù)f＝0.0076＋0.000056ua有人推薦用下面的公式估算轎車輪胎在良好路面上的滾動阻力系數(shù)：2021/3/29星期一29對轉(zhuǎn)鼓上測得的各試驗曲線進(jìn)行擬合，求得上式中的系數(shù)f0、f1、f4的數(shù)值如下：

SRHRSR－M＋Sf00.0072~0.0120以上0.0081~0.00980.0085~0.0120f10.00025~0.002800.0012~0.00250.0025~0.0034f40.00065~0.002以上0.0002~0.00040.0005~0.00102021/3/29星期一30滾動阻力系數(shù)與驅(qū)動力系數(shù)的關(guān)系(驅(qū)動力系數(shù)：驅(qū)動力與徑向載荷之比)圖1-15滾動阻力系數(shù)與驅(qū)動力系數(shù)的關(guān)系(驅(qū)動力系數(shù):驅(qū)動力與徑向載荷之比)

2021/3/29星期一31硬路面上的附著系數(shù)1、車輪的三態(tài)純滾動v=r*

2021/3/29星期一32硬路面上的附著系數(shù)1、車輪的三態(tài)

驅(qū)動車輪v<r*

2021/3/29星期一33四、硬路面上的附著系數(shù)1、車輪的三態(tài)

制動車輪v>r*

2021/3/29星期一34滑動率定義圖1-16制動時輪胎留在地面上的印痕2021/3/29星期一35滑動率制動力系數(shù)

b=Fxb/N-----制動力與垂直載荷之比峰值附著系數(shù)

p與滑動附著系數(shù)

s側(cè)向力系數(shù)

l-------側(cè)向力與垂直載荷之比2021/3/29星期一362、滑動率圖1-17有側(cè)偏時的、曲線

2021/3/29星期一37影響附著系數(shù)的因素路面圖1-18各種路面上的曲線2021/3/29星期一38影響附著系數(shù)的因素路面車速圖1-19車輪對制動力系數(shù)曲線的影響2021/3/29星期一39影響附著系數(shù)的因素路面車速輪胎花紋

Sm--無花紋光胎面Rbd--有溝槽胎面Spd--有溝槽且有小切縫胎面2021/3/29星期一40滑水現(xiàn)象2021/3/29星期一411.4輪胎垂向力學(xué)特性輪胎的垂向特性充氣輪胎的一個基本功能是在不平路面行駛時起緩沖作用，該緩沖作用與充氣輪胎的彈性有關(guān)，通常以輪胎所受的載荷和變形的曲線來表示輪胎的剛度特性，它對車輛的行駛平順性行駛穩(wěn)定性和制動性均有重要影響。2021/3/29星期一42靜剛度圖1-23165×3型子午線轎車輪胎的靜載荷與變形的關(guān)系2021/3/29星期一43動剛度圖1-24車速對轎車滾動輪胎動剛度的影響2021/3/29星期一44輪胎垂直振動的力學(xué)模型圖1-25點接觸式線性彈簧—粘性阻尼模型2021/3/29星期一45試驗時汽車懸架被卡死,激勵由裝有正弦波鼓面的轉(zhuǎn)鼓試驗臺產(chǎn)生，每周6個波峰，正弦波幅值0.01m，波長0.696m圖1-26不同工況下輪胎垂直振動加速度響應(yīng)譜的計算值與試驗值比較

2021/3/29星期一461.5輪胎的側(cè)向力學(xué)特性一、直線行駛：輪胎承受垂直力和縱向力，縱向力有制動力、驅(qū)動力、滾動阻力。用縱向附著系數(shù)模型來解決制動力、驅(qū)動力與垂直力的關(guān)系，用滾動阻力系數(shù)模型來解決滾動阻力與垂直力的關(guān)系。難點：附著效率和制動效率二、曲線行駛：側(cè)向力2021/3/29星期一47輪胎的側(cè)偏特性2021/3/29星期一48輪胎的側(cè)偏特性側(cè)向力FySideforce側(cè)偏力FYCornering

force車輪如何滾動？

圖1-27輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象

a)靜止b)滾動

2021/3/29星期一49輪胎的側(cè)偏特性側(cè)向力FySideforce側(cè)偏力FYCornering

force圖1-28輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象

a)靜止b)滾動

2021/3/29星期一50輪胎的側(cè)偏特性三、輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象1、定義：側(cè)偏角:車輪行駛方向與車輪平面的夾角稱為側(cè)偏角。2、方向：2021/3/29星期一51輪胎的側(cè)偏特性問題：圖5－7中車輪的側(cè)偏角是正還是負(fù)？

XyFY>0<02021/3/29星期一52輪胎的側(cè)偏特性2021/3/29星期一53輪胎的側(cè)偏特性2021/3/29星期一54輪胎的側(cè)偏特性輪胎的側(cè)偏角和側(cè)偏力的關(guān)系（見試驗曲線）小于4～5度，是線性關(guān)系，0度時的斜率是側(cè)偏剛度。側(cè)偏剛度FY=K

K<02021/3/29星期一55輪胎的側(cè)偏特性四、側(cè)偏剛度的影響因素輪胎的尺寸、型式和結(jié)構(gòu)參數(shù)對側(cè)偏剛度有顯著影響，扁平率對輪胎側(cè)偏剛度影響很大。圖1-29幾種不同扁平率子午線胎的側(cè)偏剛度與載荷的關(guān)系曲線A-82系列B-70系列C-高性能70系列D-60系列2021/3/29星期一56輪胎的側(cè)偏特性四、側(cè)偏剛度的影響因素：輪胎的充氣壓力對側(cè)偏剛度也有顯著影響圖1-30輪胎充氣壓力對側(cè)偏剛度的影響輪胎:6.40-13速度為11m/s垂直載荷W=4000N2021/3/29星期一57輪胎的側(cè)偏特性四、側(cè)偏剛度的影響因素：垂直載荷的變化對輪胎側(cè)偏特性有顯著影響圖1-31垂直載荷對側(cè)偏特性的影響2021/3/29星期一58輪胎的側(cè)偏特性

四、側(cè)偏剛度的影響因素：路面圖1-32干路面和濕路面上的側(cè)偏特性a—干瀝青路面,速度為16.1Km/hb—濕混凝土路面,速度為32.2Km/hC—濕瀝青路面，速度為14.5Km/h2021/3/29星期一59輪胎的側(cè)偏特性四、側(cè)偏剛度的影響因素：行駛車速對側(cè)偏剛度的影響很小。2021/3/29星期一60輪胎的側(cè)偏特性五、回正力矩——繞ＯＺ軸的力矩：回正力矩是由接地面內(nèi)分布的微元側(cè)向反力產(chǎn)生的。圖1-33接地印跡內(nèi)地面?zhèn)认蚍醋饔昧Φ姆植技盎卣氐漠a(chǎn)生2021/3/29星期一61輪胎的側(cè)偏特性回正力矩的影響因素：垂直載荷2021/3/29星期一62輪胎的側(cè)偏特性回正力矩的影響因素：輪胎的型式及結(jié)構(gòu)參數(shù)對回正力矩一側(cè)偏角特性有重要影響。2021/3/29星期一63輪胎的側(cè)偏特性回正力矩的影響因素：地面切向反作用力對回正力矩的影響圖1-34地面切向反作用力對回正力矩的影響2021/3/29星期一64輪胎的側(cè)偏特性五、有外傾角時輪胎的滾