汽車動(dòng)力學(xué)-輪胎動(dòng)力學(xué)

主講：彭琪凱汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)精品課件第三章充氣輪胎動(dòng)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(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系

□縱向力

□側(cè)向力

□法向力

□翻轉(zhuǎn)力矩

□滾動(dòng)阻力矩

□回正力矩

3.1概述

2精品課件2.車輪運(yùn)動(dòng)參數(shù)

3.1概述

□滑動(dòng)率(s=0~1),表示車輪相對(duì)于純滾動(dòng)(或純滑動(dòng))狀態(tài)的偏離程度?！D(zhuǎn)率(驅(qū)動(dòng)時(shí))▲滑移率(制動(dòng)時(shí))□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(wú)負(fù)載輪胎徑向半徑與負(fù)載時(shí)半徑之差。3順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎氛n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(dòng)與沖擊□傳遞縱向力，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)□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(hù)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(dòng)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(cè)車輛在驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)工況時(shí)的縱向力?！踺喬?cè)偏和側(cè)傾模型，預(yù)測(cè)側(cè)向力和回正力矩?！踺喬ゴ瓜蛘駝?dòng)模型，用于高頻垂向振動(dòng)的評(píng)價(jià)。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(wú)量綱，表達(dá)式統(tǒng)一，可表達(dá)各種垂向載荷下的輪胎特性，參數(shù)擬合方便，能擬合原點(diǎn)剛度。由郭孔輝院士提出，用于預(yù)測(cè)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(lái)擬合輪胎試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出一套公式可以同時(shí)表達(dá)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(jì)算量大；C值的變化對(duì)擬合的誤差影響較大；不能很好地?cái)M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?！鮂iala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(dòng)阻力及其產(chǎn)生機(jī)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(dòng)阻力5.輪胎縱向力與滑動(dòng)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(dòng)阻力及其產(chǎn)生機(jī)理

輪胎滾動(dòng)阻力□彈性遲滯阻力■產(chǎn)生過(guò)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(dòng)阻力□滾動(dòng)阻力系數(shù)滾動(dòng)阻力滾動(dòng)阻力系數(shù)滾動(dòng)阻力系數(shù)■滾動(dòng)阻力系數(shù)隨著胎壓增加而降低■滾動(dòng)阻力系數(shù)隨著車速增加而增加■滾動(dòng)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(dòng)阻力系數(shù)測(cè)量

輪胎滾動(dòng)阻力■整車道路測(cè)試■室內(nèi)臺(tái)架測(cè)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(shí)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(dòng)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(dòng)阻力系數(shù)小側(cè)偏角時(shí)，，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(dòng)過(guò)程中不垂直于地面，胎面滾動(dòng)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(dòng)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(dòng)阻力總的車輪滾動(dòng)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(shí)，一般可認(rèn)為車輪阻力就是輪胎滾動(dòng)阻力。5.輪胎縱向力與滑動(dòng)率的關(guān)系

縱向力在滑動(dòng)率15%-20%附近時(shí)達(dá)到最大值。

制動(dòng)防抱死系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)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(dòng)力學(xué)模型224.輪胎振動(dòng)對(duì)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(lái)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(dòng)動(dòng)剛度

滾動(dòng)動(dòng)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(jī)理：(1)空氣泵吸效應(yīng)(2)胎面單元振動(dòng)3.輪胎垂向振動(dòng)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(dòng)對(duì)汽車性能的影響26

對(duì)汽車平順性的影響

由于輪胎的振動(dòng)，對(duì)汽車懸架系統(tǒng)中彈性元件的振動(dòng)形成干擾，因而懸架中要產(chǎn)生振動(dòng)疊加，這就要求汽車設(shè)計(jì)時(shí)要將輪胎的參數(shù)與懸架參數(shù)結(jié)合起來(lái)考慮，以便獲得良好的汽車平順性。彈簧-阻尼模型

對(duì)汽車制動(dòng)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(dòng)對(duì)汽車性能的影響27

對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響

輪胎在汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)發(fā)生振動(dòng)，會(huì)引起車身異常振動(dòng)。汽車轉(zhuǎn)向盤(pán)發(fā)生擺振，駕駛員無(wú)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(duì)汽車行駛速度的影響

由于汽車振動(dòng)時(shí)，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(dòng)對(duì)汽車性能的影響28

對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

輪胎的振動(dòng)必然將汽車行駛中的一部分動(dòng)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(jì)性變差。彈簧-阻尼模型

對(duì)汽車安全性的影響

汽車行駛過(guò)程中輪胎發(fā)生振動(dòng)，將影響輪胎與路面的附著能力，過(guò)大的輪胎振動(dòng)會(huì)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(dòng)時(shí)，由于受摩擦力的限制，輪胎不能同時(shí)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(duì)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(dòng)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(duì)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(jìn)行精確計(jì)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(shí)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(gè)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(wèn)題

汽車的重量會(huì)使輪胎接觸地面的部分稍有變形.車行駛時(shí)變形的部分離開(kāi)了路面后將恢復(fù)原狀.如果從輪胎表面一個(gè)點(diǎn)來(lái)看,輪胎轉(zhuǎn)一次,這個(gè)點(diǎn)就發(fā)生一次變形和復(fù)原的過(guò)程.變形和復(fù)原是要時(shí)間的,在高速行駛的時(shí)候,其復(fù)原速度趕不上輪胎的轉(zhuǎn)速的話,就會(huì)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)