汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)-輪胎動(dòng)力學(xué)

1、汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)主講：胡愛軍汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)第三章第三章 充氣輪胎動(dòng)力學(xué)充氣輪胎動(dòng)力學(xué)3.1概述概述3.2輪胎的功能、結(jié)構(gòu)與發(fā)展輪胎的功能、結(jié)構(gòu)與發(fā)展3.3輪胎模型輪胎模型3.4輪胎縱向力學(xué)特性輪胎縱向力學(xué)特性3.5輪胎垂向力學(xué)特性輪胎垂向力學(xué)特性3.6輪胎側(cè)向力學(xué)特性輪胎側(cè)向力學(xué)特性1汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)1.輪胎運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系 xF縱向力 側(cè)向力 yF法向力 zF翻轉(zhuǎn)力矩 xM滾動(dòng)阻力矩 yM回正力矩 zM3.1概述概述 2汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)2.車輪運(yùn)動(dòng)參數(shù) 3.1概述概述 滑動(dòng)率(s=01) ,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。100%d

2、wdrusr滑轉(zhuǎn)率(驅(qū)動(dòng)時(shí))滑移率(制動(dòng)時(shí))100%wdbwursu輪胎側(cè)偏角arctan()wwvu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(shí)半徑之差。3順時(shí)針方向?yàn)檎槙r(shí)針方向?yàn)檎囅到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)3.2輪胎的功能、結(jié)構(gòu)及發(fā)展輪胎的功能、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汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)3.2輪胎的功能、結(jié)構(gòu)及發(fā)展輪胎的功能、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

3、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)胎保護(hù)胎體、內(nèi)胎決定輪胎基本性能決定輪胎基本性能便于胎體裝卸便于胎體裝卸汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)子午線輪胎斜交輪胎3.2輪胎的功能、結(jié)構(gòu)及發(fā)展輪胎的功能、結(jié)構(gòu)及發(fā)展 6汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)3.2輪胎的功能、結(jié)構(gòu)及發(fā)展輪胎的功能、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。低滾動(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汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)3.3輪胎模型輪胎模型 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(dòng)和制動(dòng)工況時(shí)的縱向力。輪胎側(cè)偏和側(cè)傾模型，預(yù)測側(cè)向力和回正

4、力矩。輪胎垂向振動(dòng)模型，用于高頻垂向振動(dòng)的評(píng)價(jià)。8汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)xxxzxxFF F 冪指數(shù)統(tǒng)一輪胎模型冪指數(shù)統(tǒng)一輪胎模型 3.3輪胎模型輪胎模型 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 yyyzyyFF F 穩(wěn)態(tài)純側(cè)偏工況回正力矩 zyxMF D 穩(wěn)態(tài)縱滑側(cè)偏聯(lián)合工況 無量綱，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)測輪胎的穩(wěn)態(tài)特性。 9汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)“魔術(shù)公式魔術(shù)公式”輪胎模型輪胎模型3.3輪胎模型輪胎模型 Pacejka提出，以三角函數(shù)組合的形式來擬合輪胎試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出一套公式可

5、以同時(shí)表達(dá)縱向力、側(cè)向力和回正力矩的輪胎模型。sinarctan(arctan)yDCBxE BxBx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汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)3.3輪胎模型輪胎模型 SWIFT輪胎模型輪胎模型荷蘭荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)提出，采用剛性圈理論，結(jié)合工業(yè)大學(xué)提出，采用剛性圈理論，結(jié)合“魔術(shù)公式魔術(shù)公式”綜合而成。綜合而成。Fiala模型模型Gim模型模型有限元有限元模型模型Dugoff模型模型11汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)3.4輪胎縱向力學(xué)特性輪胎縱向力學(xué)特性 1.干、硬的平坦路面上輪胎滾動(dòng)阻力及

6、其產(chǎn)生機(jī)理干、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道路條件引起的附加阻力3.輪胎側(cè)偏引起的附加阻力輪胎側(cè)偏引起的附加阻力4.總的車輪滾動(dòng)阻力總的車輪滾動(dòng)阻力5.輪胎縱向力與滑動(dòng)率的關(guān)系輪胎縱向力與滑動(dòng)率的關(guān)系12汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)3.4輪胎縱向力學(xué)特性輪胎縱向力學(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)阻力輪胎滾動(dòng)阻力彈性遲滯阻力彈性遲滯阻力產(chǎn)生過程產(chǎn)生過程駐波駐波 高速工況；增加能量損失，產(chǎn)生大量熱，限制最高高速工況；增加能量損失，產(chǎn)生大量熱，限制最高安全行駛速度。安全行駛速度。13汽車系統(tǒng)

7、動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)摩擦阻力摩擦阻力3.4輪胎縱向力學(xué)特性輪胎縱向力學(xué)特性 風(fēng)扇效應(yīng)阻力風(fēng)扇效應(yīng)阻力 輪胎滾動(dòng)阻力輪胎滾動(dòng)阻力滾動(dòng)阻力系數(shù)滾動(dòng)阻力系數(shù)滾動(dòng)阻力滾動(dòng)阻力,RRRRFFFF彈性遲滯摩擦風(fēng)扇滾動(dòng)阻力系數(shù)滾動(dòng)阻力系數(shù),RRz wFfF滾動(dòng)阻力系數(shù)滾動(dòng)阻力系數(shù)RRdefr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滾動(dòng)阻力系數(shù)隨著車輪載荷增加而降低14汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)3.4輪胎縱向力學(xué)特性輪胎縱向力學(xué)特性 滾動(dòng)阻力系數(shù)測量滾動(dòng)阻力系數(shù)測量 輪胎滾動(dòng)阻力輪胎滾動(dòng)阻力整車

8、道路測試整車道路測試室內(nèi)臺(tái)架測試室內(nèi)臺(tái)架測試15汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)2.道路條件產(chǎn)生的附加阻力道路條件產(chǎn)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輪胎縱向力學(xué)特性輪胎縱向力學(xué)特性 壓實(shí)阻力壓實(shí)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隨胎塑性路面阻力隨胎壓的增加而增大壓的增加而增大16汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)2.道路條件產(chǎn)生的附加阻力道路條件產(chǎn)生的附加阻力3.4輪胎縱向力學(xué)特性輪胎縱向力學(xué)特性 濕路面濕路面()10EtwRW uFN，擾流擾流阻力擾流阻力濕路面上的輪胎滾動(dòng)阻力濕路面上的輪胎滾動(dòng)阻力

9、,RRRFFF，濕路 擾流17汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)3.4輪胎縱向力學(xué)特性輪胎縱向力學(xué)特性 側(cè)向載荷的影響側(cè)向載荷的影響cossinRyRFFF，側(cè)偏(1 cos)sinRRyRFFFF，側(cè)偏由輪胎側(cè)偏由輪胎側(cè)偏附加的阻力附加的阻力,sin(1 cos)yRRz WFFfF，側(cè)偏由側(cè)偏角引起的附加由側(cè)偏角引起的附加滾動(dòng)阻力系數(shù)滾動(dòng)阻力系數(shù)小側(cè)偏角時(shí)，小側(cè)偏角時(shí)，yFC，假定，假定sin,cos12,/z WRfCF，側(cè)偏3. 輪胎側(cè)偏引起的附加阻力輪胎側(cè)偏引起的附加阻力18汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)3.4輪胎縱向力學(xué)特性輪胎縱向力學(xué)特性 車輪定位的影響車輪定位的影響車輪前束角車輪前束角

10、,sinywz WRRFFfF，前束前束3. 輪胎側(cè)偏引起的附加阻力輪胎側(cè)偏引起的附加阻力19汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)3.4輪胎縱向力學(xué)特性輪胎縱向力學(xué)特性 車輪定位的影響車輪定位的影響車輪外傾角車輪外傾角由于車輪外傾角的存在，使輪胎在滾動(dòng)過程中不垂直于地面，胎由于車輪外傾角的存在，使輪胎在滾動(dòng)過程中不垂直于地面，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)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。阻力稍有增加。3. 輪胎側(cè)偏引起的附加阻力輪胎側(cè)偏引起的附加阻力20汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)3.4輪胎縱向力學(xué)特性輪胎縱向力學(xué)特性 4. 總的車輪滾

11、動(dòng)阻力總的車輪滾動(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。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)系輪胎縱向力與滑動(dòng)率的關(guān)系縱向力在滑動(dòng)率縱向力在滑動(dòng)率15%-20%附近時(shí)達(dá)到最大值。附近時(shí)達(dá)到最大值。制動(dòng)防抱死系統(tǒng)和驅(qū)制動(dòng)防抱死系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)力控制系統(tǒng)的理論依動(dòng)力控制系統(tǒng)的理論依據(jù)。據(jù)。21汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)3.5輪胎垂向力學(xué)特性輪胎垂向力學(xué)特性 1.輪胎的垂向特性輪胎的垂向特性2.輪胎噪聲輪胎噪聲3.輪胎垂向振動(dòng)力學(xué)模型輪胎垂向振

12、動(dòng)力學(xué)模型224.輪胎振動(dòng)對(duì)汽車性能的影響輪胎振動(dòng)對(duì)汽車性能的影響汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)3.5輪胎垂向力學(xué)特性輪胎垂向力學(xué)特性 1.輪胎的垂向特性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。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。化而變化。靜載荷與垂向變形的關(guān)系。靜載荷與垂向變形的關(guān)系。23汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)3.5輪胎垂向力學(xué)特性輪胎垂向力學(xué)特性 1.輪胎的垂向特性輪胎的垂向特性 非滾動(dòng)動(dòng)剛度非滾動(dòng)動(dòng)剛度 滾動(dòng)動(dòng)剛度滾動(dòng)動(dòng)

13、剛度24汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)3.5輪胎垂向力學(xué)特性輪胎垂向力學(xué)特性 2.輪胎噪聲輪胎噪聲輪胎噪聲產(chǎn)生的機(jī)理：輪胎噪聲產(chǎn)生的機(jī)理：(1)空氣泵吸效應(yīng)空氣泵吸效應(yīng)(2)胎面單元振動(dòng)胎面單元振動(dòng)3.輪胎垂向振動(dòng)力學(xué)模型輪胎垂向振動(dòng)力學(xué)模型彈簧彈簧-阻尼模型阻尼模型25汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)3.5輪胎垂向力學(xué)特性輪胎垂向力學(xué)特性 4.輪胎振動(dòng)對(duì)汽車性能的影響輪胎振動(dòng)對(duì)汽車性能的影響26 對(duì)汽車平順性的影響對(duì)汽車平順性的影響 由于輪胎的振動(dòng)，對(duì)汽車由于輪胎的振動(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)生振成干擾，因而懸架中要產(chǎn)生振動(dòng)疊加，這就要求汽

14、車設(shè)計(jì)時(shí)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)要將輪胎的參數(shù)與懸架參數(shù)結(jié)合起來考慮，以便獲得良好的合起來考慮，以便獲得良好的汽車平順性。汽車平順性。彈簧彈簧-阻尼模型阻尼模型 對(duì)汽車制動(dòng)性、轉(zhuǎn)向輕便性以及對(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。輪胎的使用壽命的影響。汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)3.5輪胎垂向力學(xué)特性輪胎垂向力學(xué)特性 4.輪胎振動(dòng)對(duì)汽車性能的影響輪胎振動(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)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)。生振動(dòng)，會(huì)引起車身異常振動(dòng)。汽車轉(zhuǎn)向盤發(fā)生擺振，駕駛員汽車轉(zhuǎn)向盤發(fā)

15、生擺振，駕駛員無法操縱汽車行駛，導(dǎo)致汽車無法操縱汽車行駛，導(dǎo)致汽車的操縱穩(wěn)定性變差。的操縱穩(wěn)定性變差。彈簧彈簧-阻尼模型阻尼模型 對(duì)汽車行駛速度的影響對(duì)汽車行駛速度的影響 由于汽車振動(dòng)時(shí)，汽車的由于汽車振動(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不使汽車減速以確保汽車安全行駛。行駛。汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)3.5輪胎垂向力學(xué)特性輪胎垂向力學(xué)特性 4.輪胎振動(dòng)對(duì)汽車性能的影響輪胎振動(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)變成輪胎駛中的一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變成輪胎

16、的變形，將生成熱量并傳到大的變形，將生成熱量并傳到大氣中去，使汽車的能量損失，氣中去，使汽車的能量損失，使燃油經(jīng)濟(jì)性變差。使燃油經(jīng)濟(jì)性變差。彈簧彈簧-阻尼模型阻尼模型 對(duì)汽車安全性的影響對(duì)汽車安全性的影響 汽車行駛過程中輪胎發(fā)生振動(dòng)，汽車行駛過程中輪胎發(fā)生振動(dòng)，將影響輪胎與路面的附著能力，過將影響輪胎與路面的附著能力，過大的輪胎振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致輪轂軸承的異大的輪胎振動(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，影常磨損，惡化汽車的技術(shù)狀況，影響汽車的行駛安全。響汽車的行駛安全。汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)3.5輪胎側(cè)向力學(xué)特性輪胎側(cè)向力學(xué)特性 1.純轉(zhuǎn)向工況純轉(zhuǎn)向工況 前輪外傾角前輪外傾角 側(cè)偏角

17、側(cè)偏角 垂向載荷垂向載荷29汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)不同垂向載荷作用下的輪胎側(cè)向力與側(cè)偏角關(guān)系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汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)3.5輪胎側(cè)向力學(xué)特性輪胎側(cè)向力學(xué)特性 2.聯(lián)合工況聯(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。不能同時(shí)獲得最大的側(cè)向力和最大的縱向力。摩擦橢圓摩擦橢圓31汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)3.整車建模中對(duì)輪胎模型的考慮整車建模中對(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)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）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，輪胎模型必須如果建模