同濟大學汽車理論 汽車輪胎力學與空氣動力學

同濟大學汽車理論汽車輪胎力學與空氣動力學第1頁/共138頁第一節(jié)輪胎力學

牛牛文庫文檔分享第2頁/共138頁輪胎的基本知識175/65R1482H速度標記負荷指數(shù)輪輞直徑（in）輪胎型號（R為子午線，-為斜交胎）扁平率（%）輪胎寬度

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牛牛文庫文檔分享第4頁/共138頁輪胎的扁平率：表征輪胎的胎面高度H與寬度R的比值（百分比）。

牛牛文庫文檔分享第5頁/共138頁速度標記（GSY）最高車速（km/h）速度標記（GSY）最高車速（km/h）F80R170M130S180P150T190Q160H210速度標記

牛牛文庫文檔分享第6頁/共138頁負荷指數(shù)（L1）L1承載能力（kg）L1承載能力（kg）L1承載能力（kg）L1承載能力（kg）501906529080450956905119566300814629671052200673078247597730532066831583487987505421269325845009977555218703358551510080056224713458653010182557230723558754510285058236733658856010387559243743758958010490060250753879060010592561257764009161510695062265774129263010797563272784259365010810006428079437946701091030

牛牛文庫文檔分享第7頁/共138頁輪胎的變形參數(shù)與六分力輪胎的狀態(tài)參數(shù)：前輪轉(zhuǎn)角、外傾角、轉(zhuǎn)速輪胎的變形參數(shù)：滑移率、側(cè)偏角、經(jīng)向變形

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牛牛文庫文檔分享第9頁/共138頁輪胎六分力符號名稱意義縱向力地面對輪胎的反作用力眼坐標系x軸的分量測向力地面對輪胎的反作用力沿坐標系y軸的分量法向力地面對輪胎的反作用力沿坐標系z軸的分量側(cè)傾力矩地面對輪胎反作用力繞x軸產(chǎn)生的力矩滾動阻力矩地面對輪胎反作用力繞x軸產(chǎn)生的力矩回正力矩地面對輪胎反作用力繞x軸產(chǎn)生的力矩

牛牛文庫文檔分享第10頁/共138頁輪胎模型縱向滑移率側(cè)偏角經(jīng)向變形車輪外傾角車輪轉(zhuǎn)速前輪轉(zhuǎn)向角縱向力側(cè)向力法向力側(cè)傾力矩滾動助力矩回正力矩

牛牛文庫文檔分享第11頁/共138頁輪胎模型是汽車動力學研究的難點目前還沒有如此完備的輪胎模型目前在車輪動力學研究中使用的三類輪胎模型輪胎縱滑模型：主要用于汽車動力性、制動性能研究輪胎側(cè)偏模型：主要用于操縱穩(wěn)定性研究輪胎垂直振動模型：主要用于NVH研究

牛牛文庫文檔分享第12頁/共138頁1.1.1輪胎的縱向力學特性一、滾動阻力二、輪胎的附著性能

牛牛文庫文檔分享第13頁/共138頁軟路面上硬路面上產(chǎn)生滾動阻力的主要原因輪胎變形輪胎變形和路面變形輪胎變形為什么會產(chǎn)生滾動阻力？輪胎的遲滯損失：輪胎在加載變形時所消耗的能量在卸載恢復時不能完全收回，一部分能量消耗在輪胎內(nèi)部摩擦損失上，產(chǎn)生熱量，這種損失稱為輪胎的遲滯損失。一、滾動阻力Ff思考

牛牛文庫文檔分享第14頁/共138頁ua加載變形區(qū)卸載變形區(qū)思考

由輪胎的遲滯損失圖看，在輪胎徑向變形相同的情況下，地面作用在加載變形區(qū)與卸載變形區(qū)的法向反力是否相等？

牛牛文庫文檔分享第15頁/共138頁1）從動輪受力分析FZdFZd’

牛牛文庫文檔分享第16頁/共138頁f—滾動阻力系數(shù)令

牛牛文庫文檔分享第17頁/共138頁即路面作用于驅(qū)動輪的切向力FX2比Ft要小。2）驅(qū)動輪受力分析

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ua高

f

大貨車f=0.0076+0.000056ua

3）影響Ff的因素轎車（1）車速ua

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牛牛文庫文檔分享第20頁/共138頁子午線輪胎比斜交輪胎的滾動阻力小20%～30％；滾動阻力與輪胎的簾線（棉、人造絲、尼龍、鋼絲）和橡膠品質(zhì)有關(guān)。（2）輪胎結(jié)構(gòu)

牛牛文庫文檔分享第21頁/共138頁（3）氣壓氣壓越高，輪胎變形及由其產(chǎn)生的遲滯損失就越小，滾動阻力也越小。

牛牛文庫文檔分享第22頁/共138頁（4）驅(qū)動力

牛牛文庫文檔分享第23頁/共138頁為什么驅(qū)動力系數(shù)很大時，氣壓越低f越小？Ft胎面滑移Ffpa接地面積胎面滑移滑移引起的Ff思考

牛牛文庫文檔分享第24頁/共138頁上高速公路時，輪胎氣壓應該適當高一些。在松軟路面、泥濘路面、雪地行駛時，可適當降低輪胎氣壓。

在高速公路上，輪胎變形產(chǎn)生的滾動阻力大還是滑移產(chǎn)生的滾動阻力大？胎壓高輪胎變形小遲滯損失少Ff小胎壓低滑移小Ff小

上高速公路前要檢查胎壓，在給定的胎壓范圍內(nèi)，胎壓適當高一些好還是低一些好？思考思考

牛牛文庫文檔分享第25頁/共138頁路面類型滾動阻力系數(shù)良好的瀝青或混凝土路面0.010~0.018一般的瀝青或混凝土路面0.018~0.020碎石路面0.020~0.025良好的卵石路面0.025~0.030坑洼的卵石路面0.035~0.050壓緊土路干燥的0.025~0.035

雨后的0.050~0.150泥濘土路（雨季或解凍期）0.100~0.250干沙0.100~0.300濕沙0.060~0.150結(jié)冰路面0.015~0.030壓緊的雪道0.030~0.050

由輪胎與土壤之間的粘著性所致（5）路面條件表1-2滾動阻力系數(shù)f的數(shù)值

牛牛文庫文檔分享第26頁/共138頁離心力前、后輪產(chǎn)生側(cè)偏力側(cè)偏力沿行駛方向產(chǎn)生分力滾動阻力增加（6）轉(zhuǎn)向

牛牛文庫文檔分享第27頁/共138頁車輪接近純滾動車輪邊滾邊滑車輪抱死拖滑二、輪胎的附著性能

牛牛文庫文檔分享第28頁/共138頁從制動過程的三個階段看，隨著制動強度的增加，車輪幾何中心的運動速度因滾動而產(chǎn)生的部分越來越少，因滑動而產(chǎn)生的部分越來越多。1.滑動率滑動率：車輪接地處的滑動速度與車輪中心運動速度的比值。滑動率的數(shù)值說明了車輪運動中滑動成分所占的比例。

牛牛文庫文檔分享第29頁/共138頁滑動率s的計算

牛牛文庫文檔分享第30頁/共138頁滑動率s的計算純滾動時uδ=0，s=0；純滑動時ωw=0，

=uδ，s

=100%；邊滾邊滑時0<s<100%。

牛牛文庫文檔分享第31頁/共138頁2.縱向力系數(shù)與滑動率s縱向力系數(shù)：地面縱向力與作用在車輪上的垂直載荷的比值。峰值附著系數(shù)滑動附著系數(shù)s=15%～20%

縱向力系數(shù)隨滑動率而變化

牛牛文庫文檔分享第32頁/共138頁側(cè)向力系數(shù)：地面作用于車輪的側(cè)向力與車輪垂直載荷之比。

側(cè)向力系數(shù)也隨滑動率而變化3.側(cè)向力系數(shù)

牛牛文庫文檔分享第33頁/共138頁1）縱向力系數(shù)大，地面縱向力大，制動距離短；

2）側(cè)向力系數(shù)大，地面可作用于車輪的側(cè)向力大，方向穩(wěn)定性好；

3）減輕輪胎磨損。ABS（防抱死制動系統(tǒng)）將制動時的滑動率控制在15%～20%之間，有如下優(yōu)點：

牛牛文庫文檔分享第34頁/共138頁如果汽車直線行駛，在側(cè)向外力作用下，容易發(fā)生側(cè)滑；如果汽車轉(zhuǎn)向行駛，地面提供的側(cè)向力不能滿足轉(zhuǎn)向的需要，將會失去轉(zhuǎn)向能力。由、與s之間的關(guān)系可知，當滑動率s=100%時，，即地面能產(chǎn)生的側(cè)向力FY很小。

牛牛文庫文檔分享第35頁/共138頁什么情況下汽車會受到側(cè)向外力的作用？為什么彎道要有一定的側(cè)傾角？向內(nèi)傾還是向外傾？傾角的大小依什么而定？思考車身受到側(cè)向風作用路面?zhèn)葍A汽車轉(zhuǎn)向行駛

牛牛文庫文檔分享第36頁/共138頁平地轉(zhuǎn)向時，離心力Fl由地面?zhèn)认蛄Y平衡。

牛牛文庫文檔分享第37頁/共138頁當汽車在傾斜彎道轉(zhuǎn)向時，離心力Fl可由重力的分力平衡。彎道內(nèi)傾，可以減小所需的地面?zhèn)认蛄Γ粌A角依道路轉(zhuǎn)彎半徑和設計車速而定。

牛牛文庫文檔分享第38頁/共138頁環(huán)形跑道（視頻）（注意觀察彎道的傾斜情況）

牛牛文庫文檔分享第39頁/共138頁路面峰值附著系數(shù)滑動附著系數(shù)

瀝青或混凝土路面0.8～0.90.75

瀝青（濕）0.5～0.70.45～0.6

混凝土（濕）0.70.7

礫石0.60.55

土路（干）0.680.65

土路（濕）0.550.4～0.5

雪（壓緊）0.20.15

冰0.10.07表4-2各種路面的平均附著系數(shù)（1）路面4.影響縱向力系數(shù)的因素

牛牛文庫文檔分享第40頁/共138頁（1）路面4.影響縱向力系數(shù)的因素

牛牛文庫文檔分享第41頁/共138頁（2）車速

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牛牛文庫文檔分享第43頁/共138頁子午線輪胎接地面積大、單位壓力小、滑移小、胎面不易損耗，縱向力系數(shù)較高。轎車普遍采用寬斷面、低氣壓、子午線輪胎。（3）輪胎結(jié)構(gòu)

牛牛文庫文檔分享第44頁/共138頁（4）胎面花紋

牛牛文庫文檔分享第45頁/共138頁（4）胎面花紋

牛牛文庫文檔分享第46頁/共138頁滑水車速與路面結(jié)構(gòu)、水層厚度、水液粘度和密度、輪胎充氣壓力、垂直載荷、花紋形式及輪胎磨損程度有關(guān)。uh—滑水車速；pi—輪胎氣壓。

—動水壓力的升力；ρ—水密度；A—輪胎接地面積?；F(xiàn)象

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牛牛文庫文檔分享第49頁/共138頁1.1.2輪胎的側(cè)偏特性本節(jié)主要研究輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象和側(cè)偏特性。側(cè)偏特性是指側(cè)偏力、回正力矩與側(cè)偏角的關(guān)系。

牛牛文庫文檔分享第50頁/共138頁αOXY車輪平面車輪行駛方向正地面切向反作用力FX正翻轉(zhuǎn)力矩TX正地面法向反作用力FZ正地面?zhèn)认蚍醋饔昧Y車輪旋轉(zhuǎn)軸線正側(cè)偏角正回正力矩TZ正TY正外傾角γZ側(cè)偏角α輪胎接地印跡中心的位移方向與X軸的夾角外傾角γ過輪胎坐標系原點的垂線與車輪平面的夾角一、輪胎的坐標系

牛牛文庫文檔分享第51頁/共138頁地面作用于車輪的側(cè)向反作用力。二、輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象和側(cè)偏力—側(cè)偏角曲線1.側(cè)偏力FY

牛牛文庫文檔分享第52頁/共138頁uccucc只有當側(cè)向力

大于（或等于）車輪與路面間的側(cè)向附著力時，車輪的運動方向才會改變。1）在剛性輪上作用側(cè)向力

牛牛文庫文檔分享第53頁/共138頁FY俯視圖車輪靜止2）在彈性輪上作用側(cè)向力

牛牛文庫文檔分享第54頁/共138頁FY2）在彈性輪上作用側(cè)向力車輪滾動

牛牛文庫文檔分享第55頁/共138頁α0XYFY側(cè)偏力為正時，產(chǎn)生負側(cè)偏角。u-+2.側(cè)偏現(xiàn)象當車輪有側(cè)向彈性時，即使FY沒有達到側(cè)向附著極限，車輪行駛方向也將偏離車輪平面的方向。α側(cè)偏角α

輪胎接地印跡中心的位移方向與X軸的夾角。u

牛牛文庫文檔分享第56頁/共138頁k—側(cè)偏剛度。

FY一定時希望側(cè)偏角越小越好，所以|k|越大越好。3.FY－α曲線

牛牛文庫文檔分享第57頁/共138頁三、輪胎結(jié)構(gòu)、工作條件對側(cè)偏特性的影響大尺寸輪胎子午線輪胎斜交輪胎鋼絲子午線輪胎纖維子午線輪胎輪胎的尺寸、型式和結(jié)構(gòu)參數(shù)對側(cè)偏剛度有顯著影響。側(cè)偏剛度大側(cè)偏剛度小大尺寸輪胎小尺寸輪胎

牛牛文庫文檔分享第58頁/共138頁（1）扁平率小，k大HB扁平率=(H/B)×100%

牛牛文庫文檔分享第59頁/共138頁車型輪胎型號扁平率(%)

新雅閣普利斯通205/65R1565

奔馳S320米其林225/60R16W60

奔馳LORINSER

米其林275/30ZR19

30寬度一些車型輪胎的型號及扁平率輪輞直徑

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牛牛文庫文檔分享第61頁/共138頁（2）垂直載荷大，k大

牛牛文庫文檔分享第62頁/共138頁α一定時，W大，F(xiàn)Y大。FY=

，即k大。

垂直載荷過大時，輪胎與地面接觸區(qū)的壓力分布不均勻，使k反而有所減小。

牛牛文庫文檔分享第63頁/共138頁（3）輪胎氣壓高，k大

牛牛文庫文檔分享第64頁/共138頁FX1FY1FX2FY2（4）FX越大，F(xiàn)Y越小

牛牛文庫文檔分享第65頁/共138頁（5）路面干濕狀態(tài)

牛牛文庫文檔分享第66頁/共138頁路面有薄水層時，由于滑水現(xiàn)象，會出現(xiàn)完全喪失側(cè)偏力的情況。輪胎胎面、路面粗糙程度、水層厚度與滑水現(xiàn)象的關(guān)系

牛牛文庫文檔分享第67頁/共138頁四、回正力矩TZ輪胎發(fā)生側(cè)偏時，會產(chǎn)生作用于輪胎繞OZ軸的力矩，該力矩稱為回正力矩。車輪靜止時受到側(cè)向力

車輪運動時受到側(cè)向力（側(cè)向力較小）

車輪運動時受到側(cè)向力（側(cè)向力較大）FYeFYe—輪胎拖距。eFY輪胎拖距變大

牛牛文庫文檔分享第68頁/共138頁四、回正力矩TZ輪胎發(fā)生側(cè)偏時，會產(chǎn)生作用于輪胎繞OZ軸的力矩，該力矩稱為回正力矩。

車輪運動時受到側(cè)向力（側(cè)向力很大）FYTZuXY+-+--0FYe

輪胎拖距反而變小

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牛牛文庫文檔分享第70頁/共138頁+OXYZ-向外滾開的趨勢五、有外傾時輪胎的FY與外傾角γ、側(cè)偏角α的關(guān)系

牛牛文庫文檔分享第71頁/共138頁kγ－外傾剛度。+--1.外傾側(cè)向力FYγ

牛牛文庫文檔分享第72頁/共138頁

α一定時，γ

越大，F(xiàn)Y越大。增加的FY是由γ作用的結(jié)果。

牛牛文庫文檔分享第73頁/共138頁1）α=02）α≠03）有γ，F(xiàn)Y=0，即a點2.有外傾時FY與γ、α的關(guān)系

牛牛文庫文檔分享第74頁/共138頁5）外傾時產(chǎn)生的回正力矩4）γ過大對汽車產(chǎn)生不良影響影響輪胎與路面的良好接觸汽車輪胎摩托車輪胎

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牛牛文庫文檔分享第76頁/共138頁1.1.3輪胎的垂直振動特性

牛牛文庫文檔分享第77頁/共138頁

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牛牛文庫文檔分享第80頁/共138頁

牛牛文庫文檔分享第81頁/共138頁輪胎的兩個最重要參數(shù)：極限速度和承載量。臨界車速（最高車速）當汽車車速超過臨界車速時，輪胎會出現(xiàn)駐波現(xiàn)象，其周緣呈明顯的波浪狀，且輪胎溫度快速增加。后果是大量發(fā)熱導致輪胎破損或爆胎。駐波現(xiàn)象：在高速行駛時，輪胎離開地面后因變形所產(chǎn)生的扭曲并不立即恢復，其殘余變形形成了一種波，這就是駐波。此時輪胎周緣不再是圓形，而呈明顯的波浪形。輪胎剛離開地面時波的振幅最大，它按指數(shù)規(guī)律沿輪胎圓周衰減。

牛牛文庫文檔分享第82頁/共138頁駐波現(xiàn)象（圖像）

牛牛文庫文檔分享第83頁/共138頁

牛牛文庫文檔分享第84頁/共138頁

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牛牛文庫文檔分享第86頁/共138頁第二節(jié)汽車空氣動力學

牛牛文庫文檔分享第87頁/共138頁

牛牛文庫文檔分享第88頁/共138頁

牛牛文庫文檔分享第89頁/共138頁（1）壓力阻力（占91％）汽車直線行駛時受到的空氣作用力在行駛方向的分力稱為空氣阻力。作用在汽車外形表面上的法向壓力的合力在行駛方向上的分力?？諝庾枇W

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牛牛文庫文檔分享第91頁/共138頁取決于車身主體形狀。1）形狀阻力

牛牛文庫文檔分享第92頁/共138頁后視鏡車身表面的凸起物引起的阻力。2）干擾阻力

牛牛文庫文檔分享第93頁/共138頁后視鏡后視鏡設計也要注重流線形

牛牛文庫文檔分享第94頁/共138頁后視鏡

牛牛文庫文檔分享第95頁/共138頁后視鏡

牛牛文庫文檔分享第96頁/共138頁門把手

牛牛文庫文檔分享第97頁/共138頁懸架導向桿和傳動軸

牛牛文庫文檔分享第98頁/共138頁滿足冷卻、通風等需要，使空氣流經(jīng)車體內(nèi)部時構(gòu)成的阻力。4）誘導阻力空氣升力在水平方向的投影。3）內(nèi)循環(huán)阻力由于流經(jīng)車頂?shù)臍饬魉俣却笥诹鹘?jīng)車底的氣流速度，使得車底的空氣壓力大于車頂，從而空氣作用在車身上的垂直方向的壓力形成壓差，這就是空氣升力。

牛牛文庫文檔分享第99頁/共138頁思考夏季在高速公路上開空調(diào)省油還是開窗通風省油？打開天窗換氣和打開側(cè)窗換氣有何不同？

打開天窗換氣時，天窗上方的壓力低于車內(nèi)的壓力。（2）摩擦阻力（9％）由于空氣粘性作用在車身表面產(chǎn)生的切向力的合力在行駛方向的分力。

牛牛文庫文檔分享第100頁/共138頁CD—空氣阻力系數(shù)；A—迎風面積；ur—相對速度；ρ—空氣密度。（3）空氣阻力FW的計算

牛牛文庫文檔分享第101頁/共138頁發(fā)動機蓋應向前下傾（4）減小CD值要遵循的要點1）車身前部

牛牛文庫文檔分享第102頁/共138頁面與面交接處的棱角應為圓柱狀。

牛牛文庫文檔分享第103頁/共138頁過渡不理想面與面交接處的棱角應為圓柱狀。

牛牛文庫文檔分享第104頁/共138頁風窗玻璃應盡可能“躺平”，且與車頂圓滑過渡。

牛牛文庫文檔分享第105頁/共138頁越野車很難做到風窗玻璃應盡可能“躺平”，且與車頂圓滑過渡。

牛牛文庫文檔分享第106頁/共138頁盡量減少燈、后視鏡和門把手等凸出物。

牛牛文庫文檔分享第107頁/共138頁上掀式前照燈（視頻）

牛牛文庫文檔分享第108頁/共138頁在保險杠下面，應安裝合適的擾流板。

牛牛文庫文檔分享第109頁/共138頁車輪蓋應與輪胎相平。

牛牛文庫文檔分享第110頁/共138頁思考：F1方程式賽車為什么不用車輪蓋？

牛牛文庫文檔分享第111頁/共138頁整個車身應向前傾1°～2°。2）整車

牛牛文庫文檔分享第112頁/共138頁水平投影應為腰鼓形。

牛牛文庫文檔分享第113頁/共138頁后端稍稍收縮，前端呈半圓形。

牛牛文庫文檔分享第114頁/共138頁最好采用艙背式或直背式。3）汽車后部

牛牛文庫文檔分享第115頁/共138頁應安裝后擾流板。

牛牛文庫文檔分享第116頁/共138頁當車速超過120km/h，尾翼會自動升高160mm，為車身增加30％的下壓力；在車速低于80km/h，尾翼又會自動降低。應安裝后擾流板。

牛牛文庫文檔分享第117頁/共138頁應安裝后擾流板。

牛牛文庫文檔分享第118頁/共138頁應安裝后擾流板。

牛牛文庫文檔分享第119頁/共138頁應安裝后擾流板。

牛牛文庫文檔分享第120頁/共138頁若用折背式，則行李箱蓋板至地面距離應高些，長度要短些。

牛牛文庫文檔分享第121頁/共138頁后面應采用鴨尾式結(jié)構(gòu)。

牛牛文庫文檔分享第122頁/共138頁后面應采用鴨尾式結(jié)構(gòu)。

牛牛文庫文檔分享第123頁/共138頁所有零件應在車身下平面內(nèi)且較平整，最好有平滑的蓋板蓋住底部。4）車身底部

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