汽車動力學(xué)-輪胎動力學(xué)PPT

1、主講：彭琪凱,汽車系統(tǒng)動力學(xué),汽車系統(tǒng)動力學(xué),第三章 充氣輪胎動力學(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,汽車系統(tǒng)動力學(xué),1.輪胎運動坐標(biāo)系,縱向力,側(cè)向力,法向力,翻轉(zhuǎn)力矩,滾動阻力矩,回正力矩,3.1概述,2,汽車系統(tǒng)動力學(xué),2.車輪運動參數(shù),3.1概述,滑動率(s=01) ,表示車輪相對于 純滾動(或純滑動)狀態(tài)的偏離程度。,滑轉(zhuǎn)率(驅(qū)動時),滑移率(制動時),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,無負(fù)載輪胎徑向半徑與負(fù)載時半徑之差。,3,順時針方向為正,汽車系統(tǒng)動力學(xué),3

2、.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與沖擊,傳遞縱向力，實現(xiàn)驅(qū)動和制動,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)動力學(xué),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,汽車系統(tǒng)動力學(xué),子午線輪胎,斜交輪胎,3.2輪胎的功能、結(jié)構(gòu)及發(fā)展與比較,6,汽車系統(tǒng)動力學(xué),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

3、物理特性。,低滾動阻力,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)動力學(xué),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)測車輛在驅(qū)動和制動工況時的縱向力。,輪胎側(cè)偏和側(cè)傾模型，預(yù)測側(cè)向力和回正力矩。,輪胎垂向振動模型，用于高頻垂向振動的評價。,8,汽車系統(tǒng)動力學(xué),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)

4、動力學(xué),“魔術(shù)公式”輪胎模型,3.3輪胎模型,Pacejka提出，以三角函數(shù)組合的形式來擬合輪胎試驗數(shù)據(jù)，得出一套公式可以同時表達(dá)縱向力、側(cè)向力和回正力矩的輪胎模型。,擬合精度高，由于非線性計算量大；C值的變化對擬合的誤差影響較大；不能很好地擬合極小側(cè)偏情況下輪胎的側(cè)偏特性。,10,汽車系統(tǒng)動力學(xué),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。,Fiala模型,Gim模型,有限元模型,Dugoff模型,11,汽車系統(tǒng)動力學(xué),3.4輪胎縱向力學(xué)特性,1.干、硬的平坦路面上輪胎滾動阻力及其產(chǎn)生機(jī)理,2.道路條件引起的附加阻力,3.輪胎側(cè)偏

5、引起的附加阻力,4.總的車輪滾動阻力,5.輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系,12,汽車系統(tǒng)動力學(xué),3.4輪胎縱向力學(xué)特性,1.干、硬的平坦路面上輪胎滾動阻力及其產(chǎn)生機(jī)理,輪胎滾動阻力,彈性遲滯阻力,產(chǎn)生過程,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,汽車系統(tǒng)動力學(xué),摩擦阻力,3.4輪胎縱向力學(xué)特性,風(fēng)扇效應(yīng)阻力,輪胎滾動阻力,滾動阻力系數(shù),滾動阻力,滾動阻力系數(shù),滾動阻力系數(shù),滾動阻力系數(shù)隨著胎壓增加而降低,滾動阻力系數(shù)隨著車速增加而增加,滾動阻力系數(shù)隨著車輪載荷增加而降低,14,汽車系統(tǒng)動力學(xué),3.4輪胎縱向力學(xué)特性,滾動阻力系數(shù)測量,輪胎滾動阻力,整車道路測試,室內(nèi)臺

6、架測試,15,汽車系統(tǒng)動力學(xué),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,汽車系統(tǒng)動力學(xué),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阻力,17,汽車系統(tǒng)動力學(xué),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阻力系數(shù),3. 輪胎側(cè)偏引起的附加阻力,18,汽車系統(tǒng)動力學(xué),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,汽車系統(tǒng)動力學(xué),3.4輪胎縱向力學(xué)特性,車輪定位的

7、影響,車輪外傾角,由于車輪外傾角的存在，使輪胎在滾動過程中不垂直于地面，胎面滾動區(qū)域?qū)⑹懿粩嘧兓妮d荷作用，胎壁產(chǎn)生變形，引起滾動阻力稍有增加。,3. 輪胎側(cè)偏引起的附加阻力,20,汽車系統(tǒng)動力學(xué),3.4輪胎縱向力學(xué)特性,4. 總的車輪滾動阻力,總的車輪滾動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，一般可認(rèn)為車輪阻力就是輪胎滾動阻力。,5. 輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系,縱向力在滑動率15%-20%附近時達(dá)到最大值。,制動防抱死系統(tǒng)和驅(qū)動力控制系統(tǒng)的理論依據(jù)。,21,汽車系統(tǒng)動力學(xué),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.輪胎垂向振動力學(xué)模型,22,4.輪胎振動對

8、汽車性能的影響,汽車系統(tǒng)動力學(xué),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,汽車系統(tǒng)動力學(xué),3.5輪胎垂向力學(xué)特性,1.輪胎的垂向特性,非滾動動剛度,滾動動剛度,24,汽車系統(tǒng)動力學(xué),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,3.輪胎垂向振動力學(xué)模型,彈簧-阻尼模型,25,汽車系統(tǒng)動力學(xué),3.5輪胎垂向力學(xué)特性,4.輪胎振動對汽車性能的影響,26,對汽車平順性的影響,由于輪胎的振動，

9、對汽車懸架系統(tǒng)中彈性元件的振動形成干擾，因而懸架中要產(chǎn)生振動疊加，這就要求汽車設(shè)計時要將輪胎的參數(shù)與懸架參數(shù)結(jié)合起來考慮，以便獲得良好的汽車平順性。,彈簧-阻尼模型,對汽車制動性、轉(zhuǎn)向輕便性以及輪胎的使用壽命的影響。,汽車系統(tǒng)動力學(xué),3.5輪胎垂向力學(xué)特性,4.輪胎振動對汽車性能的影響,27,對汽車操縱穩(wěn)定性的影響,輪胎在汽車轉(zhuǎn)彎行駛時發(fā)生振動，會引起車身異常振動。汽車轉(zhuǎn)向盤發(fā)生擺振，駕駛員無法操縱汽車行駛，導(dǎo)致汽車的操縱穩(wěn)定性變差。,彈簧-阻尼模型,對汽車行駛速度的影響,由于汽車振動時，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。,汽車系統(tǒng)動力學(xué),3.5輪胎垂向力學(xué)特性,

10、4.輪胎振動對汽車性能的影響,28,對汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響,輪胎的振動必然將汽車行駛中的一部分動能轉(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,對汽車安全性的影響,汽車行駛過程中輪胎發(fā)生振動，將影響輪胎與路面的附著能力，過大的輪胎振動會導(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。,汽車系統(tǒng)動力學(xué),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,汽車系統(tǒng)動力學(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,30,汽車系統(tǒng)動力學(xué),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

11、相互影響,車輛轉(zhuǎn)彎加速或轉(zhuǎn)彎制動時，由于受摩擦力的限制，輪胎不能同時獲得最大的側(cè)向力和最大的縱向力。,摩擦橢圓,31,汽車系統(tǒng)動力學(xué),3.整車建模中對輪胎模型的考慮,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方向準(zhǔn)確地分配所能獲得的輪胎力。,32,汽車系統(tǒng)動力學(xué),什么是輪胎的駐波現(xiàn)象？,問題,汽車的重量會使輪胎接觸地面的部分稍有變形.車行駛時變形的部分離開了路面后將恢復(fù)原狀.如果從輪胎表面一個點來看,輪胎轉(zhuǎn)一次,這個點就發(fā)生一次變形和復(fù)原的過程.變形和復(fù)原是要時間的,在高速行駛的時候,其復(fù)原速度趕不上輪胎的轉(zhuǎn)速的話,就會在輪胎接地面后側(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)部胎體剝落的現(xiàn)象.然后爆胎