同济大学《汽车理论》第一章汽车轮胎力学与空气动力学.

第一章汽车轮胎力学与空气动力学同济大学汽车学院朱西产教授第一节轮胎力学轮胎的基本知识175/65R1482H速度标记负荷指数轮辋直径（in）轮胎型号（R为子午线，-为斜交胎）扁平率（%）轮胎宽度轮胎的扁平率：表征轮胎的胎面高度H与宽度R的比值（百分比）。速度标记（GSY）最高车速（km/h）速度标记（GSY）最高车速（km/h）F80R170M130S180P150T190Q160H210速度标记负荷指数（L1）L1承载能力（kg）L1承载能力（kg）L1承载能力（kg）L1承载能力（kg）501906529080450956905119566300814629671052200673078247597730532066831583487987505421269325845009977555218703358551510080056224713458653010182557230723558754510285058236733658856010387559243743758958010490060250753879060010592561257764009161510695062265774129263010797563272784259365010810006428079437946701091030轮胎的变形参数与六分力轮胎的状态参数：前轮转角、外倾角、转速轮胎的变形参数：滑移率、侧偏角、经向变形轮胎六分力符号名称意义纵向力地面对轮胎的反作用力眼坐标系x轴的分量测向力地面对轮胎的反作用力沿坐标系y轴的分量法向力地面对轮胎的反作用力沿坐标系z轴的分量侧倾力矩地面对轮胎反作用力绕x轴产生的力矩滚动阻力矩地面对轮胎反作用力绕x轴产生的力矩回正力矩地面对轮胎反作用力绕x轴产生的力矩FxFyFzTxTyTz轮胎模型纵向滑移率侧偏角经向变形车轮外倾角车轮转速前轮转向角纵向力侧向力法向力侧倾力矩滚动助力矩回正力矩轮胎模型是汽车动力学研究的难点•目前还没有如此完备的轮胎模型•目前在车轮动力学研究中使用的三类轮胎模型–轮胎纵滑模型：主要用于汽车动力性、制动性能研究–轮胎侧偏模型：主要用于操纵稳定性研究–轮胎垂直振动模型：主要用于NVH研究1.1.1轮胎的纵向力学特性•一、滚动阻力•二、轮胎的附着性能软路面上硬路面上产生滚动阻力的主要原因轮胎变形轮胎变形和路面变形轮胎变形为什么会产生滚动阻力？轮胎的迟滞损失：轮胎在加载变形时所消耗的能量在卸载恢复时不能完全收回，一部分能量消耗在轮胎内部摩擦损失上，产生热量，这种损失称为轮胎的迟滞损失。一、滚动阻力Ff思考ua加载变形区卸载变形区n'n思考由轮胎的迟滞损失图看，在轮胎径向变形相同的情况下，地面作用在加载变形区与卸载变形区的法向反力是否相等？aun'nW'dd1pF1XFaun'nWp1F1XFaraun'nW1pF1XFZFZFOEFCDAhZF1）从动轮受力分析FZdFZd’fTZFaFTZff1pTrFraFrTFZf1prafp1FWfWFf1pWfFfrTFfff—滚动阻力系数aun'nWp1F1XFarZFaun'nW1pF1XFfTZF令auWp2F2XFZFtTaraFTrFZXt2ftTTrTrTFXft2ftFF即路面作用于驱动轮的切向力FX2比Ft要小。2）驱动轮受力分析4a4a10100100ufufffua高f大货车f=0.0076+0.000056ua3）影响Ff的因素轿车（1）车速uazf子午线轮胎比斜交轮胎的滚动阻力小20%～30％；滚动阻力与轮胎的帘线（棉、人造丝、尼龙、钢丝）和橡胶品质有关。（2）轮胎结构（3）气压气压越高，轮胎变形及由其产生的迟滞损失就越小，滚动阻力也越小。（4）驱动力为什么驱动力系数很大时，气压越低f越小？Ft胎面滑移Ffpa接地面积胎面滑移滑移引起的Ff思考上高速公路时，轮胎气压应该适当高一些。在松软路面、泥泞路面、雪地行驶时，可适当降低轮胎气压。在高速公路上，轮胎变形产生的滚动阻力大还是滑移产生的滚动阻力大？胎压高轮胎变形小迟滞损失少Ff小胎压低滑移小Ff小上高速公路前要检查胎压，在给定的胎压范围内，胎压适当高一些好还是低一些好？思考思考路面类型滚动阻力系数良好的沥青或混凝土路面0.010~0.018一般的沥青或混凝土路面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压紧土路干燥的0.025~0.035雨后的0.050~0.150泥泞土路（雨季或解冻期）0.100~0.250干沙0.100~0.300湿沙0.060~0.150结冰路面0.015~0.030压紧的雪道0.030~0.050由轮胎与土壤之间的粘着性所致（5）路面条件表1-2滚动阻力系数f的数值离心力前、后轮产生侧偏力侧偏力沿行驶方向产生分力滚动阻力增加（6）转向wr0wruwr0wruwr0wru0w车轮接近纯滚动车轮边滚边滑车轮抱死拖滑二、轮胎的附着性能从制动过程的三个阶段看，随着制动强度的增加，车轮几何中心的运动速度因滚动而产生的部分越来越少，因滑动而产生的部分越来越多。1.滑动率滑动率：车轮接地处的滑动速度与车轮中心运动速度的比值。滑动率的数值说明了车轮运动中滑动成分所占的比例。wuδur0rO（速度瞬心）rwwurr0wδruδwr0wuurδw100%usuwr0ww100%uruw滑动率s的计算wwurr0wδruδwr0wuurδw100%usuwr0ww100%uru滑动率s的计算纯滚动时uδ=0，s=0；纯滑动时ωw=0，=uδ，s=100%；边滚边滑时0s100%。wu2.纵向力系数与滑动率s纵向力系数：地面纵向力与作用在车轮上的垂直载荷的比值。bZXFFbb峰值附着系数滑动附着系数s=15%～20%纵向力系数随滑动率而变化侧向力系数：地面作用于车轮的侧向力与车轮垂直载荷之比。ZYFFll侧向力系数也随滑动率而变化3.侧向力系数1）纵向力系数大，地面纵向力大，制动距离短；2）侧向力系数大，地面可作用于车轮的侧向力大，方向稳定性好；3）减轻轮胎磨损。ABS（防抱死制动系统）将制动时的滑动率控制在15%～20%之间，有如下优点：如果汽车直线行驶，在侧向外力作用下，容易发生侧滑；如果汽车转向行驶，地面提供的侧向力不能满足转向的需要，将会失去转向能力。由、与s之间的关系可知，当滑动率s=100%时，，即地面能产生的侧向力FY很小。bl1.0l什么情况下汽车会受到侧向外力的作用？为什么弯道要有一定的侧倾角？向内倾还是向外倾？倾角的大小依什么而定？思考车身受到侧向风作用路面侧倾汽车转向行驶YFYF平地转向时，离心力Fl由地面侧向力FY平衡。当汽车在倾斜弯道转向时，离心力Fl可由重力的分力平衡。弯道内倾，可以减小所需的地面侧向力；倾角依道路转弯半径和设计车速而定。环形跑道（视频）（注意观察弯道的倾斜情况）路面峰值附着系数滑动附着系数沥青或混凝土路面0.8～0.90.75沥青（湿）0.5～0.70.45～0.6混凝土（湿）0.70.7砾石0.60.55土路（干）0.680.65土路（湿）0.550.4～0.5雪（压紧）0.20.15冰0.10.07表4-2各种路面的平均附着系数（1）路面4.影响纵向力系数的因素（1）路面4.影响纵向力系数的因素（2）车速子午线轮胎接地面积大、单位压力小、滑移小、胎面不易损耗，纵向力系数较高。轿车普遍采用宽断面、低气压、子午线轮胎。（3）轮胎结构（4）胎面花纹（4）胎面花纹滑水车速与路面结构、水层厚度、水液粘度和密度、轮胎充气压力、垂直载荷、花纹形式及轮胎磨损程度有关。2ahAuFih34.6puuh—滑水车速；pi—轮胎气压。—动水压力的升力；ρ—水密度；A—轮胎接地面积。滑水现象hF1.1.2轮胎的侧偏特性本节主要研究轮胎的侧偏现象和侧偏特性。侧偏特性是指侧偏力、回正力矩与侧偏角的关系。αOXY车轮行驶方向正地面切向反作用力FX正翻转力矩TX正地面法向反作用力FZ正地面侧向反作用力FY车轮旋转轴线正侧偏角正回正力矩TZ正TY正外倾角γZ侧偏角α轮胎接地印迹中心的位移方向与X轴的夹角外倾角γ过轮胎坐标系原点的垂线与车轮平面的夹角一、轮胎的坐标系地面作用于车轮的侧向反作用力。二、轮胎的侧偏现象和侧偏力—侧偏角曲线1.侧偏力FYlyZFFuccucclyZFFu'u只有当侧向力大于（或等于）车轮与路面间的侧向附着力时，车轮的运动方向才会改变。1）在刚性轮上作用侧向力yFyFFY俯视图车轮静止2）在弹性轮上作用侧向力yFyFFY2）在弹性轮上作用侧向力车轮滚动yFyFα0XYFY侧偏力为正时，产生负侧偏角。u-+2.侧偏现象当车轮有侧向弹性时，即使FY没有达到侧向附着极限，车轮行驶方向也将偏离车轮平面的方向。α侧偏角α轮胎接地印迹中心的位移方向与X轴的夹角。ukFYk—侧偏刚度。FY一定时希望侧偏角越小越好，所以|k|越大越好。3.FY－α曲线三、轮胎结构、工作条件对侧偏特性的影响大尺寸轮胎子午线轮胎斜交轮胎钢丝子午线轮胎纤维子午线轮胎轮胎的尺寸、型式和结构参数对侧偏刚度有显著影响。侧偏刚度大侧偏刚度小大尺寸轮胎小尺寸轮胎（1）扁平率小，k大HB扁平率=(H/B)×100%车型轮胎型号扁平率(%)新雅阁普利斯通205/65R1565奔驰S320米其林225/60R16W60奔驰LORINSER米其林275/30ZR1930宽度一些车型轮胎的型号及扁平率轮辋直径（2）垂直载荷大，k大α一定时，W大，FY大。FY=，即k大。垂直载荷过大时，轮胎与地面接触区的压力分布不均匀，使k反而有所减小。k（3）轮胎气压高，k大FX1FY1FX2FY2（4）FX越大，FY越小（5）路面干湿状态路面有薄水层时，由于滑水现象，会出现完全丧失侧偏力的情况。轮胎胎面、路面粗糙程度、水层厚度与滑水现象的关系四、回正力矩TZ轮胎发生侧偏时，会产生作用于轮胎绕OZ轴的力矩，该力矩称为回正力矩。车轮静止时受到侧向力车轮运动时受到侧向力（侧向力较小）车轮运动时受到侧向力（侧向力较大）FYeFYe—轮胎拖距。eFY轮胎拖距变大四、回正力矩TZ轮胎发生侧偏时，会产生作用于轮胎绕OZ轴的力矩，该力矩称为回正力矩。车轮运动时受到侧向力（侧向力很大）FYTZuXYeFTYZ+-+--0FYe轮胎拖距反而变小γYFyF+OXYZ-向外滚开的趋势五、有外倾时轮胎的FY与外倾角γ、侧偏角α的关系γγkFYkγ－外倾刚度。+--1.外倾侧向力FYγα一定时，γ越大，FY越大。增加的FY是由γ作用的结果。1）α=0γγkFFYY2）α≠0γαYYYFFFγkk0γkk3）有γ，FY=0，即a点kkγ2.有外倾时FY与γ、α的关系5）外倾时产生的回正力矩4）γ过大对汽车产生不良影响影响轮胎与路面的良好接触汽车轮胎摩托车轮胎1.1.3轮胎的垂直振动特性轮胎的两个最重要参数：极限速度和承载量。临界车速（最高车速）当汽车车速超过临界车速时，轮胎会出现驻波现象，其周缘呈明显的波浪状，且轮胎温度快速增加。后果是大量发热导致轮胎破损或爆胎。驻波现象：在高速行驶时，轮胎离开地面后因变形所产生的扭曲并不立即恢复，其残余变形形成了一种波，这就是驻波。此时轮胎周缘不再是圆形，而呈明显的波浪形。轮胎刚离开地面时波的振幅最大，它按指数规律沿轮胎圆周衰减。驻波现象（图像）第二节汽车空气动力学（1）压力阻力（占91％）汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向的分力称为空气阻力。作用在汽车外形表面上的法向压力的合力在行驶方向上的分力。空气阻力FW取决于车身主体形状。1）形状阻力后