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轮胎第11讲11.1轮胎的功能、结构、种类及规格11.2轮胎的坐标系11.3轮胎的滚动阻力11.4轮胎的切向力与附着性能11.5轮胎的侧偏性能11.6轮胎在湿路面上的性能11.7轮胎的垂向振动特性11.1轮胎的功能、结构、种类及规格轮胎必须具有以下四种基本功能：轮胎必须具有适宜的弹性、阻尼和承载能力；胎面部分具有增强附着能力的花纹：具有热稳定性、耐磨等对轮胎的要求：胎面：直接与路面接触的部分。保护轮胎内侧帘布，延长轮胎寿命的厚厚的橡胶层。表面为提高排水性能，驱动/制动性能刻有花纹。带束层：是位于胎面和胎体之间的补强层。缓冲冲击，并可防止胎面产生的外伤波及胎体，还可以防止台面和胎体的剥离。胎体：是覆盖橡胶的用纤维或钢丝作成的帘线层，用于形成轮胎的骨架。呈反射状的贴合，保持气压，耐承重抗冲击。胎圈：支撑帘线的末端并可将轮胎固定在轮辋上的部分。胎肩：轮胎的两肩部分。采用成能够保护胎体和散发内部热量的设计。胎壁：为了保护轮胎侧面部分的帘线层，在表面覆盖有橡胶。在胎壁上标有轮胎尺寸，制造商明，和商标等。内衬层：是相当于内胎的橡胶层使用透气性低的特殊橡胶制成轮胎构造按用途分为：载货汽车轮胎（重型、中型、轻型）轿车轮胎按轮胎胎体结构分为：充气轮胎（汽车上使用的主要轮胎形式）实心轮胎充气轮胎按组成结构分为：按帘线排列方向分为：有内胎轮胎；普通斜交轮胎；无内胎轮胎。子午线轮胎。按充气大小分为：高压（0.5~0.7Mpa）刚度大，较硬，承载容量大，摩擦系数小。低压（0.15~0.45Mpa）弹性好、断面宽、接触面积大、薄壁。超低压（0.15Mpa以下）。轮胎的分类1-外胎2-内胎3-垫带充气轮胎的组成轮胎花纹：普通花纹越野花纹混合花纹普通斜交轮胎：帘布层和缓冲层的各相邻层帘线交叉，且与胎面中心线呈小于90º角排列的充气轮胎。子午线轮胎：帘布层帘线与胎面中心线呈90º角或约90º角排列的充气轮胎。普通斜交轮胎与子午线轮胎：普通斜交轮胎,它的特点是帘布层和缓冲层各相邻层帘线交叉排列，各帘布层与胎面中心线成35～40度的交角，因而叫斜交轮胎。帘布层是外胎的骨架，使胎体具有必要的强度，并固定轮胎外缘的形状和尺寸。帘布层数越多强度就越大，但弹性会下降。不能很好承受轮胎工作时产生的交变载荷；缓冲层位于胎面与帘布层之间，它具有较大的弹性，可缓和汽车行驶的冲击载荷，并防止汽车在紧急制动时胎面与帘布层脱离。普通斜交轮胎斜交轮胎的优点是：轮胎噪声小，外胎面柔软、制造容易，价格也较子午线轮胎便宜。斜交轮胎的缺点是：转向行驶时，接地面积小，胎面滑移大，抗侧向力能力差，高速行驶时稳定性差，滚动阻力较大，油耗偏高，承载能力也不如子午线轮胎。子午线轮胎的特点：帘布层线排列的方向与轮胎的子午断面一致，帘布层数可减少40%~50%。胎体较软、弹性好。帘线在圆周方向上只靠橡胶来连接，因此带束层采用具有若干层帘线与子午断面呈大角度（70。~75。）、高强度、不易拉伸的周向环层的带束层。带束层采用玻璃纤维、加强纤维或钢丝帘布制造，强度高、拉伸变形小；子午线轮胎的优点：接地面积大，附着性能好，对地面的单位压力小，磨损少，寿命长；胎冠较厚，且有坚硬带束层不易刺穿，行驶时变形小，可降低油耗；帘布层少，胎侧薄，散热性好；径向弹性大，缓冲性好、负荷能力大；承受侧向力时，接地面积基本不变，行驶稳定性好。子午线轮胎的缺点：胎侧薄且软，胎冠厚，在二者的过渡区容易产生裂纹；吸振能力差，胎面噪音大；制造技术要求高，成本高。子午线轮胎的优点：接地面积大，附着性能好，对地面的单位压力小，磨损少，寿命长；胎冠较厚，且有坚硬带束层不易刺穿，行驶时变形小，可降低油耗；帘布层少，胎侧薄，散热性好；径向弹性大，缓冲性好、负荷能力大；承受侧向力时，接地面积基本不变，行驶稳定性好。子午线轮胎的缺点：胎侧薄且软，胎冠厚，在二者的过渡区容易产生裂纹；吸振能力差，胎面噪音大；制造技术要求高，成本高。轮胎的规格标记种类较多，通常多以轮胎断面高度H、断面宽度B、扁平率(H／Bx100%)、轮辋直径d和工作标记(含载荷指数和速度标记)来表示。对于斜交轮胎，其尺寸标记用B-d表示，单位均为英寸；对于于午线轮胎则用字母“R”表示。轮胎的规格例子：菱帅所配的是MAXXISMA652轮胎轮胎标识说明185/65R1486H185胎面宽度185mm65扁平比。即轮胎侧面胎壁的高度与轮胎宽度的比例为65%。R轮胎的帘布层结构是子午线型结构14轮圈直径，单位是英寸86轮胎承载指数。86的最大承载量约530KGH速度级别。H代表轮胎的最高安全时速为210公里，T=190，V=240，W=270，Y=300。换胎时一定要注意速度等级的匹配，高速车不要配低速胎，否则可能会引起爆胎。轮胎的规格11.2轮胎的坐标系与术语图2-1轮胎坐标系轮胎坐标系中的概念11.3轮胎的滚动阻力1)轮胎滚动阻力的产生机理2)轮胎滚动阻力的影响因素3）轮胎滚动阻力系数的经验计算轮胎在硬路面上的滚动阻力从动轮在硬路面上滚动时的受力情况由路面变形和轮辙摩擦引起的附加滚动阻力不平路面造成的滚动阻力示意图1）轮胎滚动阻力的产生机理车轮滚动时，轮胎与路面的接触区域产生法向和切向的相互作用力并相应地使轮胎和支承路面变形。轮胎和支承路面的相对刚度决定了变形的特点。当轮胎在硬而平的路面(混凝上或沥青)上滚动时，轮胎变形是主要的。由于轮胎变形时材料的内摩擦产生弹性迟滞损失，使轮胎变形时所作的功不能全部收回，部分转化为热能而消失在大气中，同时胎面在接触区域有摩擦损失，以及滚动轮胎对外部空气的搅动损失，这些能量损失就是产生滚动阻力的原因。轮胎在硬路面上的滚动阻力在能量损失中，迟滞损失是最主要的，实验数据表明，车速在128~152km/h的范围内，迟滞损失约占轮胎滚动阻力的90％~95％，轮胎与路面的摩擦损失约占2％~10％，空气阻力约占1．5~3．5％。当车轮在松软路面上滚动时，由于支承路面发生变形使所作的功几乎全部不能收回，所以本讲主要讨论车轮在硬路而上的滚动。图3-19．00—20轮胎的径向变形曲线图中OCA为加载变形曲线，面积OCABO为加载过程中对轮胎作的功，ADE为卸载变形曲线，面积ADEBA为卸载过程中轮胎恢复变形时放出的功。由图可见，两曲线并不重合，两面积之差OCADEO即为加载与卸载过程的能量损失，从而产生轮胎的滚动阻力。这就是充气轮胎的迟滞损失。图3-2从动轮在硬路面上滚动时的受力情况从动轮在硬路面上滚动时的受力情况Fp1r=Tf故Fp1=Tf/r=Fz(a/r)令f=(a/r)而Fz=WFp1=Wff称为滚动阻力系数由平衡条件得可见，滚动阻力系数是车轮在一定条件下滚动时所需的推力与车轮裁荷之比。换而言之，滚动阻力等于滚动阻力系数与车轮载荷之乘积，即Ff=Wf图3-3由路面变形和轮辙摩擦引起的附加滚动阻力由路面变形和轮辙摩擦引起的附加滚动阻力不平路面造成的滚动阻力：车轮在不平路面上行驶时，它和车身也会有相对运动，车身阻尼和路面不平度一起，造成了平均值不为零的振荡的Fu和Fz．减振器压缩和伸长时做了功，这个功与汽车行驶过的路程之比被看作滚动阻力（波阻），见图3-4。图3-4滚动阻力(波阻)示意图（1）轮胎结构（2）轮胎结构设计参数（3）轮胎气压（4）轮胎垂直载荷（5）行驶车速（6）驱动转矩（7）轮胎工作温度（8）路面类型（9）轮胎侧偏角与外倾角2）轮胎滚动阻力的影响因素（1）轮胎结构轮胎的结构、帘线和橡胶的品种，对滚动阻力系数有很大的影响。图3—5给出了载重汽车和公共汽车用斜交轮胎和子午线轮胎在不同车速下的滚动阻力系数，可见，子午线轮胎的滚动阻力系数较低。一般子午线轮胎的滚动阻力系数为0.0l~0.015，斜交轮胎的滚动阻力系数为0.015~0.02。图3-5滚动阻力系数随轮胎结构的差别轮胎行驶面设计参数对滚动损失起很大的作用。如减窄行驶面宽度和减小胎面弧高，减小花纹深度和胎面厚度，尤其是两肩部厚度，都能降低滚动损失。试验表明，胎面胶厚度每减小lmm，轿车轮胎滚动损失减少1％，载重汽车轮胎减少3％；胎肩部厚度从14mm减小到10mm时，轮胎滚动损失可减少7％左右。（2）轮胎结构设计参数(3)轮胎气压轮胎气压对滚动阻力的影响是很明显的，这是由于低气压时轮胎的下沉量和接地面积增大，使得滚动阻力增加；而在载荷一定，轮胎气压增大时，轮胎挠度变小，则滚动阻力减小.如图3-6所示。当气压增加1倍时，横沟型花纹斜交轮胎的滚动阻力系数约降低28%，纵沟型花纹斜交轮胎约降低22%，而子午线轮胎约降低15%。图3-6滚动阻力系数随轮胎内气压的变化轮胎的滚动阻力一般与垂直载荷成比例增加。由于轮胎的变形大致上与垂直载荷成比例，故滚动阻力也大致与轮胎变形成比例增加。但是垂直载荷变化时轮胎的滚动阻力系数却基本上为一常数。由图3-7可见，各种汽车所用轮胎，不论是斜交轮胎还是子午线轮胎，滚动阻力系数几乎都不随垂直载荷变化。(4)轮胎垂直载荷图3-7滚动阻力系数随垂直载荷的变化（5）行驶车速图3–8滚动阻力随速度的变化（6）驱动转矩图3–9滚动阻力与驱动力系数的关系曲线（7）轮胎工作温度图3-10轮胎温度对滚动阻力系数的影响图3-11滚动阻力系数随外界气温的变化（8）路面类型表3-1滚动阻力系数f的数值（不同路面）图3-12转弯时的滚动阻力与车速的关系（9）轮胎侧偏角与外倾角图3-13轮胎滚动阻力与车轮外倾角的关系研究了轮胎结构、材料和设计参数等对轮胎滚动阻力的影响之后，总希望轮胎的滚动阻力越小越好，例如，在结构方面，采用子午线轮胎能极大地降低轮胎内部摩擦损失；作为使用条件来说，提高轮胎内气压，减小变形是降低滚动阻力的极有效的措施；同时改善轮胎用材料，减小轮胎体积，尽量使轮胎轻量化等。但是提高气压会使轮胎的径向刚度增大，从而导致汽车平顺性变坏，也会使轮胎的回正力矩减小，而使汽车操纵性能降低。因此要正确处理轮胎的能量损失与轮胎和汽车作为一个系统的特性之间的关系。同时必须考虑轮胎的使用寿命、驱动性能、侧偏特性以及吸振能力等。有人推荐用下式计算良好道路上货车轮胎滚动阻力系数f＝0.0076＋0.000056ua加拿大黄祖元博土推荐的在混凝土路面计算轿车轮胎滚动阻力系数的经验公式，当车速＜128km/h时，可得auauau3）轮胎滚动阻力系数的经验计算当轮胎受到驱动力矩Tt或制动力矩作用时，地面将对轮胎在接地点作用有驱动力Ft＝Tt／r或制动力Fxb＝／r，而这两个切向力的最大值受轮胎与地面接触区内附着条件的限制，可传递的最大切向力Fxmax与法向反作用力Fz成正比，即Fxmax＝Fz＝F，其中为附着系数，F为附着力。T11.4轮胎的切向力与附着性能由于轮胎是一个非线性的粘弹性体，在受到驱动力矩或制动力矩作用时，轮胎几乎不可能在路面上进行纯滚动，这是由轮胎与地面接触区内胎面变形所决定的。如果车轮上要传递比Fxmax·r大的驱动力矩或制动力矩，则轮胎不再处于纯滚动状态，而将出现两种极限工况，即车轮驱动时轮胎出现“打滑”，制动时轮胎“抱死拖滑”现象。图4-1驱动力矩作用下轮胎的特性当驱动力矩作用在轮胎上时，地面与轮胎接触区内产生的驱动力使轮胎的前方受压缩，图4-1为驱动力矩作用下轮胎的特性。由于胎面在进入接触区以前已经被压缩，所以轮胎在受到驱动力矩作用时，轮胎行驶的距离将比自由滚动时的距离少。这种现象常称为变形滑转。同理，当制动力矩作用在轮胎上时，胎面在进入接触区以前已经被拉伸，这时轮胎的行驶距离将比轮胎自由滚动时大。图4-2为制动力矩作用下轮胎的特性图4-2驱动力矩作用下轮胎的特性通常用滑动率s来说明轮胎在汽车行驶过程中变形滑转成分的多少。为了得到正值，在定义时要把驱动工况和制动工况分开考虑。对于制动工况，制动滑动率由下式确定bS式中，为制动滑动率bS因此，车轮纯自由滚动时，滑动率s=0；车轮制动抱死完全拖滑时，，s=100%;车轮边