【汽车技术】轮胎的侧偏特性

轮胎侧偏特性—侧偏力、回正力矩与侧偏角的关系；本节基本内容：1.轮胎坐标系；2.轮胎的侧偏现象、侧偏力-侧偏角关系；3.侧偏特性的影响因素（结构、工作条件）；4.轮胎回正力矩的产生、回正力矩-侧偏角关系；5.有外倾角时轮胎的侧偏特性；轮胎的侧偏特性一、轮胎坐标系-ISO轮胎坐标系正TZ-回正力矩正TX正TYxzy车轮旋转轴线正地面切向反作用力FX正地面法向反作用力FZ正地面侧向反作用力FY正外倾角γ车轮行驶方向正侧偏角α问题1：车轮行驶方向为什么会偏离X轴？侧偏角是否位于指向的一侧？YF车轮中心沿Ｙ轴作用有侧向力Fy，地面对轮胎的侧向反力FY称为侧偏力。侧偏力FY因转向、路面倾斜、侧风等引起。转向引起的侧偏力总是指向汽车转弯的内侧。二、轮胎的侧偏现象１、侧偏力yF侧向力YF侧偏力YF侧偏力只有当侧向力大于（或等于）车轮与路面间的侧向附着极限时，车轮的运动方向才会改变。lyZFFuccucclyZFFu'uyFa、刚性轮胎:YFYF1)当车轮静止不滚动，轮胎发生侧向变形，车轮印迹中心线a-a与车轮平面c-c平行，错开Δh。2)当车轮滚动时，车轮印迹中心连线a-a线不再平行于车轮平面c-c,而是呈一定夹角α,即侧偏角。b、弹性轮胎u问题2：侧偏角如何产生？2、侧偏现象——因轮胎侧向弹性，车轮受侧偏力(即使没有达到附着极限)的作用使车轮行驶方向偏离车轮平面的现象，称为轮胎的侧偏现象。YFu问题3：侧偏力与侧偏角之间的因果关系？因果关系：侧偏力引起侧偏角，而非侧偏角的存在产生侧偏力。注意：侧偏角和侧偏力指向。YF注意：侧偏角总是位于和侧偏力指向相反的一侧。YF问题1：车轮行驶方向为什么会偏离X轴？侧偏角是否位于指向的一侧？YF三、侧偏力—侧偏角关系曲线在侧偏角5°时，侧偏力和侧偏角近似成线性关系，此时，式中，称为侧偏刚度（N/rad或N/°）,为曲线在处的斜率。按轮胎坐标系，侧偏力和侧偏角总是反号，故侧偏刚度总是负值。kFY0kkFY一定时希望侧偏角越小越好，所以|k|越大越好。FY－α曲线在侧偏力FY作用下对应一侧偏角；随着侧偏力的增大，侧偏角也相应增大；在汽车加速度0.4g，α不超过4-5°时，FY与α近似呈线性关系,严格地讲，轮胎弹性是非线性的，只有在小侧偏角范围内，可认为是线性的。在较大侧偏力时，侧偏角继续以较大速率增加，即曲线的斜率减小，轮胎发生部分侧滑；最后侧偏力达到附着极限，此时整个轮胎轮会发生侧滑，也称轮胎特性进入非线性饱和状态。轮胎的最大侧偏力取决于附着条件（垂直载荷、轮胎结构、路面情况等），越大极限行驶性能越好！侧偏力-侧偏角关系曲线有以下特点：结论◆弹性轮胎在侧向力作用下滚动时存在侧偏现象；◆作用在车轮上的侧向力和侧偏力大小相等、方向相反，但力的作用点不同；◆弹性轮胎的侧偏特性在小侧偏角范围内可认为是线性变化的；◆正的侧偏力产生负的侧偏角；◆明确因果关系：侧偏力引起侧偏角，而非侧偏角的存在产生侧偏力。四、轮胎结构、工作条件对侧偏特性的影响有助于后续学习中分析汽车稳态转向特性的变化1.轮胎形式和结构参数对侧偏特性的影响a.同尺寸的子午线轮胎比斜交轮胎侧偏刚度高；b.扁平率或高宽比（断面高/断面宽）小的轮胎侧偏刚度大；大尺寸轮胎子午线轮胎斜交轮胎钢丝子午线轮胎尼龙子午线轮胎侧偏刚度大侧偏刚度小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轮胎断面宽度(mm)一些车型轮胎的型号及扁平率轮辋直径(inch)扁平率越小,侧偏刚度k越大垂直载荷越大，k越大，但垂直载荷过大，k反而有所减小。2.轮胎垂直载荷对侧偏特性的影响FY一定时，W大，α小。FY=，即k大。k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垂直载荷大，k大胎压大，侧偏刚度大，但胎压太大侧偏刚度基本不变；3.轮胎胎压对侧偏特性的影响kFY发飘现象—汽车行驶时方向不稳定,轮胎抓地能力显著下降的一种不稳定现象.汽车发飘的内因是轮胎的侧偏特性。在侧向力作用下，轮胎发生侧偏现象，汽车受到的侧向力越大、或轮胎的侧偏刚度越小，侧偏现象就越严重。提高轮胎侧偏刚度有助于减小汽车发飘。解释发飘现象FY=k超车时两车之间的气流通道变窄，流速增大。根据伯努利原理，这里的气压减小，两车之间就产生吸力。两车横向间距越小，吸力就越大。从右图可知，在超过大车车头的前后一段时间内，小车横摆力矩系数变化剧烈，气流的变化使这种吸力不稳定，小车会左右摇晃，方向易失稳。所以大风时高速超大车是相当危险的。超车时的发飘现象汽车从隧道、山谷驶出的瞬间，风速常达到周围风速的十倍以上。在山区、海边、河边也容易受到突如其来的强侧风袭击。急剧变化的气流容易使汽车方向不稳，甚至失控。侧向面积大的车，如面包车、大客车等容易受到侧向风力的影响。为防止汽车发飘诱发车祸，在大风时应控制车速。其它情况下的发飘现象1.宽胎比窄胎有利于提高侧偏刚度。因此，使用宽胎的汽车发飘较小；2.轮胎载荷越小，侧偏刚度越小。因此轻车比重车更容易发飘；3.轮胎侧偏刚度还和空气气流对汽车的升力作用有关。车速越高，升力越大，轮胎载荷越小，侧偏刚度就越小。因此汽车高速比低速下更容易发飘。加了尾翼的车能减少升力，有助于减小高速下的发飘现象。4.轮胎气压越低，侧偏刚度越小，汽车就越容易发飘。发飘现象的影响因素4.地面切向反作用力对侧偏特性的影响附着椭圆——确定了在一定附着条件下切向力与侧偏力合力的极限值。4.地面切向反作用力对侧偏特性的影响附着椭圆5.路面条件路面越湿，轮胎最大侧偏力越小；侧向力系数6.滑水现象——路面有薄水层，轮胎可能会完全失去侧偏力，这称为“滑水现象”。轮胎胎面、路面粗糙程度、水层厚度与滑水现象的关系五、回正力矩eFTYz轮胎发生侧偏时，会产生作用于轮胎绕OZ轴的力矩Tz，该力矩称为回正力矩。圆周行使时，Tz是使转向车轮恢复到直线行使位置的主要恢复力矩之一。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轮胎拖距变大回正力矩的产生车轮运动时受到侧向力（侧向力很大）FYTZuXYeFTYZ+-+--0FYe轮胎拖距反而变小回正力矩与侧偏力的方向？轮胎形式与结构参数对回正力矩-侧偏角特性的影响；（相同侧偏角时，尺寸大、扁平比小的轮胎回正力矩大）轮胎气压低，接地印迹长，轮胎拖距大，回正力矩就大；γYFyF+-六、有外倾时轮胎的滚动轮胎外倾角及产生的原因:*车桥因载荷变形*汽车转向时的离心力*路面倾斜*前轮定位参数的需要当前轮有外倾角时，如果前桥断开，Fy=0,前轮向前滚动时会绕O´点作圆周运动。六、有外倾时轮胎的滚动γYFyF+-向外滚开的趋势根据轮胎坐标系，图中外倾角为正，外倾侧向力为负。由于前轴的约束,必然在拉力Fy的作用下，使左右轮只能按给定的方向一起行驶，此时地面产生与Fy方向相反的侧向反作用力，即为外倾侧向力FYγ。1、车轮外倾侧向力外倾侧向力不产生侧偏角！YFYFyF时的地面侧向反力；外倾角为时，侧偏角为零是外倾侧向力kFY2、外倾侧向力与外倾角关系。：外倾刚度（为负值）规定）；：外倾角（注意正负的时的地面侧向反力；外倾角为时，侧偏角为零外倾侧向力，它是k:YF成线性关系与YF外倾侧向力不产生侧偏角！试验表明：◆在小侧偏角条件下，外倾侧向力近似呈线性变化。◆按坐标系规定，为负值，因此，负的外倾角产生正的外倾侧向力◆外倾侧向力不产生侧偏角，但是车轮外倾会使侧偏角发生变化，为什么??KkFY3、有外倾角时轮胎的侧偏特性α一定时，γ越大，FY越大。增加的FY是由γ作用的结果。小侧偏角时，不同外倾角对应的侧偏刚度不变，侧偏特性具有平移特性；kkFFFYYYYYYFFF地面总的侧向反作用力只有侧偏角外倾角为0时的侧偏力只有外倾角侧偏角为0时的外倾侧向力dcbodcedYF外倾侧向力不产生侧偏角，但是车轮外倾会使侧偏角发生变化，为什么??（1）小侧偏角时，不同外倾角对应的侧偏刚度不变；（2）侧偏角为零、外倾角不为零时的地面侧向力，即为外倾侧向力。（图中y轴上的值）。（3）侧偏角不为零、外倾角为零时的地面侧向力，即为侧偏力。（图中0外倾角曲线上的值）（4）侧偏角和外倾角都不为零，且侧偏角较小时：kkFFFYYY3、有外倾角时轮胎的侧偏特性注意区分因果关系：由外倾角-----产生外倾侧向力；引起侧偏角变化；而侧偏力-----产生侧偏角；侧偏力和侧偏角-----引起回正力矩变化；作业5.1，P.275：某轿车（每个）前轮胎的侧偏刚度为-0176N/rad，外倾刚度为-7665N/rad。若轿车向左转弯，将使两前轮均产生正的外倾角，大小为+4度。设侧偏刚度和外倾刚度均不受左右轮载荷转移达到影响，试求：由外倾角引起的前轮侧偏角。解答：随着外倾角的增大，胎面与路面的接触情况越来越差，会影响最大地面侧向反作用力（侧向附着力）而损害汽车的极限行驶性能（降低极限侧向加速度）。所以高速轿车特别是采用超宽断面的竞赛车，弯道行驶时承受大部分前侧向力的前外轮应尽量垂直于地面，即外倾角为0。摩托车转弯时，外倾角很大，为保证最大地面反作用力，摩托车轮胎具有圆形断面。影响轮胎与路面的良好接触汽车轮胎摩托车轮胎3、有外倾角时轮胎的侧偏特性外倾角产生的回正力矩车轮有外倾角，还会产生回正力矩；轮胎特性参数的正负规定