汽车理论：轮胎力学与汽车空气动力学

汽车理论2009年9月左曙光电话:69589233(办)办公室:新能源汽车工程中心415室同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案发动机转向系统制动系统传动系统行驶系统电子电器车身发动机传动系统行驶系统转向系统制动系统其它：车身、仪表及显示、照明与信号、电气与电子系统、空调、取暖及通风、雨刷……设计最优性能的汽车同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案1.强劲的动力性2.优良的经济性3.可靠的制动性4.安全的操稳性5.舒适的平顺性6.方便的通过性汽车理论汽车构造1.汽车的结构及组成形式2.零部件的功用3.总成及零部件的工程过程是什么？(树木)为什么？（森林）整车性能和评价(数学及力学上的为什么)高级阶段区别同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案汽车理论的整体内容„汽车行驶过程的力学特性分析„汽车的主要性能与评价指标„汽车整车动力参数的选定与匹配同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案汽车理论的参考书、方法及要求„汽车理论，人民交通出版社，吴光强主编2007年2月„汽车理论，机械工业出版社，余志生主编2007年5月（第五版）„学习方法：1、上课做笔记（重点）2、看参考书3、做适当的习题„要求：1、学生需来上课2、平时成绩参考3、考试资格参考同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案第一章:轮胎力学与空气动力学空气阻力轮胎六分力同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案一、轮胎的要求„有足够的强度和寿命、气密性好，保持行驶安全„良好的弹性和阻尼特性，噪声小，保证乘坐舒适和安全„胎面花纹要增强与地面的附着性，保证必要的驱动力和制动效能„轮胎边行驶，材料中摩擦损失或迟滞损失要小，保证滚动阻力小„轮胎侧偏特性好，保证转向灵敏和良好的方向稳定性同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案二、轮胎的种类及规格组成扁平率扁平率::扁平率是指轮胎断面高相对轮胎断扁平率是指轮胎断面高相对轮胎断面宽所占的比例。面宽所占的比例。扁平率越小，轮胎承受侧扁平率越小，轮胎承受侧向力的能力越强。向力的能力越强。同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案二、轮胎的种类及规格组成„典型轮胎种类:1、普通斜线胎2、子午线轮胎„轮胎规格组成：„轮胎宽度（mm）„扁平率（%）„轮胎结构形式„轮辋直径（in或mm）„工作标记（速度标记GSY负荷指数L1）同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案轮胎规格示例同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案速度标记速度标记（GSY）最高车速（km/h）速度标记（GSY）最高车速（km/h）F80R170M130S180P150T190Q160H210同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案负荷指数（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同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案普通斜交胎与子午线轮胎在受侧向力时的比较普通斜交胎与子午线轮胎在受侧向力时的比较同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案三、作用在轮胎上的力和力矩同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案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轴的分量侧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轴的分量翻转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同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案轮胎纵向动力学特性驱动轮胎受力从动轮胎受力同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案汽车轮胎与地面接触变形固体的变形曲线9.00—20轮胎的径向变形曲线土壤的压挤变形轮胎静止时的受力同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案轮胎的滚动阻力的产生轮胎力与变形关系轮胎滚动阻力形成垂直作用力在车轮滚动过程中对车轮中产生个阻力矩aFMzf⋅=raFrMFzfax⋅==raf=滚动阻力系数同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案TTrFftX−=•2FFTTFftftXrr−=−=2驱动轮胎的实际纵向力同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案滚动阻力系数地面类型良好的沥青或水泥路0.010~0.018一般的沥青或水泥路0.018~0.020碎石路0.020~0.025压紧土路、干燥路面0.025~0.035潮湿路面0.050~0.150结冰路面0.015~0.030压紧的雪路0.030~0.050卵石路面0.025~0.030干砂路0.100~0.300湿砂路0.06~0.15ff斜线轮胎与子午线轮胎在不同速度下的滚动阻力系数变化同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案轮胎内部温度对滚动阻力系数的影响不同路面上的滚动阻力系统随胎压而变化的关系在不同的地面上轮胎直径对滚动阻力系统的影响滚动阻力系数影响因素同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案buFnasch∝滚动阻力系数影响因素同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案前束阻力Fv同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案轮胎纵向动力学特性系数„附着力：当车轮受到驱动力矩或制动力矩作用时，地面将对轮胎在接地点作用有驱动力和制动力。而这两个纵向力的最大值受轮胎与路面间附着条件的限制，这个地面对作用于车轮切向反作用力的极限值ϕϕ⋅=zFF„轮胎的运动状态：„纯滚动理想状态„滑转车轮驱动时„滑移车轮转动时„轮胎的自由半径：„轮胎的静力半径：„轮胎的滚动半径：frsrnSrrπ2=srrrsrrrsrrr=同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案轮胎纵向动力学特性系数„滑动率：车轮滚滑程度的物理量„纵向滑转率„纵向滑移率%100×⋅−=xxbvrvsω%100×⋅−⋅=rvrsxaωω同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案轮胎纵向动力学特性系数„滑动率与附着系数的关系(增加侧向附着系数)峰值附着系数滑动附着系数同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案轮胎纵向动力学特性系数„在干燥路面上，峰值附着系数大约为滑动附着系数的1.2倍；在湿路面上，峰值附着系数大约为滑动附着系数的1.3倍。同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案附着系数的影响因素„路面的磨擦系数„行驶车速„轮胎的花纹„路面平整度„有水和油时ϕϕϕϕϕ„路面的摩擦系数„行驶车速„轮胎的花纹„路面平整度„有水和油时同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案三、整车坐标系同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案轮胎侧向动力学特性„汽车行驶过程中，由于路面的侧向倾斜、侧向风或曲线行驶时的离心力等作用，车轮中心将产生一个侧向力，相应在地面上产生地面侧向作用反力，这个力称为侧偏力。„由于轮胎具有侧向弹性，车轮行驶方向将偏离车轮平面方向，这就是轮胎的侧偏现象。同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案轮胎侧向动力学特性α⋅=yyKF„当侧偏角不超过4~5度时，侧偏角和侧偏力成线性关系，汽车正常行驶驶时，侧向加速度不超过0.4g，侧偏角不超过4~5度。„根据右手系定则，正的侧偏力产生负的侧偏角。一般轿车的轮胎侧偏刚度大约在radN/80000~28000−−同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案轮胎侧向动力学特性同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案侧偏刚度的影响因素yK„车轮的垂直载荷„胎压和尺寸„车速的影响小„纵向力（侧偏角一定）„路面、粗糙度、干湿影响大yKyKyKyK同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案轮胎侧向动力学特性„回正力矩eFTyy⋅=„轮胎拖距同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案回正力矩的影响因素同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案回正力矩的影响因素„从而使回正力矩开始时逐步增大，侧偏角为4~6度达到最大值；侧偏角再增大，回正力矩下降，在10~16时回正力矩为零；侧偏角再增大，回正力矩为负值。„在同样侧偏角下，尺寸大的轮胎一般回正力矩大。子午线轮胎的回正力矩比斜交轮胎大。轮胎气压低，接地印迹长，轮胎拖距大，回正力矩也就大。„当轮胎上作用有纵向力作用时，需消耗地面提供的部分附着力，因而侧向力利用的附着力减小，故在一定侧偏角下，驱动力增加时，回正力矩达最大值后再下降，在制动力作用下，回正力矩不断减小，到一定制动力时下降为零，其后便变为负值。同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案轮胎侧倾力学特性侧倾力：γ⋅=ryrKF侧倾刚度负的外倾角产生正的外倾侧向力。侧倾刚度约为侧偏刚度的0.1~0.05倍同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案轮胎侧倾力学特性总侧向力：等效侧偏角γαryyKKF+=yrKKγα⋅=Δ侧倾角过大，会损害轮胎的极限能力同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案轮胎垂向动力学特性„轮胎在垂直方向的弹性(刚度)和阻尼特性„轮胎的刚度(轮胎不同滚动速度下的变形与静变形是不一样的):静刚度同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案轮胎垂向动力学特性„静刚度影响因素:同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案轮胎垂向动力学特性„动刚度(随激振频率而变)同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案轮胎垂向动力学特性„轮胎阻尼(随激振频率而变)同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案轮胎垂向动力学特性„动刚度影响因素同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案轮胎垂向动力学特性非线性刚度与阻尼线性刚度与阻尼同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案第二节、汽车空气动力学汽车在路面上行驶时，除受到路面的作用力外，还受到周围空气流对它作用的各种力和力矩，研究这些力的特性及其对汽车性能影响的学科称为空气动力学。空气动力的六分力：1、空气阻力2、侧向力3、升力4、侧倾力矩5、俯仰力矩6、横摆力矩风压中心共同作用点重心vCvCvCrzzryyrxxAFAFAF222212121ρρρ•=•=•=xFzFyFyMzMxM同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案第二节、汽车空气动力学同济大学同济大学,,汽车学院汽车学院左曙光教授教案左曙光教授教案第二节、汽车空气动力学空气阻力¾压力阻力(91%)¾摩擦阻力(9%)压力阻力’形状阻力(58