汽车动力学-轮胎动力学

汽车系统动力学
3.5轮胎垂向力学特性
1.轮胎的垂向特性
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2.轮胎噪声
3.轮胎垂向振动力学模型 4.轮胎振动对汽车性能的影响
汽车系统动力学
3.5轮胎垂向力学特性
1.轮胎的垂向特性
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通常以轮胎所受的载荷和变形曲线来表示轮胎的刚度特性。
静刚度 静载荷与垂向变形的关系。
曲线斜率即为静刚度，可认为轮胎的静刚度不随载荷的变 化而变化。
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轮胎模型分类
□轮胎纵滑模型，预测车辆在驱动和制动工况时的纵向力。 □轮胎侧偏和侧倾模型，预测侧向力和回正力矩。
□轮胎垂向振动模型，用于高频垂向振动的评价。
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3.3轮胎模型
几种常用的轮胎模型
□幂指数统一轮胎模型
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由郭孔辉院士提出，用于预测轮胎的稳态特性。
x ▢稳态纯纵滑工况纵向力 Fx x Fz Fx x y y Fz Fy ▢稳态纯侧偏工况纵向力 Fy y
□Fiala模型
□Gim模型
□Dugoff模型
□有限元模型
……
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3.4轮胎纵向力学特性
1.干、硬的平坦路面上轮胎滚动阻力及其产生机理 2.道路条件引起的附加阻力 3.轮胎侧偏引起的附加阻力 4.总的车轮滚动阻力 5.轮胎纵向力与滑动率的关系
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汽车系统动力学
3.4轮胎纵向力学特性
1.干、硬的平坦路面上轮胎滚动阻力及其产生机理
汽车系统动力学
主讲：彭琪凯
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第三章 充气轮胎动力学
3.1概述 3.2轮胎的功能、结构与发展 3.3轮胎模型 3.4轮胎纵向力学特性 3.5轮胎垂向力学特性 3.6轮胎侧向力学特性
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3.1概述
1.轮胎运动坐标系
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Fx □侧向力 F y □法向力 F z □翻转力矩 M x □滚动阻力矩 M y
uw
vw □轮胎侧偏角 arctan( ) 顺时针方向为正 uw

Fy
负的轮胎侧向力产生正的侧偏角 □轮胎径向变形
vw
轮胎印迹
无负载轮胎径向半径与负载时半径之差。
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rd
3.2轮胎的功能、结构及发展
轮胎的功能
□支撑整车质量
□与悬架共同作用，衰减
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由路面不平引起的振动 与冲击
□传递纵向力，实现驱动和
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■滚动阻力系数随着胎压增加而降低 ■滚动阻力系数随着车轮载荷增加而降低
■滚动阻力系数随着车速增加而增加
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3.4轮胎纵向力学特性
轮胎滚动阻力
□滚动阻力系数测量 ■整车道路测试 ■室内台架测试
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3.4轮胎纵向力学特性
2.道路条件产生的附加阻力
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路面不平
不平路面阻力 FR，不平
2
小侧偏角时，Fy C ，假定 sin ,cos 1
f R，侧偏 C / Fz,W
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3.4轮胎纵向力学特性
3. 轮胎侧偏引起的附加阻力
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车轮定位的影响
□车轮前束角
FR，前束 Fy sin w f R,前束Fz ,W
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3.4轮胎纵向力学特性
3. 轮胎侧偏ห้องสมุดไป่ตู้起的附加阻力
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车轮定位的影响
□车轮外倾角
由于车轮外倾角的存在，使轮胎在滚动过程中不垂直于地面，胎 面滚动区域将受不断变化的载荷作用，胎壁产生变形，引起滚动 阻力稍有增加。 汽车系统动力学
3.4轮胎纵向力学特性
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4. 总的车轮滚动阻力 总的车轮滚动阻力是各部分阻力之和。车辆在普通干路面 上作直线行驶时，一般可认为车轮阻力就是轮胎滚动阻力。 5. 轮胎纵向力与滑动率的关系 ◇纵向力在滑动率15%20%附近时达到最大值。 ◇制动防抱死系统和驱 动力控制系统的理论依 据。
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对汽车平顺性的影响
由于轮胎的振动，对汽车 悬架系统中弹性元件的振动形 成干扰，因而悬架中要产生振 动叠加，这就要求汽车设计时 要将轮胎的参数与悬架参数结 合起来考虑，以便获得良好的 汽车平顺性。
对汽车制动性、转向轻便性以及
轮胎的使用寿命的影响。 弹簧-阻尼模型
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3.5轮胎垂向力学特性
□纵向力 □回正力矩
Mz
汽车系统动力学
3.1概述

3
2.车轮运动参数 □滑动率(s=0~1) ,表示车轮相对于 纯滚动(或纯滑动)状态的偏离程度。 ▢滑转率(驱动时) ▢滑移率(制动时)
rd uw s 100% rd u r sb w d 100% uw
旋转轴
Fz
uw
车轮运动方向 负侧偏角
▢稳态纯侧偏工况回正力矩 M z Fy Dx ▢稳态纵滑侧偏联合工况
◇无量纲，表达式统一，可表达各种垂向载荷下的
轮胎特性，参数拟合方便，能拟合原点刚度。
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3.3轮胎模型
□“魔术公式”轮胎模型 Pacejka提出，以三角函数组合的形式来拟合轮胎试验 数据，得出一套公式可以同时表达纵向力、侧向力和 回正力矩的轮胎模型。
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弹簧-阻尼模型
3.5轮胎侧向力学特性
1.纯转向工况
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前轮外倾角
侧偏角
垂向载荷
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不同垂向载荷作用下的轮胎侧向力与侧偏角关系
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3.5轮胎侧向力学特性
2.联合工况 轮胎的垂向载荷、侧向力与纵向力之间相互影响
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摩擦椭圆
车辆转弯加速或转弯制动时，由于受摩擦力的限制，轮胎 不能同时获得最大的侧向力和最大的纵向力。
制动
□传递侧向力，使车辆转向并保证行驶稳定性
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3.2轮胎的功能、结构及发展
轮胎的结构
□胎体 决定轮胎基本性能 □胎圈 便于胎体装卸 □胎面 保护胎体、内胎 ■胎冠 ■胎肩 ■胎侧
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▢常用的充气轮胎有两种，斜交轮胎和子午线轮胎，主要 是胎体帘线角度的不同，前者为20-40度，后者为85-90度。
W
0
x
塑性路面
压实阻力
推土阻力 剪切阻力
x FR，塑性 FR FR,塑性
▢塑性路面阻力随胎 压的增加而增大
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3.4轮胎纵向力学特性
2.道路条件产生的附加阻力
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湿路面
Wt uw E 扰流阻力 FR，扰流 ( ) 10 N 湿路面上的轮胎滚动阻力 F R，湿路 FR FR,扰流
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3.2轮胎的功能、结构及发展与比较
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斜交轮胎
子午线轮胎
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3.2轮胎的功能、结构及发展
轮胎的发展 轮胎的材料、胎面花纹以及内部结构影响轮胎的物理 特性。
□低滚动阻力
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□良好的平顺性
□良好的操稳性 □良好的附着性 □低噪声
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3.3轮胎模型
什么是轮胎模型？
纵向滑动率 s 侧偏角 车辆运动 参数 径向变形 车轮外倾角 车轮转速 转偏率 轮胎模型 纵向力Fx 侧向力Fy 法向力Fz 轮胎六 侧倾力矩M x 分力 滚动阻力矩M y 回正力矩 M z
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3.5轮胎侧向力学特性
3.整车建模中对轮胎模型的考虑
在基本的线性操纵动力学模型中，轮胎只需产生与垂向载荷和侧 偏角呈线性关系的侧向力（包括回正力矩） 如果车辆模型考虑车辆载荷重新分配，轮胎模型还必须包括侧向 力和轮胎垂直载荷的关系 如果建模中考虑车身侧倾角与车轮外倾角的关系，轮胎模型必须 包括车轮外倾对轮胎力的影响 在非线性域分析中，轮胎模型必须能充分考虑大侧偏角情况下的 受力情况，并进行精确计算 如果车辆模型包括纵向自由度，轮胎模型必须包括纵向力。在需 要同时考虑纵向力和侧向力的联合工况下，轮胎模型必须能在两个 方向准确地分配所能获得的轮胎力。
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问题
什么是轮胎的驻波现象？
汽车的重量会使轮胎接触地面的部分稍有变形.车行驶时变形的部 分离开了路面后将恢复原状.如果从轮胎表面一个点来看,轮胎转一 次,这个点就发生一次变形和复原的过程.变形和复原是要时间的,在 高速行驶的时候,其复原速度赶不上轮胎的转速的话,就会在轮胎接 地面后侧引起驻波的异常形变现象,这就是驻波现象 在这种状态下,驻波的这部分花纹受到剧烈的摩擦而急剧升温 ,不 久就引起胎面橡胶从内部胎体剥落的现象.然后爆胎!更惨的是,从发 生驻波现象到爆胎,开车的人不会有任何感觉和预兆 ~不象漏个气,方 向跑偏什么的,这是高速上独有的致命的现象----驻波现象, 引起驻波现象的直接原因就是轮胎变形大,同时高速行驶,轮胎复 原速度赶不上轮胎的转速.所以在跑高速的时候（160公里以上） 要求更高的胎压减少变形,减少变形另外的方法是减少载重,速度越 高,就不能太接近胎壁上标的那个最大荷重了。
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3.5轮胎垂向力学特性
1.轮胎的垂向特性
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非滚动动刚度
滚动动刚度
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3.5轮胎垂向力学特性
2.轮胎噪声
轮胎噪声产生的机理： (1)空气泵吸效应 (2)胎面单元振动
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3.轮胎垂向振动力学模型
弹簧-阻尼模型
汽车系统动力学
3.5轮胎垂向力学特性
4.轮胎振动对汽车性能的影响
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轮胎滚动阻力
□弹性迟滞阻力 ■产生过程
■驻波 高速工况；增加能量损失，产生大量热，限制最高 安全行驶速度。
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3.4轮胎纵向力学特性
轮胎滚动阻力
□摩擦阻力 □风扇效应阻力 □滚动阻力系数 滚动阻力 FR FR,弹性迟滞 FR,摩擦 FR,风扇
FR 滚动阻力系数 f R F z ,w eR f 滚动阻力系数 R rd
y D sin C arctan Bx E ( Bx arctan Bx)
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◇拟合精度高，由于非线性计算量大；C值的变化对拟
合的误差影响较大；不能很好地拟合极小侧偏情况下 轮胎的侧偏特性。
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3.3轮胎模型
□SWIFT轮胎模型
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荷兰Delft工业大学提出，采用刚性圈理论，结合 “魔术公式”综合而成。
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汽车系统动力学
3.4轮胎纵向力学特性
3. 轮胎侧偏引起的附加阻力
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侧向载荷的影响
F ' R，侧偏 FR cos Fy sin
F ' R，侧偏 FR FR (1 cos ) Fy sin
由侧偏角引起的附加 滚动阻力系数
由轮胎侧偏 附加的阻力
f R，侧偏
Fy sin FR (1 cos ) Fz ,W
4.轮胎振动对汽车性能的影响
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对汽车操纵稳定性的影响
轮胎在汽车转弯行驶时发 生振动，会引起车身异常振动。 汽车转向盘发生摆振，驾驶员 无法操纵汽车行驶，导致汽车 的操纵稳定性变差。
对汽车行驶速度的影响
由于汽车振动时，汽车的 操纵稳定性变差，驾驶员不得 不使汽车减速以确保汽车安全 行驶。
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弹簧-阻尼模型
3.5轮胎垂向力学特性
4.轮胎振动对汽车性能的影响
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对汽车燃油经济性的影响
轮胎的振动必然将汽车行 驶中的一部分动能转变成轮胎 的变形，将生成热量并传到大 气中去，使汽车的能量损失， 使燃油经济性变差。
对汽车安全性的影响
汽车行驶过程中轮胎发生振动， 将影响轮胎与路面的附着能力，过 大的轮胎振动会导致轮毂轴承的异 常磨损，恶化汽车的技术状况，影 响汽车的行驶安全。