轮胎动力学
汽车轮胎动力学仿真研究
汽车轮胎动力学仿真研究近年来，随着科学技术的发展和汽车工业的迅速发展，汽车轮胎动力学仿真已经成为大多数厂商和研究机构必不可少的工具。
它可以单独用于轮胎和路面的模拟，也可以整车仿真用于底盘动态模拟。
一、轮胎动力学模型汽车轮胎动力学仿真中最基础的问题是如何建立轮胎模型。
轮胎的复杂性在于不同车辆型号下的轮胎的材料和结构状态都是不同的。
其中，轮胎悬挂系统和车身是不可缺少的模型结构。
轮胎模型通常采用骨架模型和三维流体模型，通过基本的力学原理来描述轮胎变形、刚度等行为。
在实际仿真分析中，轮胎的动态行为还涉及到了其多阶段非线性问题和较大的形变问题。
通过比较多组测试数据，可以得出比较准确的模型，并通过优化算法来提高模型的准确性，从而达到更好的仿真效果。
二、路面数据库路面数据库是一组路面纹理、形状、材料和性质的数据。
这种数据在轮胎动力学仿真中非常重要，它模拟了轮胎和路面之间的相互作用，以及轮胎受到的摩擦和地形清洗作用。
路面数据库通常包括四个主要部分：三维路面纹理数据库、几何路面数据库、材料数据库和边界数据库。
三维路面纹理数据库包含了路面标志、标记和障碍物等特征的三维模型，几何数据库存储路面高度和曲率相关信息，材料数据库包括一系列材料参数信息，例如通过在测试平台上获取的摩擦系数，还有用于描述边界条件的数据库。
三、整车仿真此外，在汽车轮胎动力学仿真中，整车仿真是一个重要的应用领域。
整车仿真是在条件控制和模拟下对车辆进行各种工作状态和外部环境下的评估和优化。
整车仿真系统的直接驱动来自于轮胎模型，而轮胎受力和弯曲变形与其与地面的接触情况密切相关。
整车仿真可以评估车辆性能如刹车距离、加速度和经济性等方面，并可进行优化。
四、应用领域汽车轮胎动力学仿真系统已经在诸多领域得到广泛应用。
在轮胎工业中，汽车轮胎动力学仿真可以通过优化轮胎的刚度和几何形状、材料性质和胶粘性排布等参数，从而减少制造过程中的实验和错误。
此外，汽车轮胎动力学仿真对于车辆安全和性能的评估、开发和测试非常重要，在汽车产业中，它也可以被用于技术改进。
汽车动力学-轮胎动力学
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
➢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。
精品课件
9
3.3轮胎模型
滚动阻力系数
fR
FR F z ,w
滚动阻力系数
fR
eR rd
■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
精品课件
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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
精品课件
24
3.5轮胎垂向力学特性
1.轮胎的垂向特性
➢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
3.轮胎垂向振动力学模型
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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
➢对汽车平顺性的影响
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
▲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。
精品课件
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车辆动力学 - 轮胎 - 2解读
使用的模型参数少，拟合方便。
• 1973年，郭孔辉教授于长春汽车研究所领导设计 了我国第一台轮胎静特性试验台QY7329在大量试 验和理论研究的基础上，于1986年提出了一种适 用于较大载荷和侧偏角变化范围的轮胎侧偏特性 半经验模型(单E指数模型)，其表达式为:
UniTire轮胎模型
• 到1994年，为满足边界条件，进一步改进为以下 模型
• 另外一个试验轮胎和工况的拟合情况
经典稳态轮胎模型—Magic Formula
3.幂指数统一轮胎模型
郭孔辉院士提出的半经验模型- 幂指数统一轮胎模型
可用于轮胎的稳态侧偏、纵滑和纵滑侧偏联合工况。
通过获得有效的滑移率，也可计算非稳态工况下的轮 胎纵向力、侧向力及回正力矩。
模型特点
一次台架试验得到的试验数据可用于模拟不同的路面 只需改变路面的附着特性参数 纯工况和联合工况的表达式是统一的； 可表达各种垂向载荷下的轮胎特性；
车辆动力学 - 轮胎
北京科技大学USTB 车辆工程专业
轮胎结构
1. 轮胎模型
• 轮胎纵滑模型： 驱动和制动 工况的纵向力 • 轮胎侧偏模型 和侧倾模型： 侧向力，回 正力矩 • 轮胎垂向振动 模型： 高频振动
轮胎的输入与输出的关系
轮胎模型的分类
• 单一工况模型 – 轮胎纵滑模型 • 用于预测驱动和制动工况时的纵向力 – 轮胎侧偏模型和侧倾模型 • 侧向力和回正力矩 – 轮胎垂向振动模型 • 高频垂向振动 • 联合工况模型 – 轮胎纵滑侧偏特性模型
轮胎模型
用于轮胎设计的轮胎模 型：
• 预测轮胎性能，滚动阻力， 耐久性，噪声，胎面磨损， 应力/应变，印迹形状 • 定性或定量模型 • 有限元模型
FEM 有限元模型 tyre model runing over step
轮胎动力学的研究与应用
轮胎动力学的研究与应用轮胎是汽车的重要组成部分，其性能直接影响到整个车辆的驾驶稳定性、制动距离、油耗等方面。
而轮胎动力学作为轮胎工程学科中重要的一个分支，研究轮胎的力学特性，以提高轮胎性能和安全性。
本文将从轮胎动力学的基本概念、轮胎动力学模型、轮胎动力学的应用等方面展开论述。
一、轮胎动力学的基本概念轮胎动力学指的是轮胎与地面之间的相互作用力学问题。
一般来说，轮胎与地面的接触面积很小，只有车轮接触地面的一小部分，因此这个问题也被看作是一个点接触问题。
轮胎动力学的研究主要涉及轮胎力学、轮胎动力、轮胎与地面之间的相互作用力等方面。
轮胎力学是研究轮胎变形、刚度和耗能等性能的学科。
轮胎动力是指轮胎的运动学和动力学特性。
而轮胎与地面之间的相互作用力包括接触力、摩擦力、支撑力等。
二、轮胎动力学模型轮胎动力学模型是轮胎动力学研究中重要的工具。
它是对轮胎与地面之间的相互作用力进行模拟分析的数学模型。
其中最基本的轮胎动力学模型是布洛赫模型，它认为轮胎承受的负载力可以分解为切向力和法向力两个方向的力。
接下来，我们简单介绍一些常用的轮胎动力学模型。
1. 符号模型符号模型是一种用符号和代数表达式描述轮胎动态行为的模型。
它不考虑轮胎和地面之间的接触条件，只考虑负载和受力之间的平衡关系。
因为它不涉及精细的接触性质，所以计算速度比较快，适用于轮胎的基本特性研究。
2. 模态模型模态模型是一种基于振动模态分析的轮胎动力学模型。
它主要考虑了轮胎的弹性变形和刚性形变，还考虑了轮胎和地面之间的接触强度和形状。
模态模型适用于轮胎垂向动力学特性的研究。
3. 有限元模型有限元模型是一种用于计算物体形变和应力分布的数学模型。
它可以很好地模拟轮胎与地面之间的接触力，能够更精细地分析轮胎变形、刚度和耗能性能等方面。
有限元模型适用于轮胎在车速较高时的动力学分析。
三、轮胎动力学的应用轮胎动力学的应用非常广泛，不仅可以在汽车工程领域中得到应用，还可以在航空、船舶等领域中得到应用。
汽车动力学-轮胎动力学
◇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。
汽车系统动力学
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。
汽车系统动力学
主讲：彭琪凯
汽车系统动力学
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
1
汽车系统动力学
3.1概述
1.轮胎运动坐标系
2
Fx □侧向力 F y □法向力 F z □翻转力矩 M x □滚动阻力矩 M y
□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
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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。
汽车系统动力学
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
轮胎动力学研究及仿真模拟
轮胎动力学研究及仿真模拟轮胎是车辆行驶的基础，它是车辆与地面的接触部分，直接影响了车辆的操控性、安全性及燃油经济性。
因此，轮胎动力学的研究显得尤为重要。
本文将从轮胎的结构、性能及轮胎动力学中的数学模型进行阐述，并探讨轮胎仿真模拟的应用。
1. 轮胎的结构和性能轮胎是由胎体、胎面和胎侧三部分组成，其中胎体由多层橡胶、钢丝和尼龙帘布交织而成，承受着车辆的重量和弯曲应力。
胎面则是车辆与地面接触的主要部分，决定了轮胎的耐磨性、抗滑性和抗侧滑性能。
胎侧则是连接胎体和胎面的部分，决定了轮胎的侧向刚度和抗扭刚度。
轮胎的性能受多种因素影响，其中包括胎面的花纹设计、胎压、胎面材料、轮胎尺寸等。
花纹设计直接决定轮胎的排水能力和抓地力，对于不同的路面和驾驶条件，可以选择不同的轮胎花纹。
胎压则影响了轮胎的接地面积和载荷能力，适当的胎压可以提高轮胎的寿命和燃油经济性。
胎面材料则直接决定了轮胎的耐磨性和抗老化性能，常见的材料有天然橡胶和合成橡胶。
轮胎的尺寸则可以改变轮胎的载荷能力、弹性和操控性能，选择适当的尺寸可以提高车辆的性能和操控感受。
2. 轮胎动力学轮胎动力学是研究车辆在行驶中轮胎与地面间相互作用的机理及其对车辆运动的影响。
轮胎动力学中的主要参数包括侧向力、纵向力、抓地力和摩擦力等，这些力量直接决定了车辆的操控性能、加速性能和制动性能。
轮胎动力学中最重要的是轮胎接地面积的变化和轮胎的滑动，这直接影响了轮胎与地面间的摩擦力和抓地力。
当车辆行驶时，轮胎与地面间的接触面不是一个完整的平面，而是由一些微小的凸起组成。
这些凸起越多，就可以达到越高的摩擦力和抓地力。
当轮胎发生滑动时，轮胎与地面的接触面积将减小，导致抓地力的降低。
轮胎动力学中的数学模型主要有瞬时中心模型、四边形模型、扭矩转动模型等。
这些模型通过对轮胎和地面的相互作用进行建模，可以对车辆的动态特性进行分析和优化。
3. 轮胎仿真模拟轮胎仿真模拟是一种利用计算机模拟车辆行驶中轮胎与地面间的相互作用，以评估轮胎性能和优化车辆悬架、转向等系统的方法。
汽车系统动力学第三章 充气轮胎动力学
第三章充气轮胎动力学§3-1 概述轮胎是车辆重要的组成部分，直接与地面接触。
其作用是支承整车的重量，与悬架共同缓冲来自路面的不平度激励，以保证车辆具有良好的乘坐舒适性和行驶平顺性；保证车轮和路面具有良好的附着性，以提高车辆驱动性、制动性和通过性，并为车辆提供充分的转向力。
一、轮胎运动坐标系二、车轮运动参数1．滑动率2．轮胎侧偏角a3．轮胎径向变形§3-2 轮胎的功能、结构及发展轮胎的基本功能包括：1)支撑整车重量；2)与悬架元件共同作用，衰减由路面不平引起的振动与冲击；3)传递纵向力，以实现驱动和制动；4)传递侧向力，以使车辆转向并保证行驶稳定性。
为实现以上功能，任何一个充气轮胎都必须具备以下基本结构：(1)胎体(2)胎圈(3)胎面常用的车用充气轮胎有两种，即斜交轮胎和子午线轮胎。
二者在结构上有明显不同，主要区别在于胎体帘线角度的不同。
所谓“帘线角”即为胎体帘布层单线与车轮中心线形成的夹角。
根据车辆动力学研究内容的不同，轮胎模型可分为：(1)轮胎纵滑模型主要用于预测车辆在驱动和制动工况时的纵向力。
(2)轮胎侧偏模型和侧倾模型主要用于预测轮胎的侧向力和回正力矩，评价转向工况下低频转角输入响应。
(3)轮胎垂向振动模型主要用于高频垂向振动的评价，并考虑轮胎的包容特性(包含刚性滤波和弹性滤波特性)。
这里仅对几种常用的轮胎模型给予介绍。
(1)幂指数统一轮胎模型幂指数统一轮胎模型的特点是：。
1)采用了无量纲表达式，其优点在于由纯工况下的一次台架试验得到的试验数据可应用于各种不同的路面。
当路面条件改变时，只要改变路面的附着特性参数，代人无量纲表达式即可得该路面下的轮胎特性。
2)无论是纯工况还是联合工况，其表达式是统一的。
3)可表达各种垂向载荷下的轮胎特性。
4)保证了可用较少的模型参数实现全域范围内的计算精度，参数拟合方便，计算量小。
在联合工况下，其优势更加明显。
5)能拟合原点刚度。
(2)“魔术公式”轮胎模型“魔术公式”轮胎模型的特点是：1)用一套公式可以表达出轮胎的各向力学特性，统一性强，编程方便，需拟合参数较少，且各个参数都有明确的物理意义，容易确定其初值。
轮胎动力学
l −l
接触区
− Rθ +l+ L
+ KR ∫
2
−l sin − 1 R
−π
非接触区
+ KR ∫
2
π
l sin − 1 R
(η e
1
(η e
1
σ
+η e
2
Rθ +l
σ
l− Rθ
σ
+η e
2
Rθ −l− L
σபைடு நூலகம்
)sin θ d θ
) sin θ d θ
简化并积分后得： M = K
2 2 F y = ∫0 l kη (ξ )dξ + ∫2ll + L kη (ξ )dξ 2 L = ∫0 l kη (ξ ) dξ + ∫0 kη (ξ ′) dξ ′
接触区 非接触区
为了确定轮胎在不接触(“自由”)部份的侧向位移 η (ξ ) 。 让我们来观察模型中的一个微元 dξ ′
2009-10-19 16
∫ η (ξ )ξ d ξ
−l
l
+ K σ (η 1 − η 2 )( l + σ )
2009-10-19
22
第二章
Q
轮胎动力学
−l ≤ ξ ≤ l
η (ξ ) = − ξϕ ,
η = − lΨ ,
1
η = lΨ
2
扭角ψ所产生的回正力矩为： 扭转刚度:
M = − 2 Kl Ψ [
l2 + σ ( l + σ )] 3
2009-10-19
11
第二章
轮胎动力学
轮胎动力学与仿真
F 1 exp E 2 E2 1/123
1
1
D D D exp D D 2 D
x
0
3
1
2
3
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（威海） 汽车工程学院
HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING
规格严格 功夫到家
2.2.3 轮胎半经验模型-UniTire 模型
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（威海） 汽车工程学院
HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING
2.1 轮胎六分力
规格严格 功夫到家
➢ 汽车行驶时， 轮胎受到沿 三个方向的 力以及绕三 个轴的力矩， 即为轮胎六 分力。
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（威海） 汽车工程学院
SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING
规格严格 功夫到家
2.2.1 轮胎理论模型-Gim轮胎模型
➢ 轮胎纵向临界滑动率、侧向临界滑动率和无量纲滑 动率分别为：
s
3F z
xc
c
x
c sx c yc
y
s2 s2
xc
x
s 1 c s 2 c s
s 3F
xx
yy
z
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INSTITUTE OF TECHNOLOGY
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2.3.1 轮胎制动-驱动特性理论模型
➢ 轮胎的制动-驱动特性是影响汽车制动安全性与加速性的重 要特性，也是研究制动-驱动工况下的轮胎侧偏特性的基础。 在建立轮胎制动-驱动工况理论模型时，假设：
轮胎多体动力学模态综合
轮胎多体动力学模态综合一、前言轮胎是汽车的重要组成部分，其性能直接影响到汽车的安全性、舒适性和操控性。
因此，对于轮胎的研究一直是汽车工程领域的重要研究方向之一。
轮胎多体动力学模态综合是对轮胎动力学特性进行研究的一种方法，本文将从以下几个方面进行介绍。
二、轮胎多体动力学模态综合的定义轮胎多体动力学模态综合是指利用多体动力学原理和有限元方法，对轮胎进行建模和分析，得到其在不同工况下的振动特性以及与地面之间的接触力等相关参数。
三、轮胎多体动力学模态综合的意义1. 提高汽车行驶安全性：通过对轮胎振动特性和接触力等参数进行分析，可以为汽车悬架系统设计提供参考依据，提高汽车行驶稳定性和安全性。
2. 优化轮胎结构设计：通过对不同结构参数进行仿真分析，可以为优化轮胎结构设计提供参考依据，提高其耐久性和舒适度。
3. 降低轮胎噪音：通过对轮胎振动特性和接触力等参数进行分析，可以为降低轮胎噪音提供参考依据。
四、轮胎多体动力学模态综合的建模方法1. 建立轮胎有限元模型：将轮胎划分为若干个单元，每个单元都采用三维有限元法进行建模。
2. 建立汽车多体动力学模型：将汽车各个部件（包括车身、发动机、悬架系统等）建立为多体系统，并与轮胎有限元模型相连。
3. 进行仿真计算：根据不同工况下的输入条件（如路面高度、速度等），进行仿真计算，得到轮胎在不同工况下的振动特性和与地面之间的接触力等参数。
五、轮胎多体动力学模态综合的应用案例1. 车辆悬架系统优化设计：通过对不同悬架系统参数进行仿真分析，得到最优方案，并进行实验验证，在提高行驶稳定性和舒适性的同时，降低了车辆燃油消耗量。
2. 轮胎结构设计优化：通过对不同轮胎结构参数进行仿真分析，得到最优方案，并进行实验验证，在提高轮胎耐久性和舒适度的同时，降低了轮胎噪音。
3. 车辆行驶安全性研究：通过对不同路面高度和速度等工况下的仿真分析，得到车辆在不同工况下的行驶稳定性和安全性，并提出相应的改进措施。
轮胎动力学 毕业设计
轮胎动力学毕业设计毕业设计题目：轮胎动力学分析与优化一、设计背景与意义轮胎是车辆行驶中的重要部件，其动力学性能直接影响到车辆的操控性、舒适性和安全性。
随着汽车工业的发展，对于轮胎的性能要求也越来越高。
因此，对轮胎动力学进行深入分析，并对其进行优化设计，具有重要的理论意义和实际应用价值。
二、设计目标与内容本毕业设计的主要目标是：1.建立轮胎动力学模型，分析轮胎在行驶过程中的动态特性；2.通过模拟分析，探讨轮胎结构参数对动力学性能的影响；3.基于分析结果，对轮胎结构进行优化设计，提高其动力学性能。
具体设计内容如下：1.理论研究：收集与整理轮胎动力学相关的文献资料，了解轮胎的结构特点、力学性质和动力学模型等；2.模型建立：基于理论研究结果，建立轮胎动力学模型，包括轮胎的刚体模型和弹性模型，并编写相应的数值计算程序；3.模拟分析：利用建立的模型和程序，对不同工况下的轮胎动力学性能进行模拟分析，包括稳态工况和非稳态工况；4.结构优化：根据模拟分析结果，针对影响轮胎动力学性能的关键结构参数进行优化设计，提出改进方案；5.实验验证：制作优化后的轮胎样品，进行实际测试，对比优化前后的性能差异，验证设计的有效性。
三、实施方案与步骤1.理论研究：收集并阅读关于轮胎动力学的研究文献，了解其发展历程、研究现状及未来趋势；2.模型建立：基于理论研究结果，利用力学、数学和计算机技术，建立轮胎动力学模型，并编写相应的数值计算程序；3.模拟分析：将建立的模型和程序应用于不同工况下的轮胎动力学性能模拟分析，观察并记录轮胎的动力学特性；4.结构优化：根据模拟分析结果，针对影响轮胎动力学性能的关键结构参数进行优化设计，提出改进方案；5.实验验证：制作优化后的轮胎样品，进行实际测试，对比优化前后的性能差异，验证设计的有效性；6.论文撰写：整理研究成果，撰写毕业论文。
四、预期成果与价值通过本次毕业设计，希望能够达到以下预期成果和价值：1.深入了解轮胎动力学的研究现状和发展趋势；2.掌握轮胎动力学模型的建立方法和数值计算技术；3.揭示轮胎结构参数对动力学性能的影响规律；4.提出一种有效的轮胎结构优化设计方案；5.提高自身的科研能力和实践技能；6.为汽车工业的发展提供理论支持和实际应用价值。
轮胎动力学特性及模型分析
在对车辆操纵稳定性的稳态特性进行仿真时，可以使用由 H.B.Pacejka教授提出的魔术公式来对轮胎实验数据进行拟合。魔术公 式是一组三角函数组合公式，在侧向加速度≤0.4 g、侧偏角≤5º情况 下，对普通轮胎有很高的拟合精度[4]。纵向力学特性方程如下。
（1） 侧向力学特性方程如下。
（2） 回正力矩力学特性方程如下。
1 轮胎模型基本参数
轮胎基本尺寸常标于轮胎侧面，如195/55R16，其中195代表轮 胎名义断面宽度为195 mm；55代表轮胎扁平比，是轮胎高度与名义 断面宽度之比；R代表子午线轮胎；16代表轮辋直径[1]。轮胎模型的 基本参数为名义载荷、空载轮胎半径、名义气压和车轮质量。
2 轮胎动力学特性 2.1 纵向力学特性
加速和制动时所需的摩擦力来自于轮胎滚动速度和行驶速度之 间的差值，这个差值可以用滑动率κ来进行表示。车轮自由滚动时其 滑动率为0%，车轮抱死时滑动率为100%。干路面上，轮胎刚开始 滑动时，能够产生的摩擦力随滑动率增加而显著增加，在滑动率接近 15%～20%时，其附着力达到最大值。滑动率超过该点抱死车轮的车辆，在干路面上能够缩短制动距离的理论依据。 2.2 侧向力学特性
轮胎回正力矩有别于由主销后倾导致的回正力矩，轮胎回正力矩 是由于充气轮胎前进过程中，接触区相对车轮接触中心不对称变形导致 的。车轮实际接触位置一般在车轮平面以后，车轮受到的侧向力所形成 的合力作用点，位于轮胎接地印迹几何中心后方，该偏移距离称为“充气 轮胎拖距（pneumatic trail）”，回正力矩大小等于侧向力×轮胎拖距。轮胎 产生的回正力矩本身对车辆影响较小，但由于其作用于转向系统，通过 转向系统而引起转向变形角，可对车辆转向不足梯度产生重要影响。 2.4 附着椭圆
轮毂结构的动力学性能与疲劳特性分析
轮毂结构的动力学性能与疲劳特性分析轮毂是汽车重要的组成部分之一，其结构的动力学性能和疲劳特性对车辆的安全性和可靠性至关重要。
本文将对轮毂结构的动力学性能和疲劳特性进行分析和研究。
1. 轮毂结构动力学性能分析轮毂结构的动力学性能主要指的是在车辆行驶过程中，轮毂受到的载荷、振动和冲击的能力。
这取决于轮毂的设计、材料、加工工艺和装配质量等因素。
1.1 轮毂载荷分析轮毂在车辆行驶过程中承受来自道路的各种载荷，包括径向载荷、切向载荷、弯矩载荷等。
轮毂必须能够承受这些载荷，并保持结构的稳定性与完整性。
在轮毂的设计中，需要合理选择材料和结构形式来满足车辆行驶过程中的各种载荷需求。
1.2 轮毂振动分析轮毂在车辆行驶过程中会受到来自车辆悬挂系统、车轮胎等的振动载荷。
这些振动载荷会导致轮毂本身发生振动，进而影响整个车辆的行驶稳定性和乘坐舒适性。
因此，轮毂的设计需要考虑减振措施，如增加轮毂的刚度和加装减振器。
1.3 轮毂冲击分析在某些情况下，轮毂可能会受到来自道路的冲击载荷，例如行驶过程中遇到凹凸不平的路面或碰到路障等。
这些冲击载荷会对轮毂造成严重的应力和变形，甚至导致轮毂的破损和失效。
因此，在轮毂的设计中，需要合理选择材料和增加结构强度，以提高轮毂对冲击载荷的抵抗能力。
2. 轮毂结构疲劳特性分析轮毂在车辆行驶过程中会受到长期连续的载荷作用，这会导致材料的疲劳损伤和失效。
轮毂结构的疲劳特性是指轮毂在长期使用过程中的抗疲劳性能。
2.1 轮毂疲劳寿命分析轮毂的疲劳寿命是指轮毂在特定载荷条件下能够安全运行的时间。
轮毂的疲劳寿命与材料的疲劳强度和结构的疲劳强度有关。
在轮毂的设计中，需要进行疲劳寿命分析，以确保轮毂能够在整个使用寿命期间保持安全可靠的性能。
2.2 轮毂的疲劳损伤分析轮毂在长期使用过程中，由于载荷的作用会导致材料的疲劳损伤，例如裂纹的产生和扩展等。
轮毂的疲劳损伤会对结构的完整性和性能产生负面的影响。
因此，在轮毂的设计中，需要进行疲劳损伤分析，以确定结构中可能出现的疲劳损伤位置和程度，并采取相应的措施进行修复或更换。
汽车轮胎的动力学性能评估
汽车轮胎的动力学性能评估汽车轮胎作为汽车的重要部件之一，在车辆的操控性、安全性以及乘坐舒适度方面发挥着至关重要的作用。
为了确保轮胎的优良性能，科学有效地评估轮胎的动力学性能是必不可少的。
一、动力学性能评估的重要性动力学性能评估旨在了解轮胎在车辆行驶过程中的性能表现，主要包括制动性能、操控性能和抓地力等方面。
评估这些性能指标的主要目的是确保轮胎在各种路面条件下能够提供稳定的性能，以保障驾驶安全和行车舒适度。
二、制动性能评估制动性能是指车辆在制动过程中轮胎与路面之间的相互作用情况。
制动性能的评估通常包括刹车距离、制动稳定性和刹车时的操控性等方面。
刹车距离是指车辆在进行紧急制动时停下来所需要的距离，该指标直接关系到驾驶员对车辆的控制能力。
而制动稳定性和操控性则关乎着车辆在制动过程中的稳定性和驾驶的舒适度。
三、操控性能评估操控性能是指车辆在转向过程中轮胎对方向的响应速度、操控的准确性以及车辆的横向稳定性。
主要的操控性能评估指标包括转向灵活性、侧倾角和调头半径等。
转向灵活性是指车辆在方向盘操作下，轮胎的转向速度和转向角度的响应特性。
而侧倾角则描述了车辆在紧急转向时轮胎与地面的接触情况，对于车辆横向稳定性起到了关键影响。
四、抓地力评估抓地力是轮胎与路面之间的摩擦力，直接影响着车辆在加速、制动和转向中的控制效果。
抓地力的评估主要涉及轮胎的附着力、抓地能力以及湿滑路面下的抗滑性等方面。
附着力是指轮胎在行驶过程中与道路表面的接触状况，而抓地能力则是指轮胎在各种路面状况下的抓地性能，尤其是在湿滑路面上的性能表现。
五、评估方法和工具为了准确评估轮胎的动力学性能，科学的评估方法和有效的评估工具至关重要。
目前，常用的评估方法包括基于物理试验的方法和基于计算机仿真的方法。
物理试验方法是通过在实验室或测试场地进行不同路况下的测试，获得数据来评估轮胎性能。
而计算机仿真方法则利用数学模型和计算机技术，通过模拟轮胎在不同路面下的行驶过程来评估性能。
汽车轮胎动力学及性能评价研究
汽车轮胎动力学及性能评价研究随着汽车工业的发展，车辆的性能和安全性成为汽车制造商和消费者关注的重要方面。
而轮胎作为车辆与地面之间的唯一接触点，其动力学和性能评价研究变得至关重要。
在本篇文章中，将重点探讨汽车轮胎动力学及性能评价的研究现状和方法。
首先，我们将从动力学的角度来介绍汽车轮胎的研究。
汽车轮胎的动力学研究主要包括力学特性、刚度、变形和摩擦等方面。
轮胎的力学特性主要包括侧向、纵向和径向刚度。
侧向刚度反映了轮胎在转弯时的抓地能力，而纵向刚度则与轮胎的加速和制动能力有关。
径向刚度则决定了轮胎在行驶过程中的承载能力和稳定性。
另外，轮胎的变形也是一个重要的动力学特性。
轮胎在汽车行驶过程中会出现一定的变形，如压缩、伸展和弯曲等。
这些变形对轮胎的性能和安全性有着重要影响。
摩擦则是轮胎与地面之间传递力的关键因素。
轮胎的摩擦特性影响了汽车的抓地能力、操控性和燃油效率等。
除了动力学特性外，轮胎的性能评价研究也是非常重要的。
轮胎的性能评价主要涉及到耐磨性、抗剪切性、抗破裂性、抗老化性和抗腐蚀性等方面。
耐磨性是指轮胎在长期行驶中所能承受的摩擦磨损。
轮胎的抗剪切性则决定了其能否承受转向和加速等动力学力的作用。
抗破裂性和抗老化性则关系到轮胎的使用寿命和安全性。
另外，轮胎还需要具备抗腐蚀性以应对恶劣的环境条件。
为了研究汽车轮胎的动力学和性能评价，学者们采用了多种方法。
实验方法是其中最常见的研究方式之一。
通过在实验室中创建各种条件下的试验环境，研究人员可以准确地测量和分析轮胎的力学特性和性能。
此外，建立数学模型也是常用的研究方法之一。
通过数学模型的构建，研究人员可以模拟轮胎在不同条件下的力学特性和性能。
计算机模拟则是数学模型的延伸，通过建立计算机模型可以更加准确地模拟和分析轮胎的动力学和性能评价。
尽管汽车轮胎动力学及性能评价的研究已经取得了一定的进展，但仍然存在一些挑战和问题需要解决。
首先，轮胎的动力学和性能评价受到多种因素的影响，如温度、载荷、速度和路面条件等。
第三章 轮胎动力学.
“H”表示速度级别：此轮胎最高时速为210km/h。不同的英文 字母表示不同的速度级别。
2020/9/30
第三章 轮胎动力学
轮胎的轮廓是由扁平率决定的，现代轿车的轮胎高宽比多是50%至 70%之间，这个百分比数值又称为系列，例如70%称为70系列。系列越 小，轮胎形状越扁平。现在兴起的低扁平化轮胎与地面接触面大，抓 地力强，除了具有操纵稳定性好外，还具有高速耐久力好和制动力好 的优点，因为扁平轮胎不容易产生“驻波”。
纵向滑移率 s
纵向力 Fx
侧偏角
径向变形
车轮外倾角
车轮转速
轮胎模型
侧向力 Fy 法向力 Fz 侧倾力矩 M x 滚动阻力矩 M y
横摆角 t
回正力矩 M z
2020/9/30
第三章 轮胎动力学
根据研究内容不同，轮胎模型可分为： 1、轮胎纵滑模型
预测车辆在制动和驱动时的纵向力
2、轮胎侧偏模型和侧倾模型
2020/9/30
第三章 轮胎动力学
汽车行驶必需经过轮胎的胎面花纹与路面的磨擦力产 生的抓地力执行其加速，减速及转向等功能。决定轮 胎抓地力的因素如下：轮胎接触面积、轮胎橡胶成分 及轮胎花纹、轮胎负荷、转向控制、滚动、耐磨。
在容易引起磨耗差异的胎肩部分，加入拱形设计， 提高块状刚性，使安静性和行车的安定性等各种 性能都能保持到其末期
uw
2020/9/30
第三章 轮胎动力学
轮胎侧偏角
车轮侧偏角表示车辆平面与车轮中 心运动方向的夹角，顺时针为正。 定义如下：
ar
c
tan
vw uw
轮胎径向变形
汽车轮胎动力学性能测试的关键技术研究
汽车轮胎动力学性能测试的关键技术研究引言随着车辆的普及和市场竞争的加剧，汽车轮胎的性能测试愈发重要。
由于轮胎是车辆与地面之间的唯一接触点，因此轮胎的性能直接影响到车辆的安全性、操控性和舒适性。
本文将就汽车轮胎动力学性能测试的关键技术展开讨论。
第一章：轮胎动力学性能测试的意义1.1 提升整车安全性从汽车工程的角度来看，轮胎是整车系统中最重要的组成部分之一，它的性能对汽车的动力、刹车、悬挂和车体稳定性等方面都有至关重要的影响。
就安全性而言，轮胎的抓地力和制动能力等动力学性能决定车辆在重要时刻的反应能力，直接关系到车辆的行驶安全。
1.2 优化驾驶体验不仅如此，汽车轮胎的性能也会直接影响车辆的操控和舒适性。
例如，在高速公路行驶时，轮胎需要具备承受高速运动的能力，同时对路面颠簸的遭遇也需要有良好的缓冲效果，才能给车主提供稳定舒适的驾乘体验。
第二章：汽车轮胎动力学性能测试的关键技术2.1 内部标准为了保证汽车轮胎的性能质量，国内外锻造了一系列专门的轮胎动力学性能测试标准。
其中，数学模型和试验方法的发展使得动力学性能测试可以更加准确地复现车辆在实际行驶过程中的情况，在提高测试精度的同时，也可以降低测试成本和测试周期。
2.2 关键指标传统的轮胎动力学性能综合指标已经不能满足当前行业需求的要求，因此新的关键指标在不断涌现。
例如，制动能力、牵引能力、舒适性和环保性等方面的指标备受关注。
2.3 测试方法现代汽车轮胎动力学性能测试方法包括车辆行驶试验和特定条件试验，其中后者包括操纵台试验、半径扭转试验和翻滚试验等。
这些测试方法都有其优缺点，需要针对性地选择应用。
第三章：局限与展望3.1 受限因素尽管现代轮胎动力学性能测试已经取得了很大进展，但仍存在一些不可避免的局限因素。
例如，路况、天气、驾驶员、车辆的初始状态等因素都会对测试结果产生不同程度的影响。
这就需要测试人员在测试时有一个完善的、系统性的考虑。
3.2 发展趋势未来，汽车轮胎动力学性能测试将主要面临以下发展趋势：首先，基于虚拟仿真和计算机建模的测试方法将进一步扩展；其次，通过不断改进测试方法、完善测试流程和提高测试精度等方式，将能够更加准确地把握轮胎的性能；最后，汽车市场的不断扩大和专长化，将对轮胎的性能提出更高的要求，因此测试的精度和灵敏度也将越来越高。
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3、轮胎垂向振动模型
高频垂向振动评价
2017/11/15
第三章
轮胎动力学
轮胎纵滑侧偏模型：
轮胎参数：轮胎尺寸、轮胎压力、 地面条件
侧偏角 外倾角 轮胎模型
侧向力 纵向力 回正力矩
滑移率
垂向载荷
车辆模型
2017/11/15
第三章
轮胎动力学
第三章
轮胎动力学
1. 轮胎胎面：1个厚厚的 橡胶层，提供了与地面的 接触界面，还具有排水和 耐旧的性能。 2. 胎冠带束层：双层或 3 层加强带束层具有垂直 方向上的柔韧度和极高的 横向刚性，提供了转向力。 3. 胎侧：胎侧容纳并保 护胎体帘布层，而胎体帘 布层的功能是将轮胎的胎 面固定在轮辋上。
第三章
轮胎动力学
子午线轮胎的帘布层 相当于轮胎的基本骨架， 其排列方向与轮胎子午 断面一致。由于行驶时 轮胎要承受较大的切向 作用力，为保证帘线的 稳固，在其外部又有若 干层由高强度、不易拉 伸的材料制成的带束层 ( 又称箍紧层 ) ，其帘线 方向与子午断面呈较大 的交角。（85-90度）
2017/11/15
轮胎动力学模型分为理论模型、经验模型、半 经验模型、自适应模型四大类。 理论模型
轮胎理论模型( 有的学者称之为分析轮胎模型)是在简化 的轮胎物理模型的基础上建立的对轮胎力学特性的一种数学 描述的轮胎模型。它虽然精度较高, 但是求解速度一般较低, 用数学表示的公式常常很复杂, 同时需要更多的对轮胎结构
2017/11/15
第三章
轮胎动力学
4. 用于固定在轮辋的 胎唇部分：它内部的胎 唇钢丝圈可以使轮胎牢 牢地固定在轮辋上，使 之结合在一起。 5. 气密层：它保证了
轮胎具有良好的气密性，
并保持正确的胎压。
2017/11/15
第三章
轮胎动力学
轮胎的规格及标识
某轮胎标识为“P 225/65 R 16 89 H ”，其中： “P” 是指轿车轮胎(用以区别卡车或其他车型适用的轮胎) 。 “225”指的是轮胎断面的宽度，是两个胎侧之间的宽度（以毫 米为单位）。此宽度随轮胎所匹配轮辋宽度的不同而不同：宽轮辋 配宽轮胎，窄轮辋配窄轮胎。一般在胎侧上所标示的胎宽，是指当 轮胎安装到所建议宽度的轮辋时的宽度。 “65”是轮胎的扁平比，是胎宽与胎高的比例，这里指胎高占 胎宽的65%，数值越小，越显扁平。
2017/11/15
为什么细的轮胎比粗的轮胎摩 擦力小？
• 摩擦力=摩擦系数*压力，同等摩擦系数 的情况下，压力越大摩擦力越大；同等 压力的情况下，摩擦系数越大摩擦力越 大；因为细轮胎与地面接触面积较粗轮 胎小，摩擦系数也变小，同等压力下， 摩擦力变小。
2017/11/15
第三章
轮胎动力学
汽车行驶必需经过轮胎的胎面花纹与路面的磨擦力产 生的抓地力执行其加速，减速及转向等功能。决定轮 胎抓地力的因素如下：轮胎接触面积、轮胎橡胶成分 及轮胎花纹、轮胎负荷、转向控制、滚动、耐磨。
2017/11/15
第三章
轮胎动力学
发展至今，轮胎动力学的研究从稳态到非稳态，从盘控制系统的设计与分析、
车辆系统结构和零部件的优化设计，都是建立在轮胎力学特性研 究基础上的。
模拟驻波的轮胎模型
2017/11/15
NVH的轮胎模型
第三章
轮胎动力学
轮胎模型描述了轮胎六分力与车轮运动参数之间的 数学关系，即轮胎在特定工作条件下的输入和输出之 间的关系。
“H”表示速度级别：此轮胎最高时速为210km/h。不同的英文
字母表示不同的速度级别。
2017/11/15
第三章
轮胎动力学
轮胎的轮廓是由扁平率决定的，现代轿车的轮胎高宽比多是50%至 70%之间，这个百分比数值又称为系列，例如70%称为70系列。系列越 小，轮胎形状越扁平。现在兴起的低扁平化轮胎与地面接触面大，抓 地力强，除了具有操纵稳定性好外，还具有高速耐久力好和制动力好
2017/11/15
第三章
轮胎动力学
斜交轮胎的帘线按 斜线交叉排列，故而 得名。特点是胎面和 胎侧的强度大，但胎 侧刚度较大，舒适性 差，由于高速时帘布 层间移动与磨擦大， 并不适合高速行驶。 随着子午线轮胎的不 断改进，斜交轮胎将 基本上被淘汰。其帘 线方向与子午断面呈 较小的交角。（20-40 2017/11/15 度）
在容易引起磨耗差异的胎肩部分，加入拱形设计， 提高块状刚性，使安静性和行车的安定性等各种 性能都能保持到其末期
2017/11/15
第三章
轮胎动力学
4条直槽发挥强劲的排水性，控制接地面积。在 雨天也能牢牢支撑重量级轿车行驶，行车安定性 值得信赖
2017/11/15
第三章
轮胎的结构
轮胎动力学
轮胎从结构设计上可分为：斜交轮胎和子午线轮胎。 现在的轿车普遍用子午线真空轮胎（无内胎轮胎），商用汽车 也普遍使用子午线轮胎，斜交胎一般只用于摩托车和工程车上。 无内胎轮胎的要求是防漏气，它采用一个硫化、气密的内衬来取 代内胎，轮胎的胎圈能够牢固贴合在轮圈上，对轮圈的要求是整 体式，密封不漏气。
力学的理解, 难以满足研究运动在线实时控制的要求, 因此理
论轮胎模型在描述轮胎特性的实际应用中有很大的局限性。
2017/11/15
第三章
轮胎动力学
3.3.2 轮胎经验模型
轮胎经验模型是基于大量试验数据的递归分析 上来表现出轮胎和路面间的力学特性的轮胎模型。 它通过测试一个已有的轮胎，来使从分析曲线拟 合得到的参数与实际测试中的得到的参数相吻合， 从而达到建立轮胎模型的目的。模型精度较高， 与理论模型相比，预测能力较差，如Magic Formula 模型。
第三章
轮胎运动参数 滑动率（滑移率） s
轮胎动力学
车轮滑动率表示车轮相对于纯滚 动（或纯滑动）状态的偏离程度。 为使其总为正值，将驱动和被驱动 两种情况分开考虑。驱动工况称为 滑转率；被驱动（包括制动）称为 滑移率，统称为车轮滑动率。定义 如下：
rd u w 驱动时： s 100% u w 制动时： s u w rd 100% uw
2017/11/15
第三章
轮胎动力学
魔术公式轮胎模型
魔术公式轮胎模型是以三角函数组合的形式来拟合轮胎 试验数据，得出一套形式相同并可同时表达纵向力、侧向力 和回正力矩的轮胎模型。 由于魔术公式基于试验数据，除在试验范围的高精度外， 甚至在极限值以外一定程度仍可使用，可以对有限工况进行 外推且具有较好的臵信度。魔术公式正在成为工业标准，即 轮胎制造商向整车厂提供魔术公式系数表示的轮胎数据，而 不再是表格或图形。
2017/11/15
第三章
轮胎动力学
地面对轮胎作用有三个 力和三个力矩，即图中 的 Fx , Fy , Fz , M x , M y , M z ， 称为轮胎的六分力。
轮胎滚动时有两个重要 的角度，侧偏角 和外倾 角 ，作用在轮胎——地面 接地印迹上的侧向力是侧偏 角和外倾角两者的函数。
2017/11/15
的优点，因为扁平轮胎不容易产生“驻波”。
扁平轮胎具有较强的制动能力，这是因为低扁平化轮胎通常需要 大直径的轮圈来配合，较大的轮圈可以容纳更大尺寸的制动盘（鼓），
制动盘（鼓）直径越大，制动力就越大。但同时低扁平化轮胎内的空
气层厚度小，缓冲和减震相对减弱，导致舒适性较差，因此需要相应 的悬挂结构来配合。
2017/11/15
第三章
轮胎运动坐标系
轮胎动力学
为了分析轮胎性能和作用在轮 胎上的力和力矩：必须有个统一 的参考坐标系，左图是由美国 SAE学会推荐的一种比较通用的 坐标系，其原点是轮胎接地面的 中心。 X轴是车轮平面与地面的 交线前进方向为正， Z 轴垂直于 路面，向上为正， Y轴在地平面 内，其方向要使坐标系成为右手 直角坐标系。
2017/11/15
第三章
轮胎动力学
轮胎的设计要求
轮胎设计有四大要素，即花纹（表面形状）、轮廓（整体形状）、 结构和材料。其中花纹设计是最复杂，最难处理的，要考虑的因素很 多。 轮胎花纹主要分为普通花纹、越野花 纹和混合花纹。普通花纹细而浅，适用 于比较好的硬路面。越野花纹凹部深而 且粗，在软路面上与地面附着性好，越 野能力强，适用于矿山、建筑工地等地 面情况。混合花纹如图介于普通花纹和 越野花纹之间，中部为菱形、纵向锯齿 形或烟斗形花纹，两边为横向越野花纹， 适于城市、乡村之间的路面行驶的汽车。
2017/11/15
第三章
轮胎动力学
国外对轿车轮胎提出如下要求： 1. 保证行驶安全，轮胎要牢固装在轮辋上，气密性好； 2．耐久性好，要有足够疲劳强度和高速强度； 3．保证行驶舒适，良好的弹性和阻尼特性，均匀性好，噪音小； 4. 良好转向特性，侧偏性好，转向运动灵敏，侧向力增长平顺； 5．经济性好，成本低，寿命长，滚动阻力小。
纵向滑移率 侧偏角
s
纵向力 Fx 侧向力 Fy 法向力 Fz
轮胎模型
径向变形 车轮外倾角 车轮转速 横摆角 t
侧倾力矩 M x 滚动阻力矩 M y 回正力矩 M z
2017/11/15
第三章
轮胎动力学
根据研究内容不同，轮胎模型可分为： 1、轮胎纵滑模型
预测车辆在制动和驱动时的纵向力
2、轮胎侧偏模型和侧倾模型
第三章
轮胎动力学
充气轮胎就像是一个弹簧。轮胎设计的变形能力越强，它对汽 车、装载物或乘客的减振保护就越有效。轮胎充气压力可改变其 减振能力。轮胎胎冠设计及其胶质特性、均匀性决定其减振能力。
2017/11/15
第三章
轮胎动力学
轮胎应可以在其设计的最高速
度下，承载汽车和负荷的质
量，并可抵挡制动、加速和 转弯时所产生的负荷转移。 假如轮胎超负荷或速度过高， 轮胎将处于危险的过热状态。 不正常的磨损将导致轮胎寿 命和抓地力降低。一般来说， 轮胎的载质量能力是直接与 它的胎体设计及内部气压有 关。