第三章 轮胎动力学

2013-7-18
第三章
轮胎动力学
德国新倍力轮胎公司1960、1970、1992三个时期产品研发目标
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第三章
3.3 轮胎模型
轮胎动力学
建立精确的轮胎模型来模 拟实际驾驶条件下车辆动作进 而进行分析和仿真成了必然。 但是, 由于轮胎在行驶过程中 的受力非常复杂( 根据路面性 质、车速、垂直载荷、摩擦产 生的温度以及轮胎的形式等因 素的变化而不同) , 因此轮胎模
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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。
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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。
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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。
基于魔术公式的轮胎模型还有较好的健壮性，如果没有 某一轮胎的试验数据，而使用同类轮胎数据替代仍可取得很 好的效果。
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D y p ;曲线峰值
轮胎动力学
y D sinC arct an[ E ( Bx arct anBx)] Bx C 1 2 arcsin(ys / D) / ;曲线形状系数 1 B t an /(CD );刚度系数 E {Bxp t an[ /(2C )]}/[ Bxp arct an( p )];曲线峰值的曲率 Bx
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轮胎侧偏角
轮胎动力学

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：
arctan
vw uw

轮胎径向变形

轮胎径向变形是车辆行驶过程中遇 到路面不平度影响而使轮胎在半径方 向上产生的变形。定义如下：
rt rtf
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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。
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。
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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。
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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。
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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。
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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。
纵向滑移率 侧偏角 径向变形 车轮外倾角 车轮转速 横摆角 t
s
纵向力 Fx 侧向力 Fy 法向力 Fz
轮胎模型
侧倾力矩 M x 滚动阻力矩 M y 回正力矩 M z
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
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轮胎动力学
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。
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轮胎动力学
Gim 轮胎模型是一个纯理论模型，它是以Bergman 的三维
弹簧模型为基础推导出来的，通过对轮胎与地面相互作用的
微元求解动力学方程，推导出纯工况下和联合工况下的轮胎 各种力学特性。其简化模型如下图所示，
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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
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3.2
轮胎的基本功能
轮胎动力学
轮胎的功能、结构及发展
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 坐舒适性和行使平顺性； 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。
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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
wk.baidu.com
2、轮胎侧偏模型和侧倾模型
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
高频垂向振动评价
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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
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轮胎动力学
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轮胎动力学
3.2.3 轮胎的规格及标识
“R”是指轮胎的结构，表示此轮胎为子午线结构，也就是说它 的帘布层是呈辐射状排布在胎体内的。“B”表示轮胎为斜交结构， 目前斜交结构的轿车轮胎已不复存在。 “16”表示轮辋直径（以英寸为单位），此轮胎必须匹配16英 寸的轮辋，否则无法安装。 “89”表示载重指数：此轮胎最高载重为580kg。不同的载重指 数代表不同的最高载重。
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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。
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。
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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。
“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。
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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
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轮胎运动参数 滑动率 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：
r uw 驱动时： s d 100% uw 制动时： s u w rd 100% uw
型的建立一直是国内外学者研
究讨论的重点和难点。
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轮胎动力学
发展至今，轮胎动力学的研究从稳态到非稳态，从线性到非线
性，模型已经相当丰富。先进车辆底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
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NVH的轮胎模型
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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
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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。
第三章
3.1 概述
轮胎动力学
3.2 轮胎的功能、结构及发展 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
第三章
3.1 概述
轮胎动力学
现代公路车辆中，作用于车辆上的所有的主要的控制力和干扰 力（除空气压力外）均来源于轮胎和地面的接触面。因此，这 也被说成“决定车辆如何转向，制动和加速的关键的控制力由 四块不超过人的手掌大小的接触面产生”。透彻理解轮胎和它 们工作条件的关系及接触面产生的力和运动是理解总的车辆动 力系统的必备的一个方面。
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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。
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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。
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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。