轮胎性能力学基础及设计理论
汽车轮胎动态力学特性分析与优化设计研究
汽车轮胎动态力学特性分析与优化设计研究今天，汽车轮胎已经成为了现代汽车不可或缺的部件之一，正是它提供了车辆行驶所必需的牵引、制动和悬挂性能。
然而，随着汽车工业的不断发展壮大，对轮胎性能的要求也越来越高，如耐磨性、减少滚阻、降噪等，而动态力学特性自然成为了一个重要的研究方向。
本文将会对汽车轮胎的动态力学特性进行深入的分析，并针对性的提出优化设计的建议。
我们先来看看什么是轮胎的动态力学特性。
一般来说，动态力学特性是指轮胎在行驶过程中所产生的各种物理效应，范围涉及轮胎与路面的接触、轮胎自身的变形、各类物理力的作用等等。
其中，接触接触力、制动距离、侧向力以及悬挂系统的性能等都是我们需要考虑的因素。
接触力是指指轮胎与路面之间的摩擦力。
这个力直接影响到车辆的牵引和制动能力。
一般来说，轮胎与路面接触区域的面积越大，接触力就越大。
一个好的解决方案是选择更软的橡胶材料，这样可以提高轮胎与路面接触区域的面积，从而增加轮胎的抓地力。
同时，还要考虑轮胎的承受能力，不要使用过软的材料，否则轮胎的耐磨性和寿命将受到影响。
制动距离是指车辆在行驶中急刹车后所需要的距离。
考虑到这个问题，我们需要在设计轮胎时考虑轮胎的滑移和刹车力之间的关系。
一般而言，制动距离越短，轮胎所输出的制动力就必须越大。
这样的话，轮胎的耐久性可能会受到损害。
为了解决这个问题，我们可以选择使用更硬的橡胶材料，在增加制动力的同时，也能保证轮胎的寿命。
侧向力是指轮胎与路面之间的摩擦力产生的横向力。
这个力直接影响到车辆的转向能力。
为了保证车辆的稳定性，一个好的轮胎设计必须考虑到侧向力对车辆转向性的影响。
因此，我们可以考虑采用特殊的胎面纹理。
这种纹理能够增加轮胎与路面之间的摩擦力，同时还可以改善轮胎与路面的接触形态，使得车辆转向更加顺畅。
悬挂系统的性能也是影响轮胎动态力学特性的重要因素。
一般来说，悬挂系统的稳定性和舒适性直接影响到车辆的行驶稳定性和乘坐舒适度。
在轮胎设计中，要充分考虑悬挂系统的性能，这样可以减少由于路面起伏带来的对车辆稳定性和乘坐舒适性的影响。
《轮胎设计力学》课件
轮胎振动与噪声的影响
阐述轮胎振动与噪声对汽车性能和乘客舒适性的影 响，如影响汽车的操控稳定性、乘坐舒适性等。
降低轮胎振动与噪声的方 法
介绍降低轮胎振动与噪声的常用方法和技术 ，如优化轮胎结构、采用胎设计实践的方法与步骤
基础设计
根据需求分析，进行轮胎的基 本结构设计，包括胎面、胎体 、胎圈等部分的初步设计。
应力集中
环境因素
应力集中是指轮胎材料在局部区域出现应 力集中的现象，是导致轮胎疲劳破坏的主 要原因之一。
环境因素如温度、湿度、化学腐蚀等也会 对轮胎材料的疲劳性能产生影响。
04
轮胎动力学
轮胎的动力学模型
轮胎动力学模型概
述
介绍轮胎动力学模型的基本概念 、发展历程和应用领域，说明建 立轮胎动力学模型的重要性和必 要性。
抗压强度
抗压强度是描述轮胎材料在 受到压缩作用时能够承受的 最大压力，对于轮胎的缓冲 性能有重要影响。
轮胎材料的疲劳性能
疲劳寿命
疲劳强度
疲劳寿命是指轮胎材料在交变应力或应变 作用下发生疲劳破坏的时间或次数，是评 估轮胎耐久性的重要指标。
疲劳强度是指轮胎材料在交变应力或应变 作用下所能承受的最大应力或应变，是评 估轮胎安全性能的重要指标。
材料选择
根据设计需求和力学分析结果 ，选择合适的轮胎材料，如橡 胶、纤维等。
需求分析
明确轮胎设计的需求和目标， 包括性能要求、使用环境、成 本预算等。
力学分析
运用力学原理和方法，对轮胎 进行受力分析，优化轮胎的结 构设计。
工艺制定
确定轮胎的生产工艺流程和技 术要求，确保轮胎的制造可行 性。
典型轮胎设计案例分析
汽车性能的影响。
滚动阻力的计算
轮胎均匀性性能知识
③扣盘圈径小
④单个磁铁圈的面倾斜
间隙
为了改善RFV稳定线长
• • • • 胎圈确实装入胎圈夹内。 如RFV突然发生恶化则要测量线长，确认胎圈夹是否偏心变形。 组合成型的场合确认确实突出于磁石圈面。 胎圈以紧紧安装到支座上为正好。明显松弛的场合或松弛易脱落的场合， 确认是否与指示书相符。如果符合要和生产技术科联系。 成型安装胎圈以一次3~5条、错位90 °制作12~20条轮胎，在水平最好的 地方能够打胎圈。
正贴轮胎的场合 － ＋
反贴轮胎的场合 ＋ ＋
反 转
PLS（蓝色箭头）沿着刚带的流动改变旋转方向就成为反方向。另外根据正贴和反贴成为反方向。 CON（红色箭头）因为以轮胎的形状来定，常常成为同方向的力
反 转
正 转
正 转
＋
＋
－
＋
ＣＯＮ的测定是指？ CON无法直接测定。若问为什么的话，那是因为PLS和CON是相同侧面方向的力，只能以合力 的形式进行观测。另外，此横向力在轮胎一周上有变动。再详细点解释如以LFV来说明波形 则如下所述。
均一性
均一性为 ＦＶ、ＣＯＮ、平衡的总称是指轮胎做出的结果。 均一性 力学上的真圆度 ＦＶ ＲＦＶ ＬＦＶ 重量上的真圆度 ＢＡＬ Ｓ．Ｂ． Ｄ．Ｂ．
尺寸上的真圆度
Ｒｕｎ Ｏｕｔ
ＲＲＯ
ＬＲＯ
２．ＲＦＶ的改善
波形的性質
叠合的原理 ＝ 和每个叠合波形相同的场所,成为相加后波形.
应用了此原理的东西被称为[位相合并].
表现ＲＦＶ１Ｈ和１次成分的大小。ＲＦＶ２Ｈ，ＲＦＶ３Ｈ，ＲＦＶ４Ｈ・・・・・ Ｈ是谐波的简写。
1次是指轮台回转一周的山峰和低谷有一个.2次是指2个,3次是指3个,4次是指4个・・・・・ 轮胎回转次数倍的震动。15转/秒的为１５Ｈｚ周波数的震动.2次的场合为３０Ｈｚ,3次的场合为 ４５Ｈｚ,4次的场合为６０Ｈｚ的周波数震动.
轮胎设计力学PPT课件
包容、 带束层及胎体 缓冲性 刚度
车内噪 声
固有频率、胎面花纹、 断面轮廓形状等
车外噪 声
固有频率、胎面花纹、 断面轮廓形状等
图1－11
其 高速性
它
足够的带束层张力
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图1－12
使用性能
• 基本性能：承载性能、耐久性能（耐磨耗、 耐疲劳损伤、耐老化等）
• 动力特性：牵引性能、稳定性能、操纵性 能、抗侧滑和抗湿滑性能等
图1－4 充气时胎圈部位的变形
• 可对局部性能进行改进设计； 环保性能：低滚阻、低噪声、舒适性等
图1－4 充气时胎圈部位的变形 损耗的应变能ELOSS、温度
• 可针对性地根据使用要求设计出不同性能的 针对问题：钢丝载重子午胎的耐久性
针对问题：钢丝载重子午胎的耐久性 图1－6 SEMT的四项新技术
轮胎； 最佳滚动轮廓理论RCOT (Rolling Contour Optimization Theory)—BS公司（1985）
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返回图1－8
未完，接下页
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• 可参数化的结构因素： （1）几何参数：内、 外轮廓形状的表示（目前一般将胎冠、胎 肩、胎侧和胎圈部分别研究）；胎体的形 状与位置，尤其是反包部位的形状和高度； 钢丝圈的位置；每一带束层的形状、宽度 及厚度方向的位置；帘线的排列方向和密 度 ；（2）材料参数： 应力与应变关系、 强度、疲劳性能；热学参数；老化性能； （3）工艺参数
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原来结构
新带束层结构
大角度钢丝带束层 零度尼龙帘布层
图1－7 SEMT的带束层新结构
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其它设计理论
• 动态模拟最佳轮廓理论DSOC、DSOC-S （用于轿车）和动态稳定性最佳接地面理 论DSOC-T－东洋公司
第一章地面 轮胎力学
k
FY
W
FY
FY
增加
胎压p
W
一定侧偏角下，驱动 力或制动力增加时，侧偏 力逐渐有所减小，这是由 于轮胎侧线弹性有所改变 F x 的关系。当纵向力相当大 时，侧偏力显著下降，接 近附着极限时，切向力已 耗去大部分附着力，而侧 向力能利用的附着力很小。
附着椭圆
FY
侧偏角
FY Fb 或Fx
滚动阻力系数
车轮在一定条件下，滚动所 需要推力Fp1与负荷力描述
在实际计算时，可不必考虑阻 力偶，而用滚动阻力替代
滚动阻力无法在受力图上画出，它是 一个数值，在受力图上它是切向反力。
滚动阻力系数的试验确定法 牵引法、滑行法和转鼓法
对 f 的影响因素
路面类型
滚动阻力系 数
路面类型
滚动阻力系 数
沥青或混凝土路面（新） 沥青或混凝土路面（磨旧） 碎石路面 卵石路面（平） 卵石路面（坑洼） 压实土路（干燥）
0.010~0.018 0.018~0.020 0.020~0.025 0.035~0.030 0.035~0.050 0.025~0.035
压实土路（雨后） 泥泞土路(雨季或解冻期) 干砂 湿砂 结冰路面 压实雪道
总结轮胎六分力形成机理及各自的影响因素
第四节 轮胎的纵向力学特性
一、滚动阻力
轮胎内部摩擦产生的迟滞损失。这种迟滞损失 表现为阻碍车轮运动的阻力偶。
F, KN
D
C
FZ
图1-9 轮胎径向变形曲线
h / mm
W1
ua
Fp1
Tf 1
图1－11
a
FZ 1
Fx1
滚动阻力系数 轮胎内部摩擦产生迟滞损失，这种 损失表现为阻碍车轮运动的阻力偶。
轮胎性能力学基础及设计理论讲解共36页文档
Hale Waihona Puke 谢谢11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
轮胎性能力学基础及设计理 论讲解
41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温 42、法律的力量应当跟随着公民，就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚 43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊 44、人类受制于法律，法律受制于情 理。— —托·富 勒
轮胎均匀性性能知识
D.B. Dynamic balance
关于动平衡
动平衡是静平衡和双平衡的合力。 所谓合力就是向量相加的意思。 向量相加的简单说明如下所述。
力Ａ ＋ 力Ｂ ＝ 力Ｃ （力Ｃ为合力。）
力Ａ
力Ｃ
力Ｂ
在这里、如果力Ａ为静平衡、力Ｂ为双平衡，则力Ｃ为动平衡。 请如此理解。（严格上讲有所不同，但这样理解完全没有问题。）
• 机械停止位置有偏差的场合，接头指引也会发生偏差。必须立即 告知上司或工务科异常情况。
• 加硫在对齐接头时也一样，认为错10cm没什么问题的心态也是和 FV差相关联的。
ＲＦＶ的改善仅是接头指引吗？ No ！
仔细地分析一个个部件的主要因素、 成型机的主要因素是很重要的！
部件的主要因素
周长上体积的偏差 过渡接头量 贴付精度
• 成型安装胎圈以一次3~5条、错位90 °制作12~20条轮胎，在水平最好的 地方能够打胎圈。
部件的影响－胎面
负接头（胎面接头）
８１７９ 日Ａ
８１７９ 日Ａ
８１７９ 日Ａ
胎面切断后，因为两端的接头易发生收缩，而变厚，所以导致接头部分 RFV山峰多发。
变厚RFV悪化
８１７９ 日Ａ
８１７９ 日Ａ
約２ｍｍ
部材的影响－Ｓ／Ｗ
安装位置
修边低 修边高
接头 接头
S/W的安装位置向内偏差则胎肩 部变厚成为RFV的山峰，向外偏 差则胎肩部变薄成为RFV的谷底。
接头的接头量过大则仅有接头部 的胎肩变厚成为RFV的山峰。
修边低则胶料流入胎圈下部将 胎圈向上抬起，和线长过长的 效果一样造成RFV的山峰。
Ｓ／Ｗ贴付时的注意事项
如最初说述,表面和内部的静平衡的大小和方向都相等,表面和内部的双平衡的大小相等方向相反. 表面和内部的动平衡则分别来计算.
《轮胎力学特性》课件
轮胎的材料特性
橡胶：主要材料，具有弹性和耐磨性
碳黑：增加轮胎的耐磨性和抗老化性
钢丝：增强轮胎的强度和抗冲击性
硅胶：提高轮胎的耐磨性和抗老化性
尼龙：提高轮胎的耐磨性和抗老化性
芳纶：提高轮胎的强度和抗冲击性
Part Four
轮胎的力学特性分 析
轮胎的滚动阻力
滚动阻力的定义：轮胎在滚动过程 中产生的阻力
滚动阻力的测量方法：通过实验或 模拟计算
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
滚动阻力的影响因素：轮胎的材质、 花纹、气压等
滚动阻力的优化：通过改进轮胎设 计、调整气压等方法降低滚动阻力
轮胎的侧偏特性
侧偏特性：轮胎在侧向力 作用下的力学特性
侧偏刚度：轮胎抵抗侧向 力变形的能力
侧偏角：轮胎在侧向力作 用下的偏转角度
科学依据
Part Three
轮胎的结构和材料
轮胎的组成结构
胎壁：支撑胎面和胎肩，承 受侧向力
胎肩：胎面与胎壁之间的过 渡部分，增强轮胎的稳定性
胎面：与路面接触的部分， 提供摩擦力
胎圈：固定轮胎与轮辋的连 接部分，保证轮胎的密封性
和气密性
胎体：胎面和胎肩之间的部 分，提供轮胎的弹性和缓冲
性能
胎圈垫带：固定胎圈与轮辋 的连接部分，保证轮胎的密
温度升高，轮 胎的抗滑性能 下降，导致轮 胎的制动距离
增加
路面条件的影响
路面粗糙度：影响轮胎的 摩擦力和滚动阻力
路面平整度：影响轮胎的 振动和噪音
路面温度：影响轮胎的磨 损和寿命
路面湿度：影响轮胎的抓 地力和安全性
车辆载荷的影响
轮胎的变形：车辆 载荷越大，轮胎的 变形越大，影响轮 胎的力学特性
轮胎设计理论与方法（讲义）
轮胎设计理论与方法橡胶工程教研室目 录轮胎设计理论与方法.....................................................................................................................- 0 - 第一章概论. (1)第一节轮胎的组成与分类 (1)第二节轮胎的规格表示 (4)第三节轮辋 (6)第二章轮胎的受力状态与使用性能 (7)第一节轮胎的法向力和法向变形 (8)第二节轮胎的侧向力及侧向变形和纵向力及周向变形 (15)第三节轮胎的高速性能 (20)第三章轮胎结构力学理论与模型 (28)第一节轮胎结构应用经典理论 (29)第二节轮胎结构应用有限元法的现代设计理论 (31)第四章轮胎形状力学 (40)第一节斜交轮胎形状力学 (40)第五章轮胎用有限元分析法 (51)第一节轮胎用有限元分析法的理论基础 (51)第六章轮胎结构设计 (52)第一节轮胎结构设计的理论基础 (52)第二节轮胎结构设计 (53)第三节轮胎计算机设计举例 (62)第四节设计题目 (72)第七章子午线轮胎设计与制造 (84)第一节 子午线轮胎结构特点 (84)第二节 子午线轮胎制造工艺 (93)第八章轮胎胶料配方设计 (98)第一节 轮胎各部件胶料配方设计 (98)第九章轮胎成品测试 (102)第一节外缘尺寸测定 (102)第二节静负荷性能测定 (103)第三节耐久性试验 (104)第四节 强度试验 (105)第五节 高速性能试验 (105)第六节 脱圈阻力试验 (105)第七节 平衡试验和均匀性试验 (106)第一章概论轮胎工业与汽车工业密切相关，汽车工业承担着为国民经济各部门提供交通运输机具的重要任务，轮胎又是汽车、拖拉机和各种工程车辆的主要配件，它固定在汽车轮辋上形成整体，起到支撑车辆重量、传递车辆牵引力、转向力和制动力的作用，并使车辆在行驶时吸收因路面不平引起的震动，并保护车辆及货物的行驶的安全和乘坐的舒适性。
轮胎性能力学基础及设计理论讲解
Fx Rs a
Q
发动机提供
轮胎牵引性能好坏取决于轮胎滚动阻力及其附着性能。滚动阻力 小，附着性能好才能提高轮胎的牵引性能。
二、牵引性能的影响因素 提高轮胎牵引性能可从轮胎结构、类型、胎面花纹、道路
等级、气压等因素考虑。 1.轮胎结构及类型 2.轮胎的气压 3.轮胎与路面的附着性能
三、轮胎附着性能和影响因素 1.附着力与附着系数 附着力（Fφ ）是路面对轮胎切向反作用力的极限。 附着系数 Φ = FФ / Q
高分子科学与工程学院
2．胎冠行驶部分质量
行驶部分质量增加严重降低临界速度。 因此，可采用减薄胎面胶厚度的措施来提高轮胎 的临界速度， 但要求采用高耐磨、高强度、耐撕裂胶料。
3．帘线角度
增大帘线角度可以明显增大临界速度， 但同时也会增加帘线层之间剪切应力的增大， 因此必须增大胶料的粘和强度。
高分子科学与工程学院
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1.轮胎半径 1）.自由半径Rf
轮胎充入额定气压后，无外力作 用时，胎冠行驶面最高点的外直径的 一半。
2）．静负荷半径Rs 轮胎在静止状态下，仅受法向
力的作用时，从轮轴中心到支撑 面的距离。
3）.动负荷半径Rm
当轮胎在动态时，发生变化，轮轴中心至路面间距变为， 称为动半径 4）．滚动半径Rr
汽车发动机发出的动力，经传动系统作用于驱动轮胎上，使 轮胎对道路产生一种力简称周向力，与周向为大小相等方向相 反的另一种力是道路作用于轮胎的反作用力，也是驱动汽车行 驶的外力，一般称为牵引力。
在牵引力作用下，轮胎要克服道路对它的滚动阻力，使轮胎 能在不同道路上行驶通过的能力，称为牵引性能。
轮胎转动的条件：Fx*Rs≥Q* a
轮胎性能力学基础及设计理论
有助于轮胎设计和制造的材料学和力学研究
有助于轮胎设计和制造的材料学和力学研究轮胎是一种非常重要的机械结构，它连接着车辆和道路，承受着车辆和地面之间的摩擦力和负荷。
因此，轮胎的设计和制造必须充分考虑材料学和力学原理。
本文将探讨一些有助于轮胎设计和制造的材料学和力学研究进展。
1. 胶料的研究胶料是轮胎中最重要的材料之一，它的性能直接影响轮胎的使用寿命和性能。
近年来，许多研究团队都在探究如何改进轮胎胶料的性能。
其中一个关键的因素是填料的选择和添加量的确定。
填料是胶料中的一种辅助材料，可以增加轮胎的硬度、强度和耐磨性。
常见的填料有炭黑和二氧化硅等。
不同类型和添加量的填料会对轮胎的性能产生不同的影响。
例如，炭黑是一种常见的填料，可以增加轮胎的硬度和耐磨性。
但是，过量的炭黑会导致轮胎的抗拉强度和弯曲刚度降低，从而影响轮胎的操控性和舒适性。
因此，研究人员需要平衡填料的添加量和轮胎性能之间的关系，以实现最佳的性能表现。
2. 轮胎的结构设计轮胎的结构设计也是轮胎制造中的一个重要方面。
它包括轮胎层次结构、内垫和骨架材料等。
轮胎层次结构是轮胎的组成部分，它包括胎面、肩部、侧壁和内部结构等。
每个部分都有不同的形状和材料，以实现特定的功能。
例如，肩部和侧壁可以提高轮胎的抗侧倾性能，内部结构可以增加轮胎的耐用性和负荷能力。
内垫是轮胎的一层软质材料，位于内部结构和骨架层之间。
它可以起到缓冲和减震的作用，以提高轮胎的舒适性和操控性。
骨架材料是轮胎的主要支撑部分，它负责承载轮胎的负荷和提高轮胎的稳定性。
不同的骨架材料可以实现不同的性能，如尼龙和钢铁。
3. 轮胎的力学研究轮胎的力学研究主要关注的是轮胎和地面之间的接触情况以及轮胎在行驶中受到的应力和变形情况。
轮胎和地面之间的接触是轮胎行驶中最关键的问题之一。
轮胎必须能够提供足够的摩擦力来保证车辆在弯道和湿滑路面上的稳定性。
专业的轮胎测试设备可以帮助研究人员模拟不同路面和环境下的轮胎接触情况，以评估轮胎性能和设计。
轮胎在行驶过程中会受到不同方向和大小的应力和变形。
轮胎力学课件
从动轮在硬路面上滚动时的受力情况
图3-2 从动轮在硬路面上滚动时的受力情况
由平衡条件得 Fp1 r = Tf 故 Fp1 =Tf/r=Fz (a/r) 令 f=(a/r) 而Fz=W Fp1=W f f 称为滚动阻力系数 可见，滚动阻力系数是车轮在一定条件 下滚动时所需的推力与车轮裁荷之比。换而 言之，滚动阻力等于滚动阻力系数与车轮载 荷之乘积 ，即 Ff=W f
图3 - 7滚动阻力系数随垂直载荷的变化
（5）行驶车速 ）
图3 – 8 滚动阻力随速度的变化
（6）驱动转矩 ）
子午线轮胎的优点： 子午线轮胎的优点： 接地面积大，附着性能好，对地面的单位压力小，磨损少， 接地面积大，附着性能好，对地面的单位压力小，磨损少，寿 命长； 命长； 胎冠较厚，且有坚硬带束层不易刺穿，行驶时变形小， 胎冠较厚，且有坚硬带束层不易刺穿，行驶时变形小，可降低 油耗； 油耗； 帘布层少，胎侧薄，散热性好； 帘布层少，胎侧薄，散热性好； 径向弹性大，缓冲性好、负荷能力大； 径向弹性大，缓冲性好、负荷能力大； 承受侧向力时，接地面积基本不变，行驶稳定性好。 承受侧向力时，接地面积基本不变，行驶稳定性好。 子午线轮胎的缺点： 子午线轮胎的缺点： 胎侧薄且软，胎冠厚，在二者的过渡区容易产生裂纹； 胎侧薄且软，胎冠厚，在二者的过渡区容易产生裂纹； 吸振能力差，胎面噪音大；制造技术要求高，成本高。 吸振能力差，胎面噪音大；制造技术要求高，成本高。
11.2 轮胎的坐标系与术语
图2-1 轮胎坐轮胎滚动阻力的产生机理 2 ) 轮胎滚动阻力的影响因素 3）轮胎滚动阻力系数的经验计算 ）
1）轮胎滚动阻力的产生机理 ）
轮胎在硬路面上的滚动阻力 轮胎在硬路面上的 从动轮在硬路面上滚动时的受力情况 由路面变形和轮辙摩擦引起的附加滚动阻力 不平路面造成的滚动阻力示意图 不平路面造成的滚动阻力示意图
轮胎材料力学
轮胎材料力学介绍轮胎是汽车的重要组成部分，它承担着承载车辆载重、提供牵引力和减震、降噪等功能。
轮胎的质量、强度和耐磨性对车辆的性能和安全性有着重要影响。
轮胎材料力学研究了轮胎材料在力学作用下的行为，包括强度、刚度、耐磨性等方面。
轮胎材料的选择橡胶橡胶是轮胎的主要材料之一，它具有良好的弹性和耐磨性。
橡胶材料可以通过改变配方、添加填料等方式来调节其力学性能。
常用的橡胶材料有天然橡胶和合成橡胶，它们在弹性模量、抗拉强度等方面有所差异。
钢帘线钢帘线是轮胎中的增强层，它主要由钢丝绳组成。
钢帘线能够提供轮胎所需的刚度和强度，使其能够承受车辆的载荷和抗击破。
钢帘线的选择要考虑到强度、耐腐蚀性和重量等因素，以满足轮胎的设计要求。
其他材料除了橡胶和钢帘线，轮胎中还包含其他材料，如填充物、胶粘剂和添加剂等。
这些材料可以改善轮胎的性能，如降低滚动阻力、增强抗磨损性能等。
在材料选择中，需要综合考虑轮胎的整体性能和成本效益。
轮胎材料的力学性能强度轮胎材料的强度是指其抵抗断裂的能力。
在汽车运行过程中，轮胎承受着复杂的力学载荷，如车辆载重、转弯、制动等。
因此，轮胎材料需要具备足够的强度，以保证其不会发生断裂和失效。
刚度轮胎材料的刚度是指其对力的响应能力。
刚度较高的材料能够提供良好的抓地力和操控性能。
刚度的选择需要考虑到轮胎的使用环境和车辆型号等因素。
耐磨性轮胎是与地面直接接触的部件，因此轮胎材料需要具备良好的耐磨性。
耐磨性主要取决于材料的硬度和耐磨损能力。
合理选择材料和改善轮胎的设计结构可以提高轮胎的耐磨性能。
轮胎的力学行为轮胎在不同的力学作用下表现出不同的行为。
在静态情况下，轮胎的形变主要受到载荷的影响，它会产生轮胎变形，如压缩、扁平等。
在动态情况下，轮胎在运动过程中会产生应力和应变，这对轮胎的强度和稳定性有着重要影响。
轮胎材料力学研究的方法实验方法实验是轮胎材料力学研究的重要手段之一。
通过设计和进行实验，可以测试轮胎材料的力学性能，如强度、刚度、耐磨性等。
子午线轮胎设计的基本理论1
0 0 u2
0
0
u3
A
0
0
X 3 X 3 X 3
0
u1 X 3
u2 X 3
u3 X 3
u1 X 2
u2 X 2
u3 X 2
u1 u2 u3
X 3 u1
X 3 u2
X 3 u3
0 u1
0 u2
0 u3
u1 X 1
0
u2 X 1
0
u3
X
1
0
X 2 X 2 X 2 X 1 X 1 X 1
图1 轮胎断面内轮廓示意图
r k胎腔里半径； rc胎腔轮辋点半径； a椭圆内轮廓曲线径向半径； b轴向半径；c轮辋宽度之； rm椭圆断面水平轴半径； g(s) 带束层内压分担率； bD带束层支撑宽度之半； RD带束层支撑宽度边缘点半； P充气内压； N胎体帘线总根数； Tb带束层周向内压总应力； TB钢丝圆周向内压总压力； TC胎体单根帘线张力。
b2
2 3
4
c2 m2 c
da Edm
db Dedm
dn (2E 1)dm
二、建立在椭圆曲线基础上的薄膜网络模型
式中
8n ac2 nb2 a2 b2 3 2 a a nb2 c2 n2
D
8mn2b a2 b2 3 2 b3 a n c2 n2
mnbD ac2 nb2
d上的面元，其法向向外； i X轴向单位矢量。
二、建立在椭圆曲线基础上的薄膜网络模型
Tb 2TB '• pid
积分面为曲线MKM’绕轴旋转 / 2而生成的曲面’ 。
Tb + 2 T B = S0 P 式中 S0 = b ( 2 rm + a / 2 )
轮胎动力学及建模方法
轮胎运动坐标系
图1-2 轮胎的坐标系与地面作用于轮胎的力和力矩
幂指数统一轮胎模型
稳态纵滑侧偏联合工况时，轮胎的纵向力 Fx 、侧向力 Fy 与回正力矩 M z 的表达式：
Fx xFz F x
Fy y Fz F y
M z Fy Dx Fx Dy
轮胎径向压缩模式图
图1-6 轮胎径向压缩模式图
由路面变形和轮辙摩擦引起的附加滚动阻力
图1-7由路面变形和轮辙摩擦引起的附加滚动阻力
滚动阻力(波阻)示意图
不平路面造成的滚动阻力： 车轮在不平路面上行驶时，它和车身也会有
相对运动．车身阻尼和路面不平度一起，造成了 平均值不为零的振荡的Fu和Fz．减振器压缩和伸 长时做了功，这个功与汽车行驶过的路程之比被 看作滚动阻力（波阻），见图．
幂指数统一轮胎模型的特点：
•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用于各种不同 的路面
•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
•5）能拟合原点刚度
轮胎垂直振动的力学模型
图1-25 点接触式线性弹簧—粘性阻尼模型
试验时汽车悬架 被卡死,激励由装 有正弦波鼓面的 转鼓试验台产生， 每周6个波峰，正 弦波幅值0.01m， 波长0.696m
图1-26 不同工况下轮胎垂直振动加速度响应谱的计算值与试验值比较
1.5 轮胎的侧向力学特性
一、直线行驶：轮胎承受垂直力和纵向力， 纵向力有制动力、驱动力、滚动阻力。用纵 向附着系数模型来解决制动力、驱动力与垂 直力的关系，用滚动阻力系数模型来解决滚 动阻力与垂直力的关系。难点：附着效率和 制动效率
轮胎性能力学基础及设计理论
轮胎的制造和使用不断改善，有80%-90%是因花纹磨光而 报废，所以轮胎耐磨性能在一定程度上表明轮胎的使用寿命， 因此，轮胎使用寿命可按
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L
1000
h 1
-
h 0
h
式中 L－ 轮胎行驶里程，km h1－轮胎花纹深度，mm ho－最低花纹允许深度(磨光后)，mm；
轿车胎165/70R13 的在 1.43左右.
3、硬度系数 指轮胎承受负荷（Q）对接地印痕面积（S）和轮胎相应气压（P）乘积之比。 表示在规定的轮辋条件下轮胎气压承受负荷的能力。 Q/SP=1 说明轮胎的气压刚好承受全部负荷，为理想状态 Q/SP>1 说明气压不够用来承受全部负荷（胎体骨架承受过多负荷） Q/SP<1 说明气压用来承受全部负荷还有余
△h－胎面单耗，mm/l000km。
二、影响轮胎磨耗的因素 轮胎耐磨性能取决于轮胎结构、胎面胶性能和使用条件的
不同。子午线轮胎的耐磨性较斜交轮胎高30%-50%以上。
1.轮胎胎体骨架材料的弹性模量对磨耗影响很大，以钢丝帘布 代替尼龙帘布代替人造丝帘布能提高耐磨性。
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一、轮胎滚动阻力产生的方式 1. 轮胎在路面上的滑移 2. 轮胎内部材料的摩擦
3.车辆的行驶速度对轮胎负荷能力的影响 车辆行驶速度对轮胎的负荷能力影响很大。降低行驶速度，可提高轮胎
的负荷标准，车速增加时，负荷标准应降低，但不得在任何条件下随意提 高负荷量。中国轮胎标准中规定的最高速度范围:重型载重轮胎为80km/h; 中型载重轮胎为90km/h;轻型载重轮胎为100km/h。最高速度是持续行驶速 度，并非平均速度。 轮胎使用速度与负荷对应关系
车轮轮胎以及轮胎力学
轮胎的安装与拆卸
安装
安装轮胎时，应确保轮毂清洁，均匀 涂抹轮胎胶，按照正确方向将轮胎安 装到轮毂上，并确保轮胎气嘴与轮毂 气嘴对齐。
拆卸
拆卸轮胎时，应先清除轮毂上的杂质 和油污，使用适当的工具和技巧，按 照正确顺序逐步拆卸。
轮胎的气压与温度管理
气压
保持适当的轮胎气压对于轮胎的寿命和安全性至关重要。气压不足或过高都会导 致轮胎磨损不均和损坏。
轮胎在侧向力作用下产生侧向滑 移的现象。
侧偏特性影响因素
轮胎的结构、气压、充气量、路面 附着系数等。
侧偏特性的应用
车辆的操控稳定性、行驶安全性等。
轮胎的纵向滑水现象
纵向滑水现象定义
轮胎在行驶过程中，由于纵向滑移而产生的阻力。
纵向滑水现象影响因素
车速、路面状况、轮胎与路面间的摩擦系数等。
纵向滑水现象的危害
轮胎的存储与运
存储
轮胎应存放在干燥、通风良好、无阳 光直射的环境中，避免与油、酸、易 燃物等物质接触。
运输
运输轮胎时应避免强烈震动和碰撞， 确保包装完整，以防损坏。
THANKS
感谢观看
增加油耗、降低行驶安全性等。
轮胎的振动与噪声
1 2
振动与噪声来源
轮胎与路面间的相互作用、轮胎的结构和材料等。
振动与噪声的影响
影响乘坐舒适性、对周边环境造成噪声污染等。
3
降低振动与噪声的方法
优化轮胎结构、采用新材料、合理控制行驶速度 等。
03
轮胎动力学
轮胎的纵向动力学
01
02
03
纵向力
指轮胎在前进或后退时所 受到的力，它决定了车辆 的加速和减速性能。
轮胎性能测试设备与场地
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4.轮胎骨架材料对负荷能力的影响 轮胎采用高强度骨架材料和采用新型结构均可增加胎体强
度，也可提高轮胎内压去增大其负荷能力。 四、轮胎负荷下接地面积和接地压力分布 1.接地面积
轮胎在法向负荷作用下与路面接触，其接地面积的形状决定于 轮胎模断面形状和结构。例如飞机轮胎与平面的接触面积是近似 的椭圆形状，因为这种轮胎的胎肩较薄，胎面的径向曲率较大。
3.车辆的行驶速度对轮胎负荷能力的影响 车辆行驶速度对轮胎的负荷能力影响很大。降低行驶速度，可提高轮胎
的负荷标准，车速增加时，负荷标准应降低，但不得在任何条件下随意提 高负荷量。中国轮胎标准中规定的最高速度范围:重型载重轮胎为80km/h; 中型载重轮胎为90km/h;轻型载重轮胎为100km/h。最高速度是持续行驶速 度，并非平均速度。 轮胎使用速度与负荷对应关系
§2-1 轮胎的负荷能力与法向变形
轮胎的载荷能力是由轮胎的结构参数决定的，主要有外形尺寸、充气 压力、帘布性能及断面轮廓等，与这些参数密切相关的决定载荷能力的重 要设计依据是轮胎的径向变形。在最佳径向变形条件下，轮胎能获得最佳 的使用性能和使用寿命。 一、轮胎静负荷性能
轮胎的变形功是由压缩空气和胎体材料所承担。在正常径向变形下， 60％的功消耗于压缩空气，40％的功用于帘布层和胎面胶变形。当径向 变形过大或过小时，消耗于压缩空气的功一般都要降低。 1.轮胎的下沉量（法向变形）和压缩系数(factor of trie compression) 下沉量(deflection)：自由状态下充气轮胎断面高H0与静负荷下断面高Hc 之差。
汽车轮胎由于它的胎肩较厚，胎面径向曲率较小，因此，接 地面积横贯整个轮胎的胎肩，趋向于包括平行的两边，其宽度 不受轮胎下沉量的影响。
试验证明，轮胎接地面积与下沉量的关系近似于线性关系， 与规格制造工艺关系不大。
§2-2 轮胎的耐磨性能 一、轮胎磨耗的形式
胎面磨耗过程较为复杂，一般可分疲劳磨耗、磨损磨耗和卷 曲磨耗三种。 疲劳磨耗:由于胎面胶反复受力变化而产生的； 磨损磨耗:因路面粗糙对胎面剪切所生成的； 卷曲磨耗:是轮胎在高温和高压时胎面胶在路面卷磨造成的。
轮胎内部摩阻损失随外胎的结构、构造和材料的性质、 制造技术而变的。轮胎中气压的降低对轮胎内部摩阻损失起 着很大的影响。气压降低使轮胎变形增大，因而轮胎内部的 摩阻损失就急剧猛增。 二、轮胎滚动阻力表示和影响因素 1.滚动阻力系数
滚动阻力系数等于滚动阻力除以法向载荷。在良好路面上， 轮胎滚动阻力系数f计
表示轮胎的径向弹性特征。
H0
H0
若f过小，说明轮胎的弹性发挥不良，影响乘坐的舒适性;若f过大，说
明轮胎在大变形下工作，使用寿命缩短。
Q
Hc
H0
2、轮胎的接地系数 指轮胎在相应负荷下，接地印痕的长轴与短轴之比。
a b
表示了轮胎承受垂直负荷时发生的周向和横向变形状态。 例如：9.00R20 全钢子午胎的接地系数在1.7左右，
（二）高孟田（G Komandi匈牙利）经验公式
hc
C1
Q0.85 B0.7D0.43P0.6
K
K---15×103B+0.42
C1--轮胎设计参数，斜交胎=1.15，子午胎=1.5
Q---轮胎负荷
B---轮胎充气断面宽
D---轮胎充气外直径
三、影响轮胎负荷的因素 P---轮胎充气压力
1、轮胎外形尺寸对负荷能力的影响 轮胎依靠充入压缩空气承载负荷,内腔容积增大可增大轮胎的空气容量，
f N Q V
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2.影响轮胎滚动阻力因素 影响轮胎滚动阻力因素是多方面的，如路面状况、行驶速度、
轮胎结构、使用气压及负荷、车辆性能等。 （1）路面状况的影响 （2）行驶速度的影响 （3）轮胎结构的影响 （4）气压的影响 （5）车辆性能的影响
三种类型磨耗产生的原因不同，可用不同的技术手段提高轮胎 的耐磨性。通常称轮胎的磨耗，是上述三种磨耗的综合形式。
轮胎的制造和使用不断改善，有80%-90%是因花纹磨光而 报废，所以轮胎耐磨性能在一定程度上表明轮胎的使用寿命， 因此，轮胎使用寿命可按
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L
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-
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h
式中 L－ 轮胎行驶里程，km h1－轮胎花纹深度，mm ho－最低花纹允许深度(磨光后)，mm；
随之轮胎的负荷能力相应增大。而轮胎的断面宽、外直径及轮辋直径、宽度 直接影响轮胎的内腔容积，轮胎负荷能力随其断面宽的增大而提高。从增大 轮胎断面宽、加宽轮辋宽度等角度来提高轮胎的负荷能力。
2.轮胎充气压力对负荷能力的影响 轮胎负荷能力的大小与充气压力存着密切关系，提高轮胎的内压，相
应可增大轮胎的负荷能力，见图1-10轮胎充气压力与负荷量的关系。轮胎 气压增加的同时会导致胎体帘线应力的增大，尤其在动负荷作用下，极易 造成帘线疲劳损坏，影响轮胎的使用寿命，见图1-11所示，
二、轮胎下沉量的理论计算
（一）赫德克尔（Hadekel）近似公式
假设：轮胎在接地面积之外不产生变形； 接地面中的平均单位压力等于内压。
a Dhc b 2Rnhc
Sabhc 2RnD
Q= SP =Pπhc 2D*Rn
式中： D---轮胎充气外直径，Rn---胎面曲率半径， hc---下沉量， Q---轮胎负荷,P---轮胎充气压力,S---接地面积.
轿车胎165/70R13 的在 1.43左右.
3、硬度系数 指轮胎承受负荷（Q）对接地印痕面积（S）和轮胎相应气压（P）乘积之比。 表示在规定的轮辋条件下轮胎气压承受负荷的能力。 Q/SP=1 说明轮胎的气压刚好承受全部负荷，为理想状态 Q/SP>1 说明气压不够用来承受全部负荷（胎体骨架承受过多负荷） Q/SP<1 说明气压用来承受全部负荷还有余
△h－胎面单耗，mm/l000km。
二、影响轮胎磨耗的因素 轮胎耐磨性能取决于轮胎结构、胎面胶性能和使用条件的
不同。子午线轮胎的耐磨性较斜交轮胎高30%-50%以上。
1.轮胎胎体骨架材料的弹性模量对磨耗影响很大，以钢丝帘布 代替尼龙帘布代替人造丝帘布能提高耐磨性。
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一、轮胎滚动阻力产生的方式 1. 轮胎在路面上的滑移 2. 轮胎内部材料的摩擦