车辆动力学 - 轮胎-2013-1

弹性迟滞阻力


轮胎等效为“弹簧-阻 尼单元”，开始做功 并将其转化为热消耗 掉。 弹性迟滞阻力等于消 耗的阻尼与行驶距离 之比。
临界车速（最高车速） 当汽车车速超过临界车速时，轮胎会出现驻波现 象，其周缘呈明显的波浪状，轮胎温度快速增加。 后果是大量发热导致轮胎破损或爆胎。
轮胎的两个最重要参数：极限速度和承载量。

驻波现象：在高速行驶时，轮胎离开地面后 因变形所产生的扭曲并不立即恢复，其残余 变形形成了一种波，这就是驻波。此时轮胎 周缘不再是圆形， 而呈明显的波浪形。轮胎 刚离开地面时波的振幅最大，它按指数规律 沿轮胎圆周衰减。


驻波：（deformation wave) 高速情况下， 驻波会增加能量损失，产生大量的热，最 终使轮胎破坏。

滚动阻力随车轮载荷的增加而增加，而滚动阻力系数 随车轮载荷的增加而减小。 此外，轮胎压力，车速都对滚动阻力系数有影响

轮胎接地印迹内的垂向和切向 应力分布

轮胎接地印迹中垂向压力的变化形状， 不对称
斜交轮胎接地印迹内的轮胎压力
轮胎压力

气压越高，轮胎变形及由其产生的迟滞 损失就越小，滚动阻力也越小。

塑性路面

道路状况不同下的滚动阻力系数

湿路面:水膜区，过度区和直接接触区
湿路面
影响该值的因素： 水深，表面的纹理，排干程度； 接触区的压力分布：构成，大小，印迹 形状； 轮胎的沟槽，磨损
扰流阻力FR： W t轮胎宽度 Uw：车轮前进速度 N,E：扰流阻力系数
Wt uw FR 10 N
E

湿路面
4. 轮胎侧偏阻力轮 Nhomakorabea侧向力与侧偏角的关系：
Fy C
车轮定位角的影响 —— 车轮前束角 —— 车轮外倾角

5.轮胎纵向力与滑动率的关系

驱动力系数（纵向力Fx/垂向载荷Fy）
轮胎初始的滑转主要由胎面的弹性形变引起的。

胎面单元沿轮胎接触面上的位移（自由滚 动，行驶，制动）
3.轮胎的垂向特性


以轮胎所受载荷和变形的曲线表示轮胎 的刚度特性，轮胎载荷与垂向变形基本 呈线性关系。 静刚度：基本不随载荷变化

静刚度：

非滚动刚度：下抛，胎面不离地面；由 振动曲线求得；

动刚度：施加简 谐振动，通过幅 频和相频特性求 得；动刚度略小 于静刚度

各种工况参数中，轮胎充气压力、车速、 法向载荷以及磨损程度，对轮胎刚度有 着重要的影响。 充气轮胎的阻尼主要来自于轮胎材料的 迟滞性
l sin S tan 2r
S

l sin (1 SS ) tan 2r
轮胎侧向力


由于车轮的种类不同， 所产生的侧向力大小 显著不同。 铁车轮，所能产生的 最大侧向力还不到橡 胶轮胎的三分之一。 充气橡胶轮胎车轮所 能产生的侧向力大于 实心橡胶轮胎车轮。
驱动力
轮胎滚动阻力降低的过程
道路阻力

不平路面：弹性单元弹性恢复过程中释 放的能量比压缩过程中所作的少，损失 的为阻尼功。 其值大小：不平路段（x距离内）所作 的功⊿W使车轮滚动阻力增加了一附加 分量 F不平= ⊿W/x


塑性路面：承载车轮滚过后，将使路面产生
清晰可见的车辙。
压实阻力：土壤变形很小，滚过后可恢复； 推土阻力：土壤被挤到轮胎前部，这些路面物质 的纵向和侧向运动，造成轮胎的滚动阻力。 剪切阻力：轮胎花纹槽剪切阻力，由轮胎侧壁和 路面物质间的摩擦产生。 轮胎内部压力增加导致附加阻力增大，因轮胎 接地印迹减小，轮胎的下陷量加大。
滑动率sx： 表示车轮相对于纯滚动（或纯滑动）状 态的偏离程度。

驱动工况时，滑转率； 制动工况时，滑移率；
轮胎的侧偏角：

车轮平面与车轮中心运动方向的夹角。
轮胎的侧向力： 一旦达到了附着极限，橡胶将相对于地 面沿横向（垂直于轮胎平面）滑动。切 向应力的非对称性将使得轮胎接地面区 域的抓地力分布不均。


基础知识
轮胎是由复杂的橡胶帘布材料制成，其各向 异性的结构决定了轮胎力学特性研究的难度。 轮胎与路面的相互作用(如附着或滑移，冰 路面或湿路面，变附着系数)，轮胎的受力状况 (如变载荷或变气压，惯性力，制动力或驱动力， 侧向力输入，质量不平衡等)，运动状态(如多自 由度，稳态与非稳态，变速，高频等)，生热和 磨损都是十分复杂的。
车辆动力学 - 轮胎
北京科技大学USTB 车辆工程专业
1. 轮胎的运动坐标系
子午线轮胎
斜交线轮胎

轮胎基本构造
•子午线轮胎比斜交轮胎的滚
动阻力小20%～30％； •与帘线（棉、人造丝、尼 龙、钢丝）和橡胶品质有关。
基础知识 轮胎标识
每一种轮胎都有其特定的标识，以区别 于其它，供人们选用。 一般轮胎规格可描述为： [胎宽mm]/[胎厚与胎宽的百分比] R[轮毂直 径(英寸)] [载重系数][速度标识]

侧偏角对制动力的影 响
不同路面下的附着力

不同路面下纵向力系数的峰值及滑移值

载荷和车速对驱动力系数的影响

大型卡车在不同路面下附着性能的改变
6.轮胎的侧向力特性

影响侧向力的三个因素：侧偏角，垂 向载荷和前轮外倾角。 侧偏角——车速，侧向速度，横摆速 度和转向角所决定 垂向载荷：车辆的质量分布； 外倾角：由转向角和悬架杆系的作用。




联合工况下：车辆转弯加速或转弯制动；


复合工况： 转向中的制 动 摩擦椭圆
联合工况

同时侧向力和纵向力、垂向载荷的相互作用。


联合工况下，轮胎印迹内所产生的合力 是一定的，最大摩擦力限制下，轮胎不 能同时达到最大的侧向力和最大的纵向 力。 摩擦椭圆——一系列给定滑移率或侧偏 角情况下，轮胎侧向力与纵向力的关系 曲线。
轮胎的侧偏现象和侧偏特性：
轮胎模型
(a)
(b)
轮胎理论滑移特性
如下图 (a), (b)所示，为 了分析简便，假定车轮中 心固定，路面相对于车轮 中心移动，若设轮胎圆周 速度为Vc，路面速度为VR， 则有 Vc =re ωy
VR=-V

路面相对于车轮中心的速度VR是车轮平面的纵向速度 Vx和垂直于车轮平面的横向速度Vy的合成速度。


轮胎阻尼元小于悬挂的阻尼值
轮胎垂向振动力学


目前应用较多的是 SWIFT模型 三个等效路面的输 入：路面不平障碍 的等效高度及斜率， 轮胎包络特性决定 的等效滚动半径变 化量
3. 轮胎纵向力学特性
车轮滚动阻力：滚动车轮产生的所有阻力


轮胎滚动阻力： 道路阻力分量：不平路面，塑性路面和湿路 面等引起的附加阻力 轮胎侧偏阻力分量：由轮胎的侧向载荷使 轮胎侧偏而产生的附加轮胎纵向阻力
轮胎的滚动阻力
轮胎滚动阻力由以下组成：



弹性迟滞阻力：胎体变形引起的轮胎材料 迟滞作用是造成轮胎滚动阻力； 摩擦阻力：轮胎接地印迹内，路面与滚动 单元带渐在纵向和横向将产生相对运动— —部分滑动——轮胎磨损——转化成热 风扇效应阻力：轮胎旋转带来的气流损失
例如轮胎: 基础知识 195/65 R14 88H
其含义为： 胎宽-----------------------------195mm 胎厚与胎宽的百分比为-------65%，即胎厚 =126.75, 126.75/195*100=65(%) 轮毂直径------------------------14英寸 载重系数-------------------------88 速度系数-------------------------H

由于轮胎的变 形，接地印迹 处的纵向力将 引起滑移（滑 转）。

制动力系数
b
Fbx Fz
制动力Fbx 轮胎法向载荷Fz


制动时，纵向制动力 随滑移率的提高而迅 速增加，并很快达到 最大值。 随之滑移率的增加， 制动力逐渐下降，直 到纯滑移而达到饱和 状态。

轮胎类型，车辆行驶速度，轮胎 载荷均对驱动（制动）力系数与 车轮滑转率有关系。

车轮的侧偏角α以及车轮胎面与路面间的滑移速度VS、 分别被定义为:
arctan(Vy / Vx)
VS [(VC Vx)2 Vy ]
1 2 2
轮胎运动参数
在这里，滑移速度VS与轮胎平面的夹角被定义 为滑移方向角:
arcsin(Vy / Vx)
纵向滑移率在制动时 定义为：
Vx Vc SS 0 Vx Vx Vc SS 0 Vx
在驱动时被定义为：
轮胎运动参数
仅由侧偏角引起的横向滑移率在制动时与驱动 时分别定义为：
S tan S (1 SS ) tan
仅由侧顷角γ引起的滑移率被定义为：
S sin
轮胎运动参数
同时考虑侧偏角α以及侧顷角γ时的横向滑移率在 制动时与驱动时分别为：

侧向力Fy与侧偏角a的关系(a=0处） 是线性操纵稳定性的基础。
纯转向工况

地毯图：垂向载荷作用下侧向力与侧偏 角的关系

由于轮胎的非线性，随着轮胎载荷的增
加，轮胎力对轮胎载荷的绝对斜率将减 小。转向中，由于内外轮力分布的不同，
每根轴上平均侧向轮胎力减小。

轮胎的转向刚度随载荷的增大而减小。
轮胎摩擦阻力

轮胎接地长度：轮 胎接触印迹区的对 应弦长。
由于接地区域中，纵向及横向产生相对运动，引起 轮胎磨损，产生热。
滚动阻力与载荷的关系

轮胎材料迟 滞作用是滚 动阻力的主 要成分。
大致为线性关系
米西林推荐的模型：

滚动阻力系数fR：相应载荷作用下滚动阻力与车轮垂 直载荷的比值
FR fR Fz , w
基础知识


按胎体骨架材料分类，有棉帘线轮胎、人造 丝帘线轮胎、尼龙帘线轮胎、聚酯帘线轮胎、 钢丝帘线轮胎、浇注轮胎； 按充气压力标准不同可分为固定气压轮胎和调 压轮胎；

按用途不同，可分为汽车轮胎、工程机械轮胎、
农业和林业机械轮胎、航空轮胎、摩托车轮胎、 工业车辆轮胎，畜力车轮胎(马车轮胎)等
2. 车轮运动参数