汽車系統(tǒng)動力學(xué)第3章-充氣輪胎動力學(xué)課件

1、緒篇 理論和基礎(chǔ)理論第一章車輛動力學(xué)概述 第二章 車輛動力學(xué)建模 方法及基礎(chǔ)理論第三章 充氣輪胎動力學(xué)第四章 空氣動力學(xué)基礎(chǔ)第三章充氣輪胎動力學(xué)第一節(jié)概述第二節(jié) 輪胎的功能、結(jié)構(gòu)及發(fā)展第三節(jié) 輪胎模型第四節(jié) 輪胎縱向力學(xué)特性第五節(jié) 輪胎垂直力學(xué)特性第六節(jié) 輪胎側(cè)向力學(xué)特性第一節(jié)概 述 輪胎是車輛重要的組成部分,直接與地面接觸。其作用是支承整車的重量,與懸架共同緩沖來自路面的不平度激勵,以保證車輛具有良好的乘坐舒適性和行駛平順性;保證車輪和路面具有良好的附著性,以提高車輛驅(qū)動性、制動性和通過性,并為車輛提供充分的轉(zhuǎn)向力。 現(xiàn)代輪胎是一個復(fù)雜的黏彈性結(jié)構(gòu),具有明顯的非線性特性。由于輪胎材料、結(jié)構(gòu)及

2、其與路面相互作用關(guān)系的復(fù)雜性,以及輪胎力學(xué)特性對車輛動力學(xué)的重要影響,所以有必要在討論整車動力學(xué)之前,先介紹輪胎結(jié)構(gòu)、輪胎模型及力學(xué)特性。此外,在整車動力學(xué)建模中對輪胎模型的第一節(jié)概 述考慮也給予一些建議和說明。 首先介紹SAE標(biāo)準(zhǔn)輪胎運(yùn)動坐標(biāo)系,然后介紹幾個重要的運(yùn)動學(xué)參數(shù)的定義,即車輪的滑動率(wheel slip ratio)、輪胎側(cè)偏角(tire slip angle)及徑向變形(radial deflection)。第一節(jié)概 述一、輪胎運(yùn)動坐標(biāo)系為了便于研究人員統(tǒng)一進(jìn)行輪胎力學(xué)模型分析,美國汽車工程師學(xué)會(SAE)制定了標(biāo)準(zhǔn)的輪胎運(yùn)動坐標(biāo)系,并定義了輪胎的作用力和力矩及相關(guān)運(yùn)動變量。

3、SAE標(biāo)準(zhǔn)輪胎運(yùn)動坐標(biāo)系被定義為法向坐標(biāo)向下的右手三維正交坐標(biāo)系,如圖3-1所示。坐標(biāo)系的原點(diǎn)是輪胎接地印跡中心,x軸定義為車輪平面與地面的交線,前進(jìn)方向?yàn)檎?y軸是指車輪旋轉(zhuǎn)軸線在地面上的投影線,向右為正;z軸與地面垂直,向下為正。第一節(jié)概 述一、輪胎運(yùn)動坐標(biāo)系第一節(jié)概 述一、輪胎運(yùn)動坐標(biāo)系輪胎受到分別沿x軸、y軸和z軸三個方向的力以及繞三個軸的力矩作用,通常稱為輪胎的六分力。其術(shù)語見表3-1。第一節(jié)概 述二、車輪運(yùn)動參數(shù)1.滑動率s車輪滑動率表示車輪相對于純滾動(或純滑動)狀態(tài)的偏離程度,是影響輪胎產(chǎn)生縱向力的一個重要因素。為了使其總為正值,可將驅(qū)動和被驅(qū)動兩種情況分開考慮。驅(qū)動工況時稱為

4、滑轉(zhuǎn)率;被驅(qū)動(包括制動,常用下標(biāo)b以示區(qū)別)時稱為滑移率,二者統(tǒng)稱為車輪的滑動率。參照圖3-2,若車輪的滾動半徑為rd,輪心前進(jìn)速度(等于車輛行駛速度)為uw,車輪角速度為,則車輪滑動率s定義如下: 第一節(jié)概 述二、車輪運(yùn)動參數(shù)1.滑動率s車輪的滑動率數(shù)值在01之間變化。當(dāng)車輪做純滾動時,即uw=rd,此時s=0;當(dāng)被驅(qū)動輪處于純滑動狀態(tài)時,s=1。第一節(jié)概 述二、車輪運(yùn)動參數(shù)1.滑動率s第一節(jié)概 述二、車輪運(yùn)動參數(shù)2.輪胎側(cè)偏角輪胎側(cè)偏角是影響輪胎側(cè)向力的一個重要因素,定義為車輪回轉(zhuǎn)平面與車輪中心運(yùn)動方向的夾角,順時針方向?yàn)檎?用表示,如圖3-3所示。實(shí)際上,輪胎接地區(qū)內(nèi)胎面?zhèn)认蜃冃蜗鄬τ?/p>

5、接地中心軸呈非對稱分布,因而接地區(qū)變形力的合力(即輪胎側(cè)向力Fy)的作用點(diǎn)并不處于接地區(qū)中心,而是向后偏移一段距離,通常將這段距離稱為“輪胎氣胎拖距”(tire pneumatic trail),記為tp。由于SAE輪胎坐標(biāo)系是將輪胎側(cè)向力的作用點(diǎn)定義于輪胎接地中心,因此需要引入一項(xiàng)“回正力矩”(aligning torque),記為Mz,第一節(jié)概 述二、車輪運(yùn)動參數(shù)2.輪胎側(cè)偏角輪胎側(cè)向力與輪胎氣胎拖距的乘積,以此來描述實(shí)際輪胎側(cè)向力相對于接地中心的非對稱性。在SAE標(biāo)準(zhǔn)輪胎運(yùn)動坐標(biāo)系中,若分別用uw和vw表示輪心的前進(jìn)速度與側(cè)向速度,則輪胎側(cè)偏角通常可表示為:根據(jù)圖3-1中規(guī)定的側(cè)偏角、側(cè)

6、向力和回正力矩的方向,由圖3-3可以看出, 在標(biāo)準(zhǔn)輪胎運(yùn)動坐標(biāo)系中,負(fù)的輪胎側(cè)向力將產(chǎn)生正的側(cè)偏角。第一節(jié)概 述二、車輪運(yùn)動參數(shù)2.輪胎側(cè)偏角第一節(jié)概 述二、車輪運(yùn)動參數(shù)3.輪胎徑向變形輪胎徑向變形是車輛行駛過程中遇到路面不平度影響而使輪胎在半徑方向上產(chǎn)生的變形,定義為無負(fù)載時的輪胎半徑rt與負(fù)載時的輪胎半徑rtf之差,其表達(dá)式如下:其符號定義為正的輪胎徑向變形產(chǎn)生于負(fù)的(向上的)輪胎法向力Fz(圖3-2)。第二節(jié)輪胎的功能、結(jié)構(gòu)及發(fā)展輪胎的基本功能包括:1)支撐整車重量;2)與懸架元件共同作用,衰減由路面不平引起的振動與沖擊;3)傳遞縱向力,以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動和制動;4)傳遞側(cè)向力,以使車輛轉(zhuǎn)向并保

7、證行駛穩(wěn)定性。第二節(jié)輪胎的功能、結(jié)構(gòu)及發(fā)展為實(shí)現(xiàn)以上功能,任何一個充氣輪胎都必須具備以下基本結(jié)構(gòu):(1)胎體 具有高彈性模量的簾線層內(nèi)嵌于低彈性模量的橡膠中,構(gòu)成了輪胎的胎體,其結(jié)構(gòu)決定了輪胎的基本性能。簾線層通常由尼龍、織物、聚酯物、人造纖維或鋼絲等材料制成。對于無內(nèi)胎輪胎來說,則有一層低浸透性的內(nèi)襯置于胎體內(nèi)側(cè)并與其做成一體。(2)胎圈 為便于胎體從輪輞上裝卸,具有高彈性模量的卷邊胎圈包容并貼合于輪輞。胎圈內(nèi)含胎圈芯,由多股高強(qiáng)度鋼絲組成。胎圈需有一定剛度,以保證與輪輞緊密貼合。第二節(jié)輪胎的功能、結(jié)構(gòu)及發(fā)展(3)胎面包括胎冠、胎肩和胎側(cè)。胎冠承受摩擦和沖擊,保護(hù)胎體和內(nèi)胎;提供與路面的摩擦

8、接觸,以傳遞驅(qū)動力、制動力和轉(zhuǎn)向力;胎冠花紋能夠排水及排污,以保證在各種不同工作條件下行駛時,輪胎與路面具有良好的附著力。胎肩是較厚的胎冠和較薄的胎側(cè)的過渡部分,一般也制有花紋,以利于散熱。胎側(cè)用以保護(hù)簾布層側(cè)壁免受潮濕和機(jī)械損傷。常用的車用充氣輪胎有兩種,即斜交輪胎和子午線輪胎。二者在結(jié)構(gòu)上有明顯不同,主要區(qū)別在于胎體簾線角度的不同。所謂“簾線角”即為胎體簾線層的線與車輪中心線形成的夾角。子午線輪胎的簾線角通常為85第二節(jié)輪胎的功能、結(jié)構(gòu)及發(fā)展90,斜交輪胎的簾線角通常為2040。以某運(yùn)動型轎車無內(nèi)胎子午線輪胎為例,圖3-4給出了其具體結(jié)構(gòu)及各部分功能1。輪胎是一個典型的黏彈性結(jié)構(gòu),其材料組

9、成十分復(fù)雜,圖3-5說明了不同材料在輪胎胎面橡膠混合物中所占的質(zhì)量比例(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。實(shí)際上,橡膠混合物的材料構(gòu)成、胎面花紋以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是決定輪胎品質(zhì)的重要因素。輪胎的結(jié)構(gòu)特性很大程度上影響了輪胎的物理特性,包括前進(jìn)方向所受的滾動阻力、所能提供的垂向減振與緩沖作用,以及為車輛提供轉(zhuǎn)向的能力。因此,現(xiàn)代車輛設(shè)計(jì)中對第二節(jié)輪胎的功能、結(jié)構(gòu)及發(fā)展第二節(jié)輪胎的功能、結(jié)構(gòu)及發(fā)展輪胎的設(shè)計(jì)提出了很高的要求。以德國新倍力(Semperit)輪胎公司為例,簡要介紹現(xiàn)代輪胎研究所取得的進(jìn)展及輪胎產(chǎn)品需滿足的性能要求1。在1960年、1970年和1992年,新倍力公司制定的產(chǎn)品研發(fā)目標(biāo)如圖3-6所示。從圖中可以看

10、出,1960年的斜交輪胎具有非常好的舒適性,且制造方便、重量輕,但缺點(diǎn)是車輛動力學(xué)性能差,尤其在操縱穩(wěn)定性方面表現(xiàn)不佳,濕路面的附著性也很差。1970年的子午線輪胎,大部分的特性恰好與其相反。到了1992年的現(xiàn)代輪胎則兼顧了各種要求,并體現(xiàn)了最優(yōu)的折衷。同時,輪胎制造企業(yè)可提供不同的第二節(jié)輪胎的功能、結(jié)構(gòu)及發(fā)展系列產(chǎn)品以滿足不同用戶的要求,如可以選擇舒適型輪胎或運(yùn)動型輪胎等。在貨車輪胎研發(fā)中,經(jīng)濟(jì)性應(yīng)是優(yōu)先考慮的因素。減小輪胎滾動阻力系數(shù)對節(jié)省運(yùn)輸成本起重要作用。隨著近年來對汽車節(jié)能和經(jīng)濟(jì)性要求的提高,最新的發(fā)展已使輪胎滾動阻力系數(shù)(fR)降至0.005或更低,如德國大陸(Continenta

11、l)公司研制的低滾動阻力貨車輪胎等。第二節(jié)輪胎的功能、結(jié)構(gòu)及發(fā)展第三節(jié)輪胎模型輪胎模型描述了輪胎六分力與車輪運(yùn)動參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,即輪胎在特定工作條件下的輸入和輸出之間的關(guān)系,如圖3-7所示。根據(jù)車輛動力學(xué)研究內(nèi)容的不同,輪胎模型可分為:(1)輪胎縱滑模型主要用于預(yù)測車輛在驅(qū)動和制動工況時的縱向力。(2)輪胎側(cè)偏模型和側(cè)傾模型主要用于預(yù)測輪胎的側(cè)向力和回正力矩,評價轉(zhuǎn)向工況下低頻轉(zhuǎn)角輸入響應(yīng)。(3)輪胎垂向振動模型主要用于高頻垂向振動的評價,并考慮輪胎的包容特性(包括剛性濾波和彈性濾波特性)。第三節(jié)輪胎模型第三節(jié)輪胎模型第三節(jié)輪胎模型以上模型主要適用于純工況下對輪胎力學(xué)特性的研究,本章將在第

12、四、五、六節(jié)分別對輪胎縱向、垂向及側(cè)向力學(xué)特性給予介紹。在聯(lián)合工況下,如同時考慮縱滑和側(cè)偏時的輪胎力學(xué)特性模型,也稱為輪胎縱滑側(cè)偏特性模型,如圖3-8所示,將在第五節(jié)中一并給予介紹。此外,輪胎模型還可以分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃臀锢砟Ｐ?。前者根?jù)輪胎試驗(yàn)數(shù)據(jù),通過插值或函數(shù)擬合方法給出預(yù)測輪胎特性的公式;而后者則是根據(jù)輪胎與路面之間的相互作用機(jī)理和力學(xué)關(guān)系建立模型,旨在模擬力或力矩產(chǎn)生的機(jī)理和過程。第三節(jié)輪胎模型在物理模型中,輪胎通常被簡化成一系列理想化、具有給定的物理特性的徑向排列的彈性單元體。必要的話,還要給出這些彈性單元體在道路表面的滑動能力,以及由于相鄰單元體連結(jié)或包絡(luò)的胎面而引起的約束。典型的輪

13、胎物理模型3主要有:弦模型(stressed string model);梁模型(beam model);刷子模型(brush model);輻條模型(multi-spoke model)。其他有關(guān)物理模型將在后面相應(yīng)章節(jié)中予以說明,但不論是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦€是物理模型,其實(shí)都有其特定的應(yīng)用場合,其精度和復(fù)雜程度也不盡相同。此外,由于輪胎模型在車輛仿真的每次積分中可能被反復(fù)調(diào)用,因而在選用模型時要第三節(jié)輪胎模型同時考慮計(jì)算效率和計(jì)算精度。這里僅對幾種常用的輪胎模型給予介紹。(1)冪指數(shù)統(tǒng)一輪胎模型該模型屬于一種半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?由郭孔輝院士提出,用于預(yù)測輪胎的穩(wěn)態(tài)特性3。在理論分析和試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上提出的半經(jīng)

14、驗(yàn)“指數(shù)公式”輪胎模型,可用于輪胎的穩(wěn)態(tài)側(cè)偏、縱滑及縱滑側(cè)偏聯(lián)合工況。通過獲得有效的滑移率,該模型也可進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)工況下的輪胎縱向力、側(cè)向力及回正力矩的計(jì)算。在穩(wěn)態(tài)純縱滑、純側(cè)偏工況下,輪胎的縱向力、側(cè)向力及回正力矩分別表示如下。第三節(jié)輪胎模型第三節(jié)輪胎模型第三節(jié)輪胎模型上公式中出現(xiàn)的參數(shù)a1,a2,b1,b2,c1,c2,d1,d2均由輪胎試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合求得。冪指數(shù)統(tǒng)一輪胎模型的特點(diǎn)是:1)采用了無量綱表達(dá)式,其優(yōu)點(diǎn)在于由純工況下的一次臺架試驗(yàn)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可應(yīng)用于各種不同的路面。當(dāng)路面條件改變時,只要改變路面的附著特性參數(shù),代入無量綱表達(dá)式即可得到該路面下的輪胎特性。2)無論是純工況還是聯(lián)合工

15、況,其表達(dá)式是統(tǒng)一的。3)可表達(dá)各種垂向載荷下的輪胎特性。4)保證了可用較少的模型參數(shù)實(shí)現(xiàn)全域范圍內(nèi)的計(jì)算精度,參數(shù)擬合方便,計(jì)算量小。在聯(lián)合工況下,其優(yōu)勢更加明顯。第三節(jié)輪胎模型5)能擬合原點(diǎn)剛度。(2)“魔術(shù)公式”輪胎模型“魔術(shù)公式”輪胎模型 (Magic Formula Tire Model)由Pacejka教授提出4,它以三角函數(shù)組合的形式來擬合輪胎試驗(yàn)數(shù)據(jù),得出了一套形式相同并可同時表達(dá)縱向力、側(cè)向力和回正力矩的輪胎模型,故稱為“魔術(shù)公式”。其形式如下:式中,y可以是縱向力、側(cè)向力或回正力矩,而自變量x可以在不同的情況下分別表示輪胎側(cè)偏角或縱向滑移率。第三節(jié)輪胎模型“魔術(shù)公式”中的系

16、數(shù)由圖3-9說明,圖中所示的曲線可以是縱向力、側(cè)向力或回正力矩關(guān)系曲線。其中,D=yp,為曲線峰值(C1時);C為曲線形狀系數(shù),由于它控制了“魔術(shù)公式”中正弦函數(shù)的范圍,因此決定了所得曲線的形狀,其值可由曲線峰值yp以及穩(wěn)態(tài)值ys決定,即C=11-2arcsin(ys/D)/;系數(shù)B、C、D的乘積對應(yīng)于原點(diǎn)(x=y=0)處的斜率,即BCD=tan;當(dāng)C和D確定后,即可由與tan的關(guān)系式求出B,即B=tan/(CD),因此B也稱為剛度系數(shù);系數(shù)E用來控制曲線峰值處的曲率,可以表示為E=Bxp-tan/(2C)/Bxp-arctan(Bxp)。第三節(jié)輪胎模型第三節(jié)輪胎模型“魔術(shù)公式”輪胎模型的特點(diǎn)

17、是:1)用一套公式可以表達(dá)出輪胎的各向力學(xué)特性,統(tǒng)一性強(qiáng),編程方便,需擬合參數(shù)較少,且各個參數(shù)都有明確的物理意義,容易確定其初值。2)無論對側(cè)向力、縱向力還是回正力矩,擬合精度都比較高。3)由于“魔術(shù)公式”為非線性函數(shù),參數(shù)的擬合較困難,有些參數(shù)與垂直載荷的關(guān)系也是非線性的,因此計(jì)算量較大。4)C值的變化對擬合的誤差影響較大。5)不能很好地擬合極小側(cè)偏情況下輪胎的側(cè)偏特性。第三節(jié)輪胎模型現(xiàn)在,越來越多的輪胎制造商以“魔術(shù)公式”系數(shù)的形式為整車廠提供輪胎數(shù)據(jù),而不再以表格或圖形提供數(shù)據(jù)。因此,在某些數(shù)據(jù)丟失或不可靠時,以同類相近輪胎測得的系數(shù)替代,也可取到很好的效果。根據(jù)實(shí)測的輪胎數(shù)據(jù),通過曲線

18、擬合算法可以優(yōu)化公式中的那些系數(shù),一旦求得這些系數(shù),利用“魔術(shù)公式”就可準(zhǔn)確地進(jìn)行輪胎性能預(yù)測,甚至對于極限值以外的一定范圍也有較好的置信度。(3)SWIFT輪胎模型SWIFT(Short Wavelength Intermediate Frequency Tire)輪胎模型是由荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)提出的5, 6,它由剛性圈理論和“魔術(shù)公式”綜合而成,在考慮側(cè)向力和回正力矩時,采用了魔術(shù)第三節(jié)輪胎模型公式;在考慮縱向力和垂直力時,采用了剛性圈理論,其基本結(jié)構(gòu)如圖3-10所示。該模型適用于短波長、大滑移幅度下的中頻(一般大于58Hz,但最高頻率不超過60Hz)范圍輸入情況。由于它采用了胎體建模

19、與接地區(qū)域分離的建模方法,從而可精確地描述小波長、大滑移時的輪胎特性,因而可計(jì)算從瞬態(tài)到穩(wěn)態(tài)連續(xù)變化的輪胎動力學(xué)行為,并且模型也考慮到了在不同路面條件下行駛的情況。通過對模型的進(jìn)一步細(xì)化,還可用來描述車輪外傾以及轉(zhuǎn)彎縱滑聯(lián)合工況下的輪胎特性。第三節(jié)輪胎模型第三節(jié)輪胎模型SWIFT輪胎模型結(jié)構(gòu)有以下幾方面的特點(diǎn):1)為了合理描述輪胎動力學(xué)特性,考慮了胎體的慣量,并假設(shè)在高頻范圍內(nèi)帶束層為一個剛性圈。2)在接地區(qū)域和剛性圈之間引入了所謂的“殘余剛度”,在垂向、縱向、側(cè)向以及側(cè)偏方向的剛度值分別等于各個方向輪胎的靜態(tài)剛度。而輪胎模型的柔性考慮了胎體柔性、殘余柔性(實(shí)際上為胎體柔性的一部分)以及胎面柔

20、性。3)接地印跡有效長度和寬度的影響均給予考慮。第三節(jié)輪胎模型4)通過有效的路面不平度、路面坡度和具有包容特性的輪胎等效滾動半徑來描述路面特性,可實(shí)現(xiàn)輪胎在任意三維不平路面的仿真,并能保證輪胎動態(tài)滑移和振動工況下的仿真精度。第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性滾動車輪產(chǎn)生的所有阻力被定義為車輪滾動阻力,主要包括輪胎滾動阻力分量、道路阻力分量和輪胎側(cè)偏阻力分量。其中,輪胎側(cè)偏阻力分量是由輪胎的側(cè)向載荷使輪胎側(cè)偏而產(chǎn)生的縱向附加輪胎阻力。而由不平路面、塑性路面和濕路面等道路情況引起的附加阻力稱為道路阻力分量。此外,除了由軸承摩擦和輪胎與地面相對滑動造成的摩擦阻力外,胎內(nèi)氣流流動以及轉(zhuǎn)動的輪胎對外部空氣造成的風(fēng)扇

21、效應(yīng)都會引起輪胎的滾動阻力,但均為次要影響因素,因此通常將它們隱含于車輪阻力中,并不單獨(dú)列出。第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性本節(jié)首先介紹在干、硬路面上直線行駛的輪胎滾動阻力及其產(chǎn)生機(jī)理;然后,對其主要影響因素,即道路條件和輪胎側(cè)偏引起的附加阻力分別進(jìn)行討論;最后,根據(jù)縱向動力學(xué)研究的要求,介紹輪胎縱向力與車輪滑動率的關(guān)系,并試圖通過輪胎模型對其產(chǎn)生機(jī)理和物理過程給予理論上的解釋。第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力當(dāng)充氣輪胎在理想路面(通常指平坦的干、硬路面)上直線滾動時,其外緣中心對稱面與車輪滾動方向一致,所受到的與滾動方向相反的阻力即為本節(jié)中介紹的輪胎滾動阻力。根據(jù)作用機(jī)理不同,輪胎滾動阻力還可

22、以進(jìn)一步分解為彈性遲滯阻力、摩擦阻力和風(fēng)扇效應(yīng)阻力1,分別介紹如下。1.彈性遲滯阻力胎體變形所引起的輪胎材料遲滯作用是造成輪胎滾動阻力的主要原因。實(shí)際中充氣輪胎在靜態(tài)壓縮作用下會產(chǎn)生變形并回彈,且由于其內(nèi)部的摩擦作用而引起能量損失。當(dāng)車輪在力或力矩作用下滾動時,對輪胎胎面上的每一單元第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力1.彈性遲滯阻力而言,其壓縮與回彈的過程將重復(fù)不斷地進(jìn)行。對這樣一個過程,可用圖3-11所示的輪胎等效系統(tǒng)模型來解釋。在輪胎等效系統(tǒng)模型中,假定車輪的外圓周與輪輞之間由一些徑向布置的彈簧和阻尼單元支撐;此外,輪胎胎面也假定由一系列切向排列的彈簧和阻尼單元構(gòu)成。當(dāng)這些單元進(jìn)入輪胎

23、與路面接觸印跡時,其彈簧和阻尼就能充分作用,并生成附加的摩擦效應(yīng),稱為彈性遲滯阻力。輪胎胎面的阻尼特性對路面附著力也有影響,選用低阻尼的胎面材料會減少附著摩擦力。第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力1.彈性遲滯阻力第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力1.彈性遲滯阻力當(dāng)輪胎等效系統(tǒng)模型滾動時,相應(yīng)的“彈簧-阻尼單元”便開始做功,并將其轉(zhuǎn)化為熱,所產(chǎn)生的彈性遲滯阻力等于消耗的能量與行駛距離之比。對采用同一簾布材料的輪胎而言,通常簾布層數(shù)量越多,輪胎的阻尼就越高,原因是相鄰簾布層間的相對運(yùn)動將產(chǎn)生阻尼功。子午線輪胎可以通過選擇適當(dāng)?shù)膸鴮觼砑訌?qiáng)輪胎胎面,而斜交輪胎則必須在整個胎體內(nèi)(包括承載的胎

24、側(cè))加固或增加簾布層來實(shí)現(xiàn)。這也解釋了斜交輪胎剛度較大,其內(nèi)摩擦和阻尼隨之增加,從而引起彈性遲滯阻力增加的原因。第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力1.彈性遲滯阻力在輪胎接觸印跡外形成所謂的“駐波”(deformationwave或standing wave)的過程,如圖3-12所示。通常,輪胎的阻尼隨車輪轉(zhuǎn)速的增加而減小。駐波的形成是由于高速情況下,離開接觸區(qū)域的胎面變形不能立即恢復(fù),這個殘留形變導(dǎo)致了駐波的產(chǎn)生。駐波的形成過程最終決定了阻尼的減小對輪胎彈性遲滯阻力的影響,而這一過程又取決于車速。駐波的形成會顯著增加能量損失,從而產(chǎn)生大量的熱,最終使輪胎破壞,因而也就限制了輪胎的最高安全第

25、四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力1.彈性遲滯阻力行駛速度。某輪胎試驗(yàn)結(jié)果表明,其彈性遲滯阻力隨車速的增加開始緩慢地呈線性增加;當(dāng)車速增至約35m/s后,呈急劇上升的趨勢。需強(qiáng)調(diào)說明的是,彈性遲滯阻力是輪胎滾動阻力中最重要的部分。第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力1.彈性遲滯阻力第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力3.風(fēng)扇效應(yīng)阻力像風(fēng)扇一樣,輪胎的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動會導(dǎo)致氣流損失,但可將其看成是對整個車輛氣流影響的一部分。因此,通常將風(fēng)扇效應(yīng)阻力加到總的車輛空氣阻力中,對此將在后面章節(jié)中加以介紹。4.滾動阻力系數(shù)綜上所述,車輪在干、硬的平路面上直線行駛,其滾動阻力FR主要包括彈性遲滯阻力FR,彈

26、性遲滯、摩擦阻力FR,摩擦和風(fēng)扇阻力FR,風(fēng)扇三部分,即:第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力4.滾動阻力系數(shù)FR=FR,彈性遲滯+FR,摩擦+FR,風(fēng)扇(3-9)試驗(yàn)表明,在128152km/h速度范圍內(nèi),90%95%輪胎的破壞是由內(nèi)部彈性遲滯作用引起的,而2%10%則歸咎于輪胎與地面的摩擦,僅有1.5%3.5%歸咎于空氣阻力2。因此,輪胎在硬路面上的滾動阻力主要由胎體變形所引起的輪胎材料遲滯作用形成。實(shí)際上,式(3-9)表達(dá)的各個分量(如彈性遲滯分量與摩擦分量)均無法單獨(dú)分開測量,因此有用的還是綜合表達(dá)式。第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力4.滾動阻力系數(shù)圖3-13給出了某貨車子午線

27、輪胎在不同載荷下滾動阻力的變化情況,清楚地說明了輪胎載荷與滾動阻力的關(guān)系。由圖看出,輪胎滾動阻力和車輪載荷近似成線性關(guān)系。因此,可定義一個無量綱的輪胎滾動阻力系數(shù)fR,其值等于相應(yīng)載荷作用下滾動阻力FR與車輪垂直載荷Fz,w的比值,即:第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力4.滾動阻力系數(shù)第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力4.滾動阻力系數(shù)事實(shí)上,在輪胎接地印跡內(nèi),輪胎壓力在縱向和橫向均呈不對稱分布,對典型的斜交輪胎和子午線輪胎的實(shí)際測量結(jié)果如圖3-14所示1。若僅考慮車輪中心面的縱向壓力分布,圖3-14所示的三維壓力分布情況可簡化為圖3-15所示的二維表達(dá)形式,這樣更容易理解在車輛縱向動力

28、學(xué)意義上的車輪受力情況。分別作用于車身、車輪和路面上的力與力矩如圖3-16所示。這里以非驅(qū)動輪為例,若將輪胎接地印跡內(nèi)的垂向分力求和,就可得到車輪載荷的反作用力FRW。由于接地印跡第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力4.滾動阻力系數(shù)第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力4.滾動阻力系數(shù)第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力4.滾動阻力系數(shù)內(nèi)壓力分布的不對稱性,其作用點(diǎn)位于軸心前方。若定義該偏心距為eR,則由此產(chǎn)生與車輪轉(zhuǎn)動方向相反的力矩,即:由此可見,要克服滾動阻力就需要一個作用于輪軸的水平推力,它與車輪滾動半徑rd的乘積所表示的力矩對應(yīng)于式(3-11),即:第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾

29、動阻力4.滾動阻力系數(shù)結(jié)合式(3-11)和式(3-12),可以簡單地估計(jì)輪胎的滾動阻力系數(shù),即:通常,在車輛性能基本計(jì)算中,大多假定輪胎滾動阻力是與車輪載荷和行駛速度無關(guān)的常量。當(dāng)需要更細(xì)致地考慮與載荷的關(guān)系時,滾動阻力通常隨車輪載荷的增加而增加(圖3-13),而滾動阻力系數(shù)則隨車輪載荷的增加而減小。第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力4.滾動阻力系數(shù)圖3-17所示的某貨車子午線輪胎滾動阻力系數(shù)曲線更清楚地說明了這一點(diǎn)。同時,圖3-17也說明了輪胎壓力對滾動阻力系數(shù)的影響。隨著胎壓的升高,滾動阻力系數(shù)降低。由于胎壓的增加使輪胎剛度增大,因而在車輪載荷不變的情況下,輪胎變形相應(yīng)減小,進(jìn)而使彈性

30、變形能減小。同時,由于接地印跡長度的減小,輪胎的摩擦阻力分量也相應(yīng)降低。車速對滾動阻力系數(shù)的影響如圖3-18所示。隨著車速的增加,滾動阻力系數(shù)起初只是稍有增加,隨后逐漸隨著車速第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力4.滾動阻力系數(shù)第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力4.滾動阻力系數(shù)第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力4.滾動阻力系數(shù)呈顯著增加趨勢,其原因是駐波的形成對彈性遲滯阻力產(chǎn)生影響,而這一影響隨著車速的增加而更加顯著。對于高速H型輪胎(時速可高達(dá)210km/h)和超高速V型輪胎(時速可高達(dá)240km/h)而言,輪胎剛度的增加削弱了駐波的影響,因而其滾動阻力將會在更高車速下才開始顯著增

31、加,且變化趨勢更為平緩?？傮w來說,除了車速、車輪載荷和輪胎壓力等外部因素的影響外,輪胎滾動阻力顯然還取決于輪胎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、嵌入材料和橡膠混合物的選用。與斜交輪胎相比,子午線第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力4.滾動阻力系數(shù)輪胎的滾動阻力通常較小。另外,輪胎胎面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對滾動阻力也有一定影響。較淺的胎面花紋和設(shè)計(jì)良好的胎面輪廓可使?jié)L動阻力減小。但是,隨著車速的增加,胎面花紋對滾動阻力的影響相應(yīng)下降。當(dāng)考慮材料、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)對輪胎滾動阻力的影響時,必須正確認(rèn)識輪胎的能量損失與“輪胎-車輛”系統(tǒng)的整體特性之間的關(guān)系。雖然期望滾動阻力越小越好,但也必第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力5.滾

32、動阻力系數(shù)的測量上面介紹了輪胎滾動阻力的各個分量,包括彈性遲滯阻力、摩擦阻力和風(fēng)扇效應(yīng)阻力。有一點(diǎn)可以肯定,滾動阻力中最大的分量是彈性遲滯阻力。實(shí)際上,分別精確地測量上述各項(xiàng)是困難的,通常的做法是測量總的滾動阻力系數(shù)7。一般可采用兩種不同的方法測量輪胎的總滾動阻力,即整車道路測試和室內(nèi)臺架測試。整車道路測試的優(yōu)點(diǎn)是:道路狀況和基本條件是真實(shí)的,但由于輪胎重復(fù)試驗(yàn)所必要的外部環(huán)境,如天氣、道路及交通條件等外在因素的干擾和不定性,測試中很難保證設(shè)定的試驗(yàn)參數(shù)。而以上問題第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力5.滾動阻力系數(shù)的測量在室內(nèi)固定輪胎試驗(yàn)臺測試中可以避免。在室內(nèi)試驗(yàn)條件下,將裝有試驗(yàn)輪胎的

33、車輪放在可移動的滾動表面上,試驗(yàn)數(shù)據(jù)可由車輪固定裝置(如連接桿系和輪輞)上的力傳感器獲得。根據(jù)滾動面情況的不同,輪胎試驗(yàn)臺基本上可分為三種類型(表3-2):外支撐試驗(yàn)臺;內(nèi)支撐試驗(yàn)臺;平板試驗(yàn)臺。最常用的是外支撐試驗(yàn)臺。它的優(yōu)點(diǎn)是成本相對較低,承載能力高,且結(jié)構(gòu)緊湊,車輪周圍留有較大的空間,不但能第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力5.滾動阻力系數(shù)的測量第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力5.滾動阻力系數(shù)的測量容納各種不同的車輪導(dǎo)向元件,以保證車輪定位,而且便于車輪的安裝。但由于離心力的作用,很難在外轉(zhuǎn)鼓上設(shè)置不同的道路條件。因此,路面試驗(yàn)條件不能得到充分保證。對內(nèi)支撐試驗(yàn)臺而言,離心力的

34、作用可使車輪胎面很容易地固定于試驗(yàn)臺面。因此,內(nèi)支撐試驗(yàn)臺特別適合于進(jìn)行不同類型路面的試驗(yàn),例如確定輪胎濕胎面的滾動特性。然而,車輪上的有限空間不利于車輪的安裝和控制。由于弧形支撐面的影響,所有的內(nèi)支撐試驗(yàn)臺基本上都存在測量誤差。與實(shí)際路面相比,在車輪載荷相同的情況下,內(nèi)第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力5.滾動阻力系數(shù)的測量支撐試驗(yàn)臺使輪胎接觸印跡和變形量增大,從而摩擦阻力和彈性遲滯阻力也相應(yīng)增加。如果滾動卷筒半徑與車輪半徑相比較大,其測量誤差就可控制在較小范圍內(nèi)。必要時可引入校正因子,以保證其測量結(jié)果與平面測量結(jié)果相吻合。平板試驗(yàn)臺在最大程度上保證了輪胎的滾動表面為平面,為車輪控制和車

35、輪運(yùn)動提供了寬闊的空間,同時也方便了輪胎的安裝。通過變換不同滾板,可在一定條件下實(shí)現(xiàn)道路條件的改變,同樣也適用于濕道路條件,但由于支撐面第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力5.滾動阻力系數(shù)的測量振動可能會產(chǎn)生測量誤差。為解決滾板的導(dǎo)向問題,需要的技術(shù)成本較高,另外,滾板的磨損也增加了運(yùn)行成本。實(shí)際上,測試條件影響著與車速有關(guān)的滾動阻力系數(shù)特性曲線,常采用的測試方法主要有以下兩種:1)將靜止的或勻速滾動的輪胎設(shè)置為額定胎壓,隨后,在無氣壓控制的條件下測量每一點(diǎn)的滾動阻力。由于輪胎的彈性遲滯能量,輪胎內(nèi)氣溫升高,從而氣壓增加。2)整個運(yùn)行過程中控制輪胎內(nèi)部壓力,并始終調(diào)整到額定壓力。第四節(jié)輪胎縱

36、向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力5.滾動阻力系數(shù)的測量第二種方法消除了不斷變化的參數(shù)對輪胎壓力的影響,而第一種方法則更接近實(shí)際輪胎運(yùn)行工況。這其中并沒有考慮諸如冷卻氣流等其他因素的影響。以兩種不同型號的貨車輪胎為例,圖3-19比較了兩種測量方法的測試結(jié)果。無胎壓控制的滾動阻力系數(shù)基本上低于有胎壓控制的滾動阻力系數(shù),原因是輪胎內(nèi)部壓力的增加導(dǎo)致了滾動阻力的降低。第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性一、輪胎滾動阻力5.滾動阻力系數(shù)的測量第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性二、道路阻力以上介紹了車輪在干、硬的平坦路面上的滾動阻力。實(shí)際上,不平路面、塑性路面和濕路面均可使輪胎滾動阻力增加,這樣的道路條件引起的輪胎滾動阻力增加的部分稱為

37、“道路阻力分量”。1.不平路面車輛行駛過程中,路面的微小不平度激勵可由輪胎緩沖和吸收。此外,通過懸架彈簧和減振器,整個車輪總成相對車身上下跳動。此時,輪胎和懸架減振器一樣,其中的動能也被轉(zhuǎn)化為熱量。這說明當(dāng)車輪做彈跳運(yùn)動時,彈性單元恢復(fù)變形過程中釋放的能量比壓縮過程所做的功少,其減小第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性二、道路阻力1.不平路面的量相當(dāng)于阻尼功的大小。下面以圖3-20所示的剛性車輪來說明。由于能量的釋放,圖示等效系統(tǒng)中彈簧力所做的功對滾動阻力沒有影響。但阻尼器在相應(yīng)的不平路段(x距離之內(nèi))所做的功W使車輪滾動阻力增加了一附加分量,定義為不平路面滾動阻力分量FR,不平,其大小為:第四節(jié)輪胎縱向力

38、學(xué)特性二、道路阻力1.不平路面第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性二、道路阻力2.塑性路面車輪在硬路面(如瀝青路面)或微彈性路面(如混凝土路面)上滾動時,路面在正常載荷作用下不會產(chǎn)生永久變形。然而,在土路、砂路、草地或雪路等情況下,當(dāng)承載車輪滾過后,將使路面產(chǎn)生清晰可見的車轍。將由路面塑性變形引起的附加車輪阻力定義為塑性路面阻力,記為FR,塑性,它主要由以下三部分阻力組成:(1)壓實(shí)阻力根據(jù)路基種類的不同,承載車輪在塑性路面滾過的底層土壤變形只在很小的范圍內(nèi)可產(chǎn)生彈性恢復(fù),滾過之后會有車轍留下,如圖3-21a所示。第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性二、道路阻力2.塑性路面第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性二、道路阻力2.塑性路面(

39、2)推土阻力當(dāng)車輪滾過松軟的底層土壤時,大量的土壤開始先被擠到輪胎前部,直至被壓實(shí)或擠到側(cè)面。由這些路面物質(zhì)的縱向和側(cè)向運(yùn)動,造成的附加輪胎滾動阻力,可用推土阻力來表示,如圖3-21b所示。(3)剪切阻力此外,還有更微小的阻力分量,即胎面花紋溝槽剪切阻力,由輪胎側(cè)壁和路面物質(zhì)之間的摩擦產(chǎn)生,如圖3-21c所示。與硬路面上的輪胎滾動阻力相反,塑性路面上的附加阻力隨著胎壓的增加而增大。這是由于輪胎內(nèi)部壓力的增加使輪胎接地印跡減小,并使輪胎在路面中的第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性二、道路阻力2.塑性路面沉陷量加大,如圖3-22所示?？傊?塑性路面上的輪胎滾動阻力由壓實(shí)阻力、推土阻力、剪切阻力和硬路面上的滾動

40、阻力之和構(gòu)成,即:由上式可見,推導(dǎo)出的輪胎滾動阻力系數(shù)與道路條件有關(guān),但通常仍將總的阻力系數(shù)簡稱為滾動阻力系數(shù)。只是這里的滾動阻力系數(shù)包含雙重含義,即它還包括了附加的塑性路面阻力系數(shù)?？紤]上述影響,表3-3列出了不同道路條件下的滾動阻力系數(shù)1。第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性二、道路阻力2.塑性路面第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性二、道路阻力2.塑性路面第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性二、道路阻力3.濕路面為了使?jié)L動的輪胎胎面與濕路面接觸,輪胎必須穿透水層。在縱向上,胎面和水層之間的涉水區(qū)可分為三部分:水膜區(qū)、過渡區(qū)和直接接觸區(qū),如圖3-23所示。在水膜區(qū),滾動的輪胎胎面實(shí)際上沒有接觸路面,大部分水被排走;在過渡區(qū),輪胎胎

41、面部分接觸地面,且輪胎已產(chǎn)生變形;在直接接觸區(qū),滾動的輪胎胎面和路面直接接觸,只有少量的水從輪胎花紋間擠出,是胎面與路面的實(shí)際接觸區(qū)域。在涉水區(qū)內(nèi),為了消除水的干擾,必須克服所謂的“擾流阻力”(baffle resistance)。試驗(yàn)表明,擾流阻力主要取決于第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性二、道路阻力3.濕路面第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性二、道路阻力3.濕路面單位時間內(nèi)排開水的體積,而輪胎設(shè)計(jì)、空氣壓力或輪胎載荷對擾流阻力幾乎沒有多大的影響。單位時間內(nèi)的排水體積則由積水深度h、輪胎寬度Wt和車輪滾動速度所決定。擾流阻力FR,擾流可通過以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲得:式中,FR,擾流為擾流阻力,單位為N;Wt為輪胎寬度

42、,單位為cm;uw為車輪前進(jìn)速度,單位為km/h;N、E為擾流阻力系數(shù),其數(shù)值取決于積水深度,它們與積水深度的關(guān)系曲線如第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性二、道路阻力3.濕路面圖3-24所示。在不同積水深度下,將式(3-18)計(jì)算出的擾流阻力與車輪滾動速度的關(guān)系與實(shí)際測量結(jié)果進(jìn)行了比較,如圖3-25所示。由圖可以看出:斜交輪胎和子午線輪胎的測量值差別不大。圖3-26給出了兩個不同胎面結(jié)構(gòu)的輪胎在某濕路面上行駛的胎面接地觸水情況1。其中:a)具有良好胎面結(jié)構(gòu)的輪胎在車輛行駛速度為80km/h時胎紋完整,接水印跡長度約為12mm, 而干接觸印跡長度約為68mm;b)對同一輪胎,當(dāng)車速提高至150km/h時,

43、接水印跡長度已達(dá)到第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性二、道路阻力3.濕路面第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性二、道路阻力3.濕路面第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性二、道路阻力3.濕路面第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性二、道路阻力3.濕路面18mm,但印跡仍基本完整;c)對一個胎面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不好的輪胎,當(dāng)車速為80km/h時,由于車輪和路面間已存在一封閉的水層,故此胎面已無清晰的輪廓。考慮以上介紹的擾流阻力,再加上干路面行駛的滾動阻力,就得到了濕路面上的輪胎滾動阻力,即:第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性三、輪胎側(cè)偏阻力前面討論的輪胎滾動阻力是基于車輪前進(jìn)方向垂直于車軸,且車軸平行于路面的假設(shè)條件。然而,側(cè)向載荷和車輪定位情況都會改變以上假設(shè)條件,下面

44、就不同情況分別討論。1.側(cè)向載荷的影響當(dāng)受到側(cè)風(fēng)或在坡度路面上滾動時,特別是在轉(zhuǎn)彎工況時,車輪將在側(cè)向載荷作用下滾動,這時車輪的運(yùn)動方向與其回轉(zhuǎn)平面將產(chǎn)生一個側(cè)偏角,記為。圖3-27所示的俯視圖說明了轉(zhuǎn)彎過程中車輪的受力情況,其中車輪所受離心力FC垂直于運(yùn)動方向,輪胎側(cè)向力Fy垂直于車輪平面,車輪第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性三、輪胎側(cè)偏阻力1.側(cè)向載荷的影響第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性三、輪胎側(cè)偏阻力1.側(cè)向載荷的影響滾動阻力沿車輪平面方向。因此,有側(cè)偏時的車輪滾動阻力FR,側(cè)偏包括側(cè)向力Fy和無側(cè)偏時的滾動阻力FR在車輪運(yùn)動方向的分量之和,即:FR,側(cè)偏=FRcos+Fysin(3-20)為了更直觀地看

45、出側(cè)偏角的附加影響,上式可改寫為:FR,側(cè)偏=FR-FR(1-cos)+Fysin(3-21)式(3-21)右邊的后兩項(xiàng)代表了由輪胎側(cè)偏角而引起的第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性三、輪胎側(cè)偏阻力1.側(cè)向載荷的影響附加滾動阻力項(xiàng),因而相應(yīng)于某一特定車輪載荷,即可獲得由側(cè)偏角引起的附加滾動阻力系數(shù),即:第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性三、輪胎側(cè)偏阻力1.側(cè)向載荷的影響輪胎側(cè)偏角與側(cè)偏滾動阻力系數(shù)的關(guān)系如圖3-28所示。通過與表3-3中不同路面下車輪無側(cè)偏時滾動阻力系數(shù)值比較可見,當(dāng)側(cè)偏角小于2時,輪胎的滾動阻力系數(shù)與直線工況下的數(shù)值相差不大(階數(shù)相同);而當(dāng)側(cè)偏角超過2時,滾動阻力系數(shù)將成倍地增長。第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)

46、特性三、輪胎側(cè)偏阻力1.側(cè)向載荷的影響第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性三、輪胎側(cè)偏阻力2.車輪定位的影響為了保證車輛良好的操縱穩(wěn)定性,一般要求轉(zhuǎn)向車輪有一定的前束角或外傾角。與前面提到的輪胎側(cè)偏角相似,車輪的前束和外傾都將使輪胎滾動阻力增加,下面分別進(jìn)行介紹。(1)車輪前束角車輪前束角t是車輪中心平面水平軸線與車輛行駛方向之間的夾角。對每一車輪而言,即使車輛無外部側(cè)向載荷作用,車輪前束也可使每一轉(zhuǎn)向車輪產(chǎn)生側(cè)偏角,從而產(chǎn)生與運(yùn)動方向相反的附加滾動阻力,其原理如圖3-29所示。第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性三、輪胎側(cè)偏阻力2.車輪定位的影響第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性三、輪胎側(cè)偏阻力2.車輪定位的影響同樣,與側(cè)偏角的分

47、析方法相似,可得到由車輪前束角產(chǎn)生的附加滾動阻力為:FR,前束=Fysint=fR,前束Fz,w(3-26)若計(jì)算同一車軸上的兩個車輪附加前束阻力,則需將上式的計(jì)算結(jié)果乘兩倍。(2)車輪外傾角車輪中心平面與路面垂線的夾角稱為車輪外傾角,如圖3-30所示。由于車輪外傾角的存在,使輪胎在滾動過程中不垂直于地面,此時胎面滾動區(qū)域?qū)⑹懿粩嘧兓妮d荷變用,并且胎壁也會產(chǎn)生變形。因此,輪胎的第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性三、輪胎側(cè)偏阻力2.車輪定位的影響滾動阻力會稍有增加,由此引起的附加滾動阻力分量記為FR,外傾。第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性四、總的車輪滾動阻力綜上所述,總的車輪滾動阻力可通過對以上各部分阻力求和來計(jì)算

48、:FR=FR+FR,不平+FR,塑性+FR,擾流+FR,側(cè)偏+FR,前束+FR,外傾 (3-27)其中FR=FR,彈性遲滯+FR,摩擦+FR,風(fēng)扇(3-28)由于輪胎的設(shè)計(jì)參數(shù)和使用參數(shù)與滾動阻力之間的關(guān)系極其復(fù)雜,幾乎不可能找出預(yù)測其滾動阻力的理論方法。不同行駛條件下,車輪滾動阻力的確定仍主要依賴于試驗(yàn)。第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性四、總的車輪滾動阻力通過試驗(yàn),提出了許多經(jīng)驗(yàn)公式用于計(jì)算在硬路面上的車輪滾動阻力。當(dāng)車輛在普通干路面上直線行駛時,對最基本的車輪阻力計(jì)算而言,一般可認(rèn)為車輪阻力就是輪胎滾動阻力,即FRFR=fRFz,w(3-29)第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系當(dāng)驅(qū)動

49、力矩施加于充氣輪胎時,在輪胎與路面接觸印跡處會產(chǎn)生驅(qū)動力,與此同時,輪胎胎面在接地印跡內(nèi)及其前端受到壓縮,從而使輪胎產(chǎn)生縱向滑轉(zhuǎn),并在輪胎胎壁產(chǎn)生相應(yīng)的剪切變形。剛開始施加驅(qū)動力矩時,輪胎開始轉(zhuǎn)動卻并不向前移動,此時rduw,車輪滑轉(zhuǎn)。當(dāng)輪胎以一定的角速度轉(zhuǎn)動而輪心的平移速度為零時(如驅(qū)動輪在冰面高速旋轉(zhuǎn)打滑時的情況),輪胎縱向滑轉(zhuǎn)率為1。輪胎驅(qū)動力系數(shù)(定義為驅(qū)動力Fx與法向力Fz之比)與滑轉(zhuǎn)率s的關(guān)系如圖3-31所示9。第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系由圖可見,一般情況下,因?yàn)檩喬コ跏嫉幕D(zhuǎn)主要由胎面的彈性形變引起,所以一開始車輪力矩與驅(qū)動力隨著滑轉(zhuǎn)率呈線性關(guān)系增加,即圖

50、中對應(yīng)的曲線OA段。當(dāng)車輪力矩和第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系驅(qū)動力進(jìn)一步增加而導(dǎo)致部分輪胎胎面在地面上滑轉(zhuǎn)時,驅(qū)動力和滑轉(zhuǎn)率呈非線性的關(guān)系,對應(yīng)于圖中曲線的AB段。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,充氣輪胎在硬路面上,其滑轉(zhuǎn)率通常在15%20%附近時驅(qū)動力達(dá)到最大值。當(dāng)滑轉(zhuǎn)率進(jìn)一步增加時,會導(dǎo)致輪胎進(jìn)入不穩(wěn)定工況。驅(qū)動力系數(shù)從峰值p很快下降到純滑轉(zhuǎn)(即s=1)時的飽和滑轉(zhuǎn)率值s。同樣,在制動力矩的作用下,定義制動力系數(shù)b為制動力Fbx與輪胎法向載荷Fz的比值。與先前介紹的驅(qū)動力系數(shù)和滑轉(zhuǎn)率的關(guān)系類似,圖3-32以某轎車斜交輪胎為例,給出了不同道路條件下制動力系數(shù)b與車輪滑移率sb的關(guān)系10。

51、第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系由圖可見,當(dāng)車輛制動時,縱向制動力同樣隨滑移率的提高而迅速增加,而且很快就能達(dá)到最大值。然后,隨著滑移率的增加,輪胎制動力開始逐漸下降或呈平穩(wěn)趨勢,直到純滑移(即車輪抱死、車輪角速度為零的情況,此時sb=1)而達(dá)到飽和狀態(tài)。這里,給出當(dāng)車速為64km/h時,不同類型及不同胎壓的轎車輪胎在干強(qiáng)化瀝青路面上的附著系數(shù)峰值p及飽和滑動值s的試驗(yàn)結(jié)果,如圖3-3311所示。可以看出,在良好路面的附著系數(shù)并不隨輪胎結(jié)構(gòu)及充氣壓力的不同而顯著變化。第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系第四節(jié)輪胎

52、縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系表3-412給出了某貨車輪胎在64km/h的速度時,不同道路條件下道路附著系數(shù)的峰值p和滑動值s?？梢钥闯?對于干混凝土路面上的貨車輪胎,其峰值p與滑動值s的比值約為1.4;對于濕路面,其比值約為1.15。由于路面附著系數(shù)峰值p與滑動值s可能存在顯著差別,因此應(yīng)盡量避免車輪制動時抱死(即滑移率sb為1)或車輪加速時打滑(即滑轉(zhuǎn)率s為1),這就是制動防抱死系統(tǒng)和驅(qū)動力控制系統(tǒng)的重要理論根據(jù)之一。相對而言,車輛行駛速度和輪胎載荷對驅(qū)動(制動)力系數(shù)與車輪滑轉(zhuǎn)(滑移)率關(guān)系的影響最為顯著13。圖3-34給第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系第四節(jié)

53、輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系出了某貨車斜交輪胎在干瀝青路面上不同行駛速度下的制動力系數(shù)b與滑移率sb的關(guān)系曲線。而子午線輪胎也表現(xiàn)了相似的關(guān)系特性。由于車速對-s曲線影響顯著,為了更準(zhǔn)確地預(yù)測驅(qū)動(制動)力與滑轉(zhuǎn)率(滑移率)的關(guān)系,胎面與地面間的相對滑動速度也應(yīng)在模型中給予考慮。圖3-35表明了輪胎法向載荷對某貨車斜交輪胎制動力與滑移率關(guān)系特性的影響。第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系1.理論一Julien提出的關(guān)于充氣輪胎縱向驅(qū)動力與滑轉(zhuǎn)率關(guān)系的理論模型14,是最早、也是最簡單的模型之一。胎面被假設(shè)為是一個彈性

54、帶,接地印跡為矩形且法向壓力為均勻分布。進(jìn)一步假設(shè)接地區(qū)間被分為附著區(qū)與滑轉(zhuǎn)區(qū),如圖3-36所示。在附著區(qū),作用力由輪胎的彈性特性決定;而在滑轉(zhuǎn)區(qū),作用力由輪胎與路面接觸區(qū)的附著條件所決定。由圖3-36a可見,當(dāng)驅(qū)動力矩作用于輪胎時,在接地區(qū)間的前端,胎面產(chǎn)生縱向壓縮應(yīng)變;而在接地區(qū)間的附著區(qū)保持不變,輪胎胎面相對地面不發(fā)生滑轉(zhuǎn)。設(shè)e0為在接觸區(qū)第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系1.理論一第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系1.理論一前緣胎面的縱向變形,e為胎面距前緣x長度處某點(diǎn)的縱向變形,則有:第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)

55、特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系1.理論一上述方程清晰地表明:當(dāng)部分接觸面發(fā)生滑轉(zhuǎn)時,驅(qū)動力系數(shù)與縱向滑轉(zhuǎn)率的關(guān)系呈非線性,它對應(yīng)于圖3-31中的AB段。當(dāng)滑轉(zhuǎn)擴(kuò)展到整個輪胎接地區(qū)時,驅(qū)動力Fx=pFz,w。在此條件下滑轉(zhuǎn)率由式(3-37)(其中令lc=0)求得。最大驅(qū)動力對應(yīng)的滑轉(zhuǎn)率smax=pFz,w/(ltktant),并對應(yīng)于圖3-31中的點(diǎn)B。輪胎滑轉(zhuǎn)率的進(jìn)一步增加將造成不穩(wěn)定工況,此時路面附著系數(shù)迅速從峰值p下降到純滑動時的s。第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系1.理

56、論一實(shí)際上,輪胎接地印跡內(nèi)的法向力并非均勻分布,其在邊緣處的壓強(qiáng)逐漸減少。因此可以預(yù)見,即使在滑轉(zhuǎn)率很小的情況下,也會導(dǎo)致輪胎接地印跡后端有小部分的滑移區(qū)。第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系2.理論二采用上述理論來定義驅(qū)動作用與縱向滑轉(zhuǎn)的關(guān)系,除了參數(shù)p、Fz,w和lt外,決定胎面進(jìn)入接地區(qū)間前的縱向變形t的值必須已知。而對于給定的輪胎,為了確定t的值,需要大量精確的試驗(yàn)。鑒于這一點(diǎn),又有人對此提出了較為簡單的理論9,它可以忽略t的影響。由式(3-32)可知,若忽略t項(xiàng),在離接觸點(diǎn)前端x距離的附著區(qū)內(nèi),單位接地長度的驅(qū)動力為:第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系2

57、.理論二第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系2.理論二第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系2.理論二第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系2.理論二第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系2.理論二上式表明,當(dāng)接地區(qū)發(fā)生部分滑移時,驅(qū)動力與縱向滑轉(zhuǎn)率的關(guān)系呈非線性特性。當(dāng)驅(qū)動力小于最大值pFz,w時,可以用上式預(yù)估驅(qū)動力-滑轉(zhuǎn)率的關(guān)系。與Julien理論相比,上述簡化理論只需三個參數(shù)(p、Fz,w和cs)即可定義驅(qū)動力與滑轉(zhuǎn)率的關(guān)系。正如先前指出的那樣,cs的大小可由測得的驅(qū)動力與滑轉(zhuǎn)率關(guān)系曲線的初始斜率確定。第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向

58、力與滑動率的關(guān)系2.理論二當(dāng)輪胎受到制動力矩作用時,與驅(qū)動時的壓縮變形情況相反,輪胎在進(jìn)入接觸印跡之前胎面就發(fā)生拉伸變形,如圖3-36b所示。關(guān)于制動力與滑移率的關(guān)系,采用與驅(qū)動工況類似的方法,同樣也能得到簡化模型。必須注意的是,滑轉(zhuǎn)率s與滑移率sb之間的關(guān)系為:第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系2.理論二第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系2.理論二第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系3.理論三這里,以“刷子”模型(brush model)為例,介紹輪胎模型縱向力的分析過程15。刷子模型是一個簡化了的物理模型,它將輪胎看成是由連接在剛性基座(輪緣)

59、上的一系列可以產(chǎn)生伸縮變形的彈性刷毛所組成,這些刷毛可以用來承受垂向載荷以及產(chǎn)生輪胎縱向和側(cè)向力。在純滾動狀況下的刷毛單元形式如圖3-37a所示,輪胎接地區(qū)域長為2a,由于路面摩擦力的作用,當(dāng)車輪滾動速度大于車輪平移速度時,此時刷毛接地端有“粘附于路面”的第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系3.理論三趨勢,從而使刷毛單元產(chǎn)生形變,其兩端產(chǎn)生速度差,如圖3-37b所示。假設(shè)車輪半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接地區(qū)域的長度,即ra,且刷毛單元足夠小,以刷毛單元AA為例,其運(yùn)動形式如圖3-37b所示,則相對于車輪中心,單元上端點(diǎn)A以速度r向后運(yùn)動,下端點(diǎn)A由于地面附著的作用,以速度u運(yùn)動。于是,刷毛單元

60、沿x方向的縱向形變可表示為:=(r-u)t。若以刷毛單元所處位置為自變量,則有:第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系3.理論三第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系3.理論三第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系3.理論三第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系3.理論三第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系3.理論三第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系3.理論三第四節(jié)輪胎縱向力學(xué)特性五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系3.理論三第五節(jié)輪胎垂向力學(xué)特性一、輪胎的垂向特性充氣輪胎的一個基本功能是在車輛在不平路面行駛時起緩沖作用,這