汽車系統(tǒng)動力學(xué)第三章-充氣輪胎動力學(xué)

第三章充氣輪胎動力學(xué)§3-1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。一、輪胎運動坐標(biāo)系二、車輪運動參數(shù)1．滑動率2．輪胎側(cè)偏角a3．輪胎徑向變形§3-2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，以實現(xiàn)驅(qū)動和制動；4)傳遞側(cè)向力，以使車輛轉(zhuǎn)向并保證行駛穩(wěn)定性。為實現(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(2)胎圈(3)胎面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”即為胎體簾布層單線與車輪中心線形成的夾角。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(包含剛性濾波和彈性濾波特性)。這里僅對幾種常用的輪胎模型給予介紹。(1)冪指數(shù)統(tǒng)一輪胎模型冪指數(shù)統(tǒng)一輪胎模型的特點是：。1)采用了無量綱表達式，其優(yōu)點在于由純工況下的一次臺架試驗得到的試驗數(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)，代人無量綱表達式即可得該路面下的輪胎特性。2)無論是純工況還是聯(lián)合工況，其表達式是統(tǒng)一的。3)可表達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)實現(xiàn)全域范圍內(nèi)的計算精度，參數(shù)擬合方便，計算量小。在聯(lián)合工況下，其優(yōu)勢更加明顯。5)能擬合原點剛度。(2)“魔術(shù)公式”輪胎模型“魔術(shù)公式”輪胎模型的特點是：1)用一套公式可以表達出輪胎的各向力學(xué)特性，統(tǒng)一性強，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)不能很好地擬合小側(cè)偏情況下輪胎的側(cè)偏特性?！，F(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)實測的輪胎數(shù)據(jù)，通過曲線擬合算法可以優(yōu)化“魔術(shù)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輪胎模型結(jié)構(gòu)有以下幾方面的特點：1)為了合理描述輪胎動力學(xué)特性，考慮了帶束層慣量，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(實際上為胎體柔性的一部分)以及胎面柔性。3)接地印跡有效長度和寬度的影響均被考慮。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有效滾動半徑來描述路面特性，可實現(xiàn)輪胎在非水平路面及不平路面的仿真，并能保證輪胎動態(tài)滑移和振動工況下的仿真精度?！?-4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)生的附加輪胎縱向阻力。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，因此通常它們包含于車輪阻力中，并不單獨列出。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)作用機理的不同，輪胎滾動阻力還可以進一步分解為彈性遲滯阻力、摩擦阻力和風(fēng)扇效應(yīng)阻力，分別介紹如下。1．彈性遲滯阻力2．摩擦阻力3．風(fēng)扇效應(yīng)阻力、4．滾動阻力系數(shù)5．滾動阻力系數(shù)的測量根據(jù)滾動面情況的不同，輪胎試驗臺基本上可分為三種類型：①外支撐試驗臺；②內(nèi)支撐試驗臺；③平板試驗臺。二、道路阻力1．不平路面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，由此引起附加的車輪阻力FR，塑性，主要由以下三部分阻力組成：(1)壓實阻力(2)推土阻力(3)剪切阻力3．濕路面三、輪胎側(cè)偏阻力1．側(cè)向載荷的影響2．車輪定位的影響四、總的車輪滾動阻力五、輪胎縱向力與滑動率的關(guān)系1．理論一Julien提出的關(guān)于驅(qū)動力與充氣輪胎縱向滑轉(zhuǎn)率關(guān)系的理論模型。2．理論二給出了一個描述輪胎縱向動力學(xué)特性的簡化模型，但實際上輪胎與地面的相互作用關(guān)系更為復(fù)雜，因而該輪胎模型的有效性有待進一步研究和驗證。3．理論三這里，以“刷子”模型(BmshM0del)為例，介紹輪胎模型縱向力的分析過程?！?-5輪胎垂向力學(xué)特性一、輪胎的垂向特性根據(jù)測試條件的不同，輪胎垂向剛度有三種不同的定義，分別為：靜剛度、非滾動動剛度及滾動動剛度，分別介紹如下。1．靜剛度2．非滾動動剛度3．滾動動剛度二、輪胎噪聲輪胎噪聲產(chǎn)生的主要機理如下：(1)空氣泵吸效應(yīng)(2)胎面單元振動三、一個輪胎垂向振動力學(xué)模型在車輛振動分析中，輪胎的緩沖特性可用不同的數(shù)學(xué)模型來描述。最簡單的模型是點接觸式線性彈簧．粘性阻尼模型?！?-6輪胎側(cè)向力學(xué)特性一、純轉(zhuǎn)向工況二、聯(lián)合工況三、整車建模中對輪胎模型的考慮建模時車輛的建模精度必須要與輪胎模型的精度相吻合。建模中需考慮的因素有以下幾點：1)在基本的線性操縱動力學(xué)模型中，輪胎只需產(chǎn)生與垂向載荷和側(cè)偏角呈線性關(guān)系的側(cè)向力(包括回正力矩)。2)輪胎模型還必須包括側(cè)向力與輪胎垂向載荷的關(guān)系。3)建模中還考慮了車身側(cè)傾角與車輪外傾角的關(guān)系。4