汽车动力学 轮胎动力学课件.ppt

主讲：彭琪凯,汽车系统动力学,1,ppt课件,第三章 充气轮胎动力学,3.1概述,3.2轮胎的功能、结构与发展,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,1,2,ppt课件,1.轮胎运动坐标系,纵向力,侧向力,法向力,翻转力矩,滚动阻力矩,回正力矩,3.1概述,2,3,ppt课件,2.车轮运动参数,3.1概述,滑动率(s=01),表示车轮相对于纯滚动(或纯滑动)状态的偏离程度。,滑转率(驱动时),滑移率(制动时),轮胎侧偏角,负的轮胎侧向力产生正的侧偏角,轮胎径向变形,无负载轮胎径向半径与负载时半径之差。,3,顺时针方向为正,4,ppt课件,3.2轮胎的功能、结构及发展,轮胎的功能,支撑整车质量,与悬架共同作用，衰减由路面不平引起的振动与冲击,传递纵向力，实现驱动和制动,传递侧向力，使车辆转向并保证行驶稳定性,4,5,ppt课件,3.2轮胎的功能、结构及发展,胎体,胎圈,胎面,胎冠,胎肩,胎侧,常用的充气轮胎有两种，斜交轮胎和子午线轮胎，主要是胎体帘线角度的不同，前者为20-40度，后者为85-90度。,轮胎的结构,5,保护胎体、内胎,决定轮胎基本性能,便于胎体装卸,6,ppt课件,子午线轮胎,斜交轮胎,3.2轮胎的功能、结构及发展与比较,6,7,ppt课件,3.2轮胎的功能、结构及发展,轮胎的材料、胎面花纹以及内部结构影响轮胎的物理特性。,低滚动阻力,良好的平顺性,良好的操稳性,良好的附着性,低噪声,轮胎的发展,7,8,ppt课件,3.3轮胎模型,什么是轮胎模型？,轮胎模型分类,轮胎纵滑模型，预测车辆在驱动和制动工况时的纵向力。,轮胎侧偏和侧倾模型，预测侧向力和回正力矩。,轮胎垂向振动模型，用于高频垂向振动的评价。,8,9,ppt课件,幂指数统一轮胎模型,3.3轮胎模型,几种常用的轮胎模型,稳态纯纵滑工况纵向力,稳态纯侧偏工况纵向力,稳态纯侧偏工况回正力矩,稳态纵滑侧偏联合工况,无量纲，表达式统一，可表达各种垂向载荷下的轮胎特性，参数拟合方便，能拟合原点刚度。,由郭孔辉院士提出，用于预测轮胎的稳态特性。,9,10,ppt课件,“魔术公式”轮胎模型,3.3轮胎模型,Pacejka提出，以三角函数组合的形式来拟合轮胎试验数据，得出一套公式可以同时表达纵向力、侧向力和回正力矩的轮胎模型。,拟合精度高，由于非线性计算量大；C值的变化对拟合的误差影响较大；不能很好地拟合极小侧偏情况下轮胎的侧偏特性。,10,11,ppt课件,3.3轮胎模型,SWIFT轮胎模型,荷兰Delft工业大学提出，采用刚性圈理论，结合“魔术公式”综合而成。,Fiala模型,Gim模型,有限元模型,Dugoff模型,11,12,ppt课件,3.4轮胎纵向力学特性,1.干、硬的平坦路面上轮胎滚动阻力及其产生机理,2.道路条件引起的附加阻力,3.轮胎侧偏引起的附加阻力,4.总的车轮滚动阻力,5.轮胎纵向力与滑动率的关系,12,13,ppt课件,3.4轮胎纵向力学特性,1.干、硬的平坦路面上轮胎滚动阻力及其产生机理,轮胎滚动阻力,弹性迟滞阻力,产生过程,驻波,高速工况；增加能量损失，产生大量热，限制最高安全行驶速度。,13,14,ppt课件,摩擦阻力,3.4轮胎纵向力学特性,风扇效应阻力,轮胎滚动阻力,滚动阻力系数,滚动阻力,滚动阻力系数,滚动阻力系数,滚动阻力系数随着胎压增加而降低,滚动阻力系数随着车速增加而增加,滚动阻力系数随着车轮载荷增加而降低,14,15,ppt课件,3.4轮胎纵向力学特性,滚动阻力系数测量,轮胎滚动阻力,整车道路测试,室内台架测试,15,16,ppt课件,2.道路条件产生的附加阻力,路面不平,不平路面阻力,塑性路面,3.4轮胎纵向力学特性,压实阻力,推土阻力,剪切阻力,塑性路面阻力随胎压的增加而增大,16,17,ppt课件,2.道路条件产生的附加阻力,3.4轮胎纵向力学特性,湿路面,扰流阻力,湿路面上的轮胎滚动阻力,17,18,ppt课件,3.4轮胎纵向力学特性,侧向载荷的影响,由轮胎侧偏附加的阻力,由侧偏角引起的附加滚动阻力系数,3.轮胎侧偏引起的附加阻力,18,19,ppt课件,3.4轮胎纵向力学特性,车轮定位的影响,车轮前束角,3.轮胎侧偏引起的附加阻力,19,20,ppt课件,3.4轮胎纵向力学特性,车轮定位的影响,车轮外倾角,由于车轮外倾角的存在，使轮胎在滚动过程中不垂直于地面，胎面滚动区域将受不断变化的载荷作用，胎壁产生变形，引起滚动阻力稍有增加。,3.轮胎侧偏引起的附加阻力,20,21,ppt课件,3.4轮胎纵向力学特性,4.总的车轮滚动阻力,总的车轮滚动阻力是各部分阻力之和。车辆在普通干路面上作直线行驶时，一般可认为车轮阻力就是轮胎滚动阻力。,5.轮胎纵向力与滑动率的关系,纵向力在滑动率15%-20%附近时达到最大值。,制动防抱死系统和驱动力控制系统的理论依据。,21,22,ppt课件,3.5轮胎垂向力学特性,1.轮胎的垂向特性,2.轮胎噪声,3.轮胎垂向振动力学模型,22,4.轮胎振动对汽车性能的影响,23,ppt课件,3.5轮胎垂向力学特性,1.轮胎的垂向特性,通常以轮胎所受的载荷和变形曲线来表示轮胎的刚度特性。,静刚度,曲线斜率即为静刚度，可认为轮胎的静刚度不随载荷的变化而变化。,静载荷与垂向变形的关系。,23,24,ppt课件,3.5轮胎垂向力学特性,1.轮胎的垂向特性,非滚动动刚度,滚动动刚度,24,25,ppt课件,3.5轮胎垂向力学特性,2.轮胎噪声,轮胎噪声产生的机理：,(1)空气泵吸效应,(2)胎面单元振动,3.轮胎垂向振动力学模型,弹簧-阻尼模型,25,26,ppt课件,3.5轮胎垂向力学特性,4.轮胎振动对汽车性能的影响,26,对汽车平顺性的影响,由于轮胎的振动，对汽车悬架系统中弹性元件的振动形成干扰，因而悬架中要产生振动叠加，这就要求汽车设计时要将轮胎的参数与悬架参数结合起来考虑，以便获得良好的汽车平顺性。,弹簧-阻尼模型,对汽车制动性、转向轻便性以及轮胎的使用寿命的影响。,27,ppt课件,3.5轮胎垂向力学特性,4.轮胎振动对汽车性能的影响,27,对汽车操纵稳定性的影响,轮胎在汽车转弯行驶时发生振动，会引起车身异常振动。汽车转向盘发生摆振，驾驶员无法操纵汽车行驶，导致汽车的操纵稳定性变差。,弹簧-阻尼模型,对汽车行驶速度的影响,由于汽车振动时，汽车的操纵稳定性变差，驾驶员不得不使汽车减速以确保汽车安全行驶。,28,ppt课件,3.5轮胎垂向力学特性,4.轮胎振动对汽车性能的影响,28,对汽车燃油经济性的影响,轮胎的振动必然将汽车行驶中的一部分动能转变成轮胎的变形，将生成热量并传到大气中去，使汽车的能量损失，使燃油经济性变差。,弹簧-阻尼模型,对汽车安全性的影响,汽车行驶过程中轮胎发生振动，将影响轮胎与路面的附着能力，过大的轮胎振动会导致轮毂轴承的异常磨损，恶化汽车的技术状况，影响汽车的行驶安全。,29,ppt课件,3.5轮胎侧向力学特性,1.纯转向工况,前轮外倾角,侧偏角,垂向载荷,29,30,ppt课件,不同垂向载荷作用下的轮胎侧向力与侧偏角关系,30,31,ppt课件,3.5轮胎侧向力学特性,2.联合工况,轮胎的垂向载荷、侧向力与纵向力之间相互影响,车辆转弯加速或转弯制动时，由于受摩擦力的限制，轮胎不能同时获得最大的侧向力和最大的纵向力。,摩擦椭圆,31,32,ppt课件,3.整车建模中对轮胎模型的考虑,3.5轮胎侧向力学特性,在基本的线性操纵动力学模型中，轮胎只需产生与垂向载荷和侧偏角呈线性关系的侧向力（包括回正力矩）,如果车辆模型考虑车辆载荷重新分配，轮胎模型还必须包括侧向力和轮胎垂直载荷的关系,如果建模中考虑车身侧倾角与车轮外倾角的关系，轮胎模型必须包括车轮外倾对轮胎力的影响,在非线性域分析中，轮胎模型必须能充分考虑大侧偏角情况下的受力情况，并进行精确计算,如果车辆模型包括纵向自由度，轮胎模型必须包括纵向力。在需要同时考虑纵向力和侧向力的联合工况下，轮胎模型必须能在两个方向准确地分配所能获得的轮胎力。,32,33,ppt课件,什么是轮胎的驻波现象？,问题,汽车的重量会使轮胎接触地面的部分稍有变形.车行驶时变形的部分离开了路面后将恢复原状.如果从轮胎表面一个点来看,轮胎转一次,这个点就发生一次变形和复原的过程.变形和复原是要时间的,在高速行驶的时候,其复原速度赶不上轮胎的转速的话,就会在轮胎接地面后侧引起驻波的异常形变现象,这就是驻波现象,在这种状态下,驻波的这部分花纹受到剧烈的摩擦而急剧升温,不久就引起胎面橡胶从内部胎体剥落的现象.然后爆胎!更惨的是,从发生驻波现象到爆胎,开车的人不会有任何感觉和预兆不象漏个气,方向跑偏什么的,这是高速上独有的致命的现象-驻波现象,引起驻波现象的直接原因就是轮胎变形大,同时高速行驶,轮胎复原速度赶不上轮胎的转速.所以在跑高速的时候（160公里以上）要求更高的胎压减少变形,减少变形另外的方法是减少载重,速度越高,就不能太接近胎壁上标的那个最大荷重了。,32,34,ppt课件,