《轮胎力学》PPT课件.ppt

轮 胎,第 11 讲,11.1 轮胎的功能、结构、种类及规格 11.2 轮胎的坐标系11.3 轮胎的滚动阻力 11.4 轮胎的切向力与附着性能 11.5 轮胎的侧偏性能 11.6 轮胎在湿路面上的性能 11.7 轮胎的垂向振动特性,11.1轮胎的功能、结构、种类及规格,轮胎必须具有以下四种基本功能：,轮胎必须具有适宜的弹性、阻尼和承载能力；胎面部分具有增强附着能力的花纹：具有热稳定性、耐磨等,对轮胎的要求：,胎面：直接与路面接触的部分。保护轮胎内侧帘布，延长轮胎寿命的厚厚的橡胶层。表面为提高排水性能，驱动/制动性能刻有花纹。,带束层：是位于胎面和胎体之间的补强层。缓冲冲击，并可防止胎面产生的外伤波及胎体，还可以防止台面和胎体的剥离。,胎体：是覆盖橡胶的用纤维或钢丝作成的帘线层，用于形成轮胎的骨架。呈反射状的贴合，保持气压，耐承重抗冲击。,胎圈：支撑帘线的末端并可将轮胎固定在轮辋上的部分。,胎肩：轮胎的两肩部分。采用成能够保护胎体和散发内部热量的设计。,胎壁：为了保护轮胎侧面部分的帘线层，在表面覆盖有橡胶。在胎壁上标有轮胎尺寸，制造商明，和商标等。,内衬层：是相当于内胎的橡胶层使用透气性低的特殊橡胶制成,轮胎构造,按用途分为：载货汽车轮胎（重型、中型、轻型）轿车轮胎,按轮胎胎体结构分为：充气轮胎（汽车上使用的主要轮胎形式）实心轮胎,充气轮胎按组成结构分为：按帘线排列方向分为：有内胎轮胎；普通斜交轮胎；无内胎轮胎。子午线轮胎。,按充气大小分为：高压（0.50.7Mpa）刚度大，较硬，承载容量大，摩擦系数小。低压（0.150.45Mpa）弹性好、断面宽、接触面积大、薄壁。超低压（0.15 Mpa以下）。,轮胎的分类,1-外胎 2-内胎 3-垫带,充气轮胎的组成,轮胎花纹：,普通花纹越野花纹混合花纹,普通斜交轮胎：帘布层和缓冲层的各相邻层帘线交叉，且与胎面中心线呈小于90角排列的充气轮胎。子午线轮胎：帘布层帘线与胎面中心线呈90角或约90角排列的充气轮胎。,普通斜交轮胎与子午线轮胎：,普通斜交轮胎,它的特点是帘布层和缓冲层各相邻层帘线交叉排列，各帘布层与胎面中心线成3540度的交角，因而叫斜交轮胎。帘布层是外胎的骨架，使胎体具有必要的强度，并固定轮胎外缘的形状和尺寸。帘布层数越多强度就越大，但弹性会下降。,不能很好承受轮胎工作时产生的交变载荷；缓冲层位于胎面与帘布层之间，它具有较大的弹性，可缓和汽车行驶的冲击载荷，并防止汽车在紧急制动时胎面与帘布层脱离。,普通斜交轮胎,斜交轮胎的优点是：轮胎噪声小，外胎面柔软、制造容易，价格也较子午线轮胎便宜。斜交轮胎的缺点是：转向行驶时，接地面积小，胎面滑移大，抗侧向力能力差，高速行驶时稳定性差，滚动阻力较大，油耗偏高，承载能力也不如子午线轮胎。,子午线轮胎的特点：帘布层线排列的方向与轮胎的子午断面一致，帘布层数可减少40%50%。胎体较软、弹性好。帘线在圆周方向上只靠橡胶来连接，因此带束层采用具有若干层帘线与子午断面呈大角度（70。75。）、高强度、不易拉伸的周向环层的带束层。带束层采用玻璃纤维、加强纤维或钢丝帘布制造，强度高、拉伸变形小；,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，寿命长；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；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；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：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。,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，寿命长；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；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；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：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。,轮胎的规格标记种类较多，通常多以轮胎断面高度H、断面宽度B、扁平率(HBx100%)、轮辋直径d和工作标记(含载荷指数和速度标记)来表示。对于斜交轮胎，其尺寸标记用B-d表示，单位均为英寸；对于于午线轮胎则用字母“R”表示。,轮胎的规格,例子：菱帅所配的是MAXXIS MA652轮胎轮胎标识 说明 185/65R14 86H 185 胎面宽度185mm 65 扁平比。即轮胎侧面胎壁的高度与轮胎宽度的比例为65%。R 轮胎的帘布层结构是子午线型结构 14 轮圈直径，单位是英寸 86 轮胎承载指数。86的最大承载量约530KG H 速度级别。H代表轮胎的最高安全时速为210公里，T=190，V=240，W=270，Y=300。换胎时一定要注意速度等级的匹配，高速车不要配低速胎，否则可能会引起爆胎。,轮胎的规格,11.2 轮胎的坐标系与术语,图2-1 轮胎坐标系,轮胎坐标系中的概念,11.3 轮胎的滚动阻力,1)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,轮胎在硬路面上的滚动阻力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,1）轮胎滚动阻力的产生机理,车轮滚动时，轮胎与路面的接触区域产生法向和切向的相互作用力并相应地使轮胎和支承路面变形。轮胎和支承路面的相对刚度决定了变形的特点。当轮胎在硬而平的路面(混凝上或沥青)上滚动时，轮胎变形是主要的。由于轮胎变形时材料的内摩擦产生弹性迟滞损失，使轮胎变形时所作的功不能全部收回，部分转化为热能而消失在大气中，同时胎面在接触区域有摩擦损失，以及滚动轮胎对外部空气的搅动损失，这些能量损失就是产生滚动阻力的原因。,轮胎在硬路面上的滚动阻力,在能量损失中，迟滞损失是最主要的，实验数据表明，车速在128152km/h的范围内，迟滞损失约占轮胎滚动阻力的9095，轮胎与路面的摩擦损失约占210，空气阻力约占1535。当车轮在松软路面上滚动时，由于支承路面发生变形使所作的功几乎全部不能收回，所以本讲主要讨论车轮在硬路而上的滚动。,图3-1 90020轮胎的径向变形曲线,图中OCA为加载变形曲线，面积OCABO为加载过程中对轮胎作的功，ADE为卸载变形曲线，面积ADEBA为卸载过程中轮胎恢复变形时放出的功。由图可见，两曲线并不重合，两面积之差OCADEO即为加载与卸载过程的能量损失，从而产生轮胎的滚动阻力。这就是充气轮胎的迟滞损失。,图3-2 从动轮在硬路面上滚动时的受力情况,从动轮在硬路面上滚动时的受力情况,Fp1 r=Tf 故 Fp1=Tf/r=Fz(a/r)令 f=(a/r)而Fz=W Fp1=W ff 称为滚动阻力系数,由平衡条件得,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3-3由路面变形和轮辙摩擦引起的附加滚动阻力,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：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3-4。,图3-4 滚动阻力(波阻)示意图,（1）轮胎结构（2）轮胎结构设计参数（3）轮胎气压（4）轮胎垂直载荷（5）行驶车速（6）驱动转矩（7）轮胎工作温度（8）路面类型（9）轮胎侧偏角与外倾角,2）轮胎滚动阻力的影响因素,（1）轮胎结构,轮胎的结构、帘线和橡胶的品种，对滚动阻力系数有很大的影响。图35给出了载重汽车和公共汽车用斜交轮胎和子午线轮胎在不同车速下的滚动阻力系数，可见，子午线轮胎的滚动阻力系数较低。一般子午线轮胎的滚动阻力系数为0.0l0.015，斜交轮胎的滚动阻力系数为0.0150.02。,图3-5 滚动阻力系数随轮胎结构的差别,轮胎行驶面设计参数对滚动损失起很大的作用。如减窄行驶面宽度和减小胎面弧高，减小花纹深度和胎面厚度，尤其是两肩部厚度，都能降低滚动损失。试验表明，胎面胶厚度每减小lmm，轿车轮胎滚动损失减少1，载重汽车轮胎减少3；胎肩部厚度从14mm减小到10mm时，轮胎滚动损失可减少7左右。,（2）轮胎结构设计参数,(3)轮胎气压,轮胎气压对滚动阻力的影响是很明显的，这是由于低气压时轮胎的下沉量和接地面积增大，使得滚动阻力增加；而在载荷一定，轮胎气压增大时，轮胎挠度变小，则滚动阻力减小.如图3-6所示。当气压增加1倍时，横沟型花纹斜交轮胎的滚动阻力系数约降低28%，纵沟型花纹斜交轮胎约降低22%，而子午线轮胎约降低15%。,图3-6滚动阻力系数随轮胎内气压的变化,轮胎的滚动阻力一般与垂直载荷成比例增加。由于轮胎的变形大致上与垂直载荷成比例，故滚动阻力也大致与轮胎变形成比例增加。但是垂直载荷变化时轮胎的滚动阻力系数却基本上为一常数。由图3-7可见，各种汽车所用轮胎，不论是斜交轮胎还是子午线轮胎，滚动阻力系数几乎都不随垂直载荷变化。,(4)轮胎垂直载荷,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,图3 9 滚动阻力与驱动力系数的关系曲线,（7）轮胎工作温度,图3-10 轮胎温度对滚动阻力 系数的影响,图3-11 滚动阻力系数随外界气温的变化,（8）路面类型,表3-1 滚动阻力系数f的数值（不同路面）,图3-12 转弯时的滚动阻力与车速的关系,（9）轮胎侧偏角与外倾角,图3-13 轮胎滚动阻力与车轮外倾角的关系,研究了轮胎结构、材料和设计参数等对轮胎滚动阻力的影响之后，总希望轮胎的滚动阻力越小越好，例如，在结构方面，采用子午线轮胎能极大地降低轮胎内部摩擦损失；作为使用条件来说，提高轮胎内气压，减小变形是降低滚动阻力的极有效的措施；同时改善轮胎用材料，减小轮胎体积，尽量使轮胎轻量化等。但是提高气压会使轮胎的径向刚度增大，从而导致汽车平顺性变坏，也会使轮胎的回正力矩减小，而使汽车操纵性能降低。因此要正确处理轮胎的能量损失与轮胎和汽车作为一个系统的特性之间的关系。同时必须考虑轮胎的使用寿命、驱动性能、侧偏特性以及吸振能力等。,有人推荐用下式计算良好道路上货车轮胎滚动阻力系数f0.00760.000056ua,加拿大黄祖元博土推荐的在混凝土路面计算轿车轮胎滚动阻力系数的经验公式，当车速 128 km/h时，可得,3）轮胎滚动阻力系数的经验计算,当轮胎受到驱动力矩Tt或制动力矩作用时，地面将对轮胎在接地点作用有驱动力FtTtr或制动力Fxb r，而这两个切向力的最大值受轮胎与地面接触区内附着条件的限制，可传递的最大切向力Fxmax与法向反作用力Fz成正比，即FxmaxFz F，其中 为附着系数，F 为附着力。,11.4 轮胎的切向力与附着性能,由于轮胎是一个非线性的粘弹性体，在受到驱动力矩或制动力矩作用时，轮胎几乎不可能在路面上进行纯滚动，这是由轮胎与地面接触区内胎面变形所决定的。如果车轮上要传递比Fxmaxr大的驱动力矩或制动力矩，则轮胎不再处于纯滚动状态，而将出现两种极限工况，即车轮驱动时轮胎出现“打滑”，制动时轮胎“抱死拖滑”现象。,图4-1 驱动力矩作用下轮胎的特性,当驱动力矩作用在轮胎上时，地面与轮胎接触区内产生的驱动力使轮胎的前方受压缩，图4-1为驱动力矩作用下轮胎的特性。由于胎面在进入接触区以前已经被压缩，所以轮胎在受到驱动力矩作用时，轮胎行驶的距离将比自由滚动时的距离少。这种现象常称为变形滑转。,同理，当制动力矩作用在轮胎上时，胎面在进入接触区以前已经被拉伸，这时轮胎的行驶距离将比轮胎自由滚动时大。图4-2为制动力矩作用下轮胎的特性,图4-2 驱动力矩作用下轮胎的特性,通常用滑动率s来说明轮胎在汽车行驶过程中变形滑转成分的多少。为了得到正值，在定义时要把驱动工况和制动工况分开考虑。,对于制动工况，制动滑动率 由下式确定,式中，为制动滑动率,因此，车轮纯自由滚动时，滑动率s=0；车轮制动抱死完全拖滑时，s=100%;车轮边滚边滑时，0s100%。,图4-3,若令驱动力与轮胎垂直载荷之比为驱动力系数，地面制动力与轮胎垂直裁荷之比为制动力系数，驱动力系数和制动力系数统称为附着系数，在不同滑动率s时，附着系数的值不相同。图4-3为附着系数与滑动率s的关系曲线。,图4-4 有侧偏时的、曲线,轮胎与路面间的附着性能是决定汽车安全性的重要因素之一。统计资料显示，有5一10的公路运输事故是因为附着力不够而造成的，在湿滑路面上事故率更高，可达交通事故的25一40。因此，国际公路协会规定了不同路面条件下的最低附着系数，一般最低附着系数在0406之间。,路面类型,图4-5 各种路面上的 曲线,影响附着系数的因素,表4-1 不同路面上的平均附着系数,轮胎结构与材料对附着系数有很大的影响，改变轮胎的结构参数(如行驶面曲率、胎面花纹、断面轮廓曲率以及帘线角大小等)，可在相当宽的范围内影响附着系数。首先要准确选择行驶面的曲率，可使胎面在接地面内具有较小的应力，这样可获得较好的附着性能；其次是增加胎面花纹的分散度，减小断面轮廓肩部曲率半径以及提高胎体弹性等。采用这些措施后，制动轮胎，在湿路面和打滑路面上可提高附着性能。通常于午线轮胎与宽断面、低气压和有胎面花纹的轮胎具有比斜交轮胎高的附着系数。,轮胎结构及所用材料,图4-6 垂直载荷对附着系数的影响,图4-7 气压对附着系数的影响,轮胎载荷与气压,1.干沥青路面；2.湿沥青路面,1.干沥青路面；2.湿沥青路面；3.冰雪路面,车速,图4-8 车速对制动力系数曲线的影响,11.5 轮胎的侧偏特性,1)侧偏角与侧偏力2)侧倾角与外倾侧向力3）回正力矩4）驱动、制动时的侧偏特性,1)侧偏角与侧偏力,图5-1 轮胎的侧偏现象,轮胎的侧偏特性,轮胎的侧偏角和侧偏力的关系（见试验曲线）小于45度，是线性关系，0度时的斜率是侧偏刚度。侧偏刚度 FY=K K0,图5-2 轮胎的侧偏特性,影响轮胎侧偏特性的主要因素如下：,（1）轮胎结构（2）轮胎的扁平率（3）垂直载荷的变化（4）充气压力（5）路面类型及干湿状况（6）车速,（1）轮胎结构,图5-3 轮胎结构对侧偏刚度的影响,图5-4 轮胎的扁平率与侧偏刚度的关系,（2）轮胎的扁平率,轮胎的扁平率：轮胎的高度和轮胎的宽度比,图5-5 几种不同扁平率子午线轮胎的侧偏刚度与载荷的关系曲线,图5-6 垂直载荷对侧偏特性的影响,（3）垂直载荷的变化,（4）充气压力,图5-7 轮胎充气压力对侧偏刚度的影响轮胎:6.40-13 速度为11m/s垂直载荷 W=4000N,图5-8 路面种类及干湿路面上的侧偏特性 a干沥青路面,速度为16.1Km/h b湿混凝土路面,速度为32.2Km/h c湿沥青路面，速度为14.5Km/h,（5）路面类型及干湿状况,（6）车速,图5-9 车速对侧偏特性的影响,车速对侧偏力的影响很小，如图59所示。但随着车速增大，侧偏力的最大值降低，这主要是由于车速增高时，滑动附着系数降低的缘故。,2)侧倾角与外倾侧向力,图5-10 车轮外倾角与外侧向力,车轮外倾角：车轮平面与道路垂直平面夹角,外倾侧向力：,图5-11 外倾角与外倾侧向力的关系,由图511可知，外倾侧向力与外倾角成线性关系，关系式如下：Y=k*k称为外倾刚度,通常轮胎的外倾刚度的大小只有侧偏刚度的1020%。同时，当外倾角增大时，胎面与路面的接触情况越来超差，会影响轮胎最大地面侧向反作用力而损害汽车的极限性能，并使轮胎过度磨损。所以高速轿车特别是采用超宽断面轮胎的竞赛车，转弯行驶时承受大部分前侧向力的前外轮应尽量垂直于地面，即外倾角等于零。,在轮胎发生侧偏时，还会产生使轮胎绕Oz轴转动的力矩Tz。汽车圆周行驶时，Tz是使转向车轮恢复到直线行驶位置的主要恢复力矩之一，称为回正力矩。回正力矩是由接地面内分布的微元侧向反力产生的。,3)回正力矩,图5-12 接地印迹内地面侧向反作用力的分布及回正力矩的产生,图5-13 轮胎的回正力矩侧偏角特性,影响回正力矩的因素很多，其主要因素有：,（1）轮胎类型与结构（2）垂直载荷（3）轮胎气压（4）轮胎外倾角,（1）轮胎类型与结构,图5-14轮胎的结构对回正力矩侧偏角特性的影响,如图514所示，子午线轮胎的回正力矩比斜交轮胎大。在同样侧偏角下，尺寸大的轮胎一般回正力矩较大。,（2）垂直载荷,垂直载荷对回正力矩侧偏角特性有明显影响。如图513所示，随着垂直载荷的增加，最大回正力矩增大。,（3）轮胎气压,轮胎的气压对回正力矩的影响较大。轮胎气压低，接地印迹增长，轮胎拖距增大，回正力矩变大。,（4）轮胎外倾角,图5-15 外倾回正力矩与外倾角关系曲线,由图5-15可知，在汽车常用的外倾角范围内，回正力矩与外倾角成线性关系。,图5-16 轮胎特性参数的正负,以上所列举的试验结果大多是表明各参数之间量的关系，当把有关试验数据用于计算时，要按照轮胎坐标系来确定正负方向如图516所示。可见，正侧偏角对应于负的侧偏力和正的回正力矩；正外倾角对应于负的外倾侧向力和负的回正力矩。,4）驱动、制动时的侧偏特性,以上讨论的是没有地面切向反作用力作用时轮胎的侧偏特性。实际上，轮胎经常受到切向力和侧偏力的同时作用，其轮胎的侧偏特性与仅受到侧偏力作用时的侧偏特性有较大区别。,图5-17 地面切向反作用力对侧偏特性的影响,11.6 轮胎在湿路面上的性能,轮胎在湿路面上的性能对汽车的安全性非常重要。它取决于路面的类型、水层厚度、轮胎胎面花纹及轮胎工作状态等(即自由滚动、加速、制动或转向)。为在湿路面上获得较好的轮胎特性，必须保持胎面与路面的良好接触，尽量将水从轮胎与路面的接触区内排出。为此，胎面应具有相应的花纹，并且路面结构应便于徘水，同时，路面有一定粗糙度且有可穿逆水膜的棱角以保证胎面与路面的有效接触。,Sm.无花纹光滑胎面；Rbd.有沟槽胎面；Spd.有沟槽且有小切缝的胎面,图6-1 轮胎胎面、路面类型与峰值附着系数的关系,Sm.无花纹光滑胎面；Rbd.有沟槽胎面；Spd.有沟槽且有小切缝的胎面,图6-2 轮胎胎面、路面类型与滑动附着系数的关系,当轮胎在水膜覆盖的路面上高速行驶时，由于流体的压力使轮胎上浮，在达到某一车速时，轮胎甚至会完全漂浮在水膜上面而不与路面相接触，从面产生滑水现象。,图6-3 轮胎发生部分滑水现象的状态,影响滑水现象发生的车速的主要因数有：路面种类、路面水膜厚度、胎面沟深、轮胎气压、轮胎垂直载荷、胎面花纹、胎面磨损、水的粘度和密度、接池压力分布。滑水现象减小了胎面与地面的附着系数，严重影响汽车的制动、转向及方向稳定性等。,1)轮胎的刚度特性2)轮胎垂向振动的力学模型3）轮胎振动对汽车性能的影响,11.7 轮胎的垂向振动特性,1)轮胎的刚度特性,充气轮胎的一个基本功能是在不平路面行驶时起缓冲作用，该缓冲作用与充气轮胎的弹性有关，通常以轮胎所受的载荷和变形的曲线来表示轮胎的刚度特性，它对车辆的行驶平顺性行驶稳定性和制动性均有重要影响。,图7-1 轮胎静载荷与变形曲线,实际轮胎滚动时的刚度称为轮胎动刚度。轮胎动刚度是以测定滚动轮胎对已知正弦激励的响应来确定的。通常在轮毂处测量响应，而激励作用在胎面上，通过计算输入输出之比和相位角，即可求出滚动轮胎动刚度和阻尼系数。轮胎动刚度也可通过在轮毂或皮带上滚动轮胎测量其共振频率而求出。图7-2为以这种方法测得的各种类型轮胎的动刚度。,图7-2 车速对滚动轮胎动刚度的影响,图7-3 简单轮胎力学模型,2)轮胎垂向振动的力学模型,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。例如，用子午线轮胎匹配好的汽车，其他汽车参数不变而只将轮胎换成斜交胎后，汽车平顺性等将变差。,3）轮胎振动对汽车性能的影响,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，这影响了汽车行驶速度的发挥，降低了运输生产效率。,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而使汽车的能量损失，从而造成汽车燃油经济性变差，使油耗增加。对汽车安全性能的影响 汽车在行驶过程中轮胎发生振动，将影响到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，从而恶化汽车的技术状况，直接影响汽车行驶安全。,此外，轮胎的振动还会影响汽车的制动性、转向轻便性以及轮胎的使用寿命等。,谢谢,