[交通运输]汽车动力学I.doc

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1、汽车动力学I第一章 概述第一节 汽车的定义与历史汽车: 是使用四个或四个以上的车轮,具有动力且不必按预定轨道行驶的快速机动的陆上交通工具.汽车分为用于载货、乘用两大类.*早期原始型:1789: 法国军事工程师尼古拉斯约瑟夫尼诺将蒸汽机装在三轮车上用于拉炮;1784: 苏格兰工程师詹姆斯瓦特制造了蒸汽动力车辆,但不能正常工作,1802: 英国人理查德切维热克开发了以蒸汽为动力的客车.现代创始型及发展:1885: 德国工程师卡尔奔驰(KARL BENZ)制造了装有0.85马力汽油机的三轮车,同时另一位德国工程师戈特利布戴姆勒(GOTTLIEB DAIMLER)也制造出了一辆1.1马力的汽油发动机四

2、轮汽车. 1886年1月29日,奔驰取得世界上第一辆汽车的专利,这一天被公认为汽车的诞生日!*1890: 奔驰公司率先采用橡胶充气轮胎;1897-1898:法国米其林兄弟使全橡胶轮胎过渡到高压充气轮胎,对汽车的发展产生了巨大影响.1889: 法国标志公司研制成功齿轮变速器和差速器,并在1891年首先采用前置发动机后轮驱动.1896: 美国的亨利福特(HENRY FORD)制造出了第一辆福特车,并于己于1908年开始生产T型车,该车型以结构紧凑,坚固耐用容易驾驶和价格低廉等优点而广受欢迎.1915年,福特公司生产了带有门窗的新型T型车;1934年,美国克莱斯勒公司首先采用了流线型的车身外形,使汽

3、车速度大为提高.第二节 汽车动力学的发展随着速度的提高,汽车的快速转向和制动引起的动力学问题逐渐受到关注.1904: 进行了世界第一次汽车蛇行试验,速度可达24-32 km/h.此时已认识到制动时后轮抱死将会导致汽车不稳定.1908: 最早研究汽车动力学的工程师弗雷德里克威廉兰切斯特提出了过多转向概念.1925: 法国人布劳赫特发现了汽车轮胎侧偏现象,使人们的认识(低压轮胎有转向摆振问题)有了突破. 1931年可测量充气轮胎力学特性的实验机问世后,开始了对汽车转向特性的研究.莫里斯奥利首先提出了操纵动力学分析理论,是第一个对汽车定义不同转向特性的人.1940年,雷克特和斯康克提出了用自由度描述

4、的汽车数学模型,对汽车绕其垂直轴转动和侧向运动作了分析解答.1956年美国的西格尔等对二自由度汽车模型引入了横摆运动,并研究了汽车的稳态和瞬间运动特性.1960年到1980年代,随着计算机技术的广泛应用,促进了汽车动力学的研究和发展.到1990年代中期, 较为健全的汽车动力学理论得到建立.第三节 汽车动力学简介汽车动力学主要研究汽车在各种力的作用下的动态特性,并讨论这些动态特性及其对汽车使用性能的影响. 汽车的各项性能,即汽车的动力性,制动性,操纵稳定性及平顺性等,是汽车对所受各种力的响应.汽车在运动过程中所受到的外力,除重力和惯性力外,还有地面通过轮胎传递给汽车的各种力和力矩或空气介质作用于

5、汽车的力和力矩.很多汽车的重要性能都与轮胎有关,因而在讨论整车动力学之前,首先需要研究充气轮胎的力学特性,即研究作用在轮胎上的力和力矩,轮胎的侧偏特性和振动特性等.汽车动力学研究了汽车的驱动力,行驶阻力及其影响因素,以及汽车在行驶方向上的速度和加速度等特性,并根据汽车的动力性及燃油经济性的要求确定汽车动力装置参数,即发动机的功率和传动系的传动比.随着汽车车速的日益提高, 汽车的操纵稳定性越来越重要. 操纵稳定性通常包含互相联系的两个部分:一是操纵性,即汽车能够确切地响应驾驶员转向指令的能力;二是稳定性, 即汽车受到外界扰动后恢复原来运动状态的能力.而稳定性的好坏直接影响操纵性的好坏.图1-3

6、驾驶员-汽车系统图1-3中汽车的输入x是驾驶员给汽车的转向指令,输出y是汽车的转向运动量(横摆角速度或转弯半径等),驾驶员可看作是由观测环节,执行环节和比较环节()三部分组成的调节器.整个系统的输入可以认为是道路输入.所以驾驶员-汽车系统在一定路面和环境下的操纵运动响应,一方面取决于汽车的操纵稳定性,另一方面也取决于驾驶员的行为和技术,两者的良好配合才能获得系统的良好操纵运动响应.汽车操纵稳定性的研究将从建立线性二自由度汽车模型出发,系统分析汽车转向输入的稳态响应和瞬间响应以及汽车悬架,转向系,传动系对操纵稳定性的影响,从而评估汽车的操纵稳定性.汽车动力学的研究方法主要采用两种: 一类是以试验

7、为主的主观评价法;另一类则是以理论分析为主的客观评价法.前者是让试验者根据试验时的感觉来评价汽车的性能及其影响因素;而后者则是通过理论分析来确定汽车评价指标与汽车结构参数的函数关系,即根据物理定律来描述相关的力学特征,建立分析模型和相关方程式来评价汽车的性能.由于汽车系统的复杂性,过去受到计算手段的限制,因而汽车动力学的理论研究不得不采用很多近似方法(如将大量系统,子系统及其之间的关系线性化),实际上不可能建立较完善精确的模型.近几十年来,随着计算机技术的普及应用和迅速发展,使得汽车设计从人工向CAD/CAE/CAM等优化设计转化,使设计和生产一体化,也使得能够建立更加完善的汽车动力学分析模型

8、.通过将汽车动力学与计算机仿真及优化技术相结合,可以极大地减少试制样车过程中的浪费,提高产品质量并降低设计和研制周期.第四节 建立汽车模型的基本方法汽车的动态特性由作用在轮胎上的力,重力及空气阻力等所决定.研究汽车及其部件以确定在何种运动条件下汽车将受到哪些力的作用,在这些力的作用下汽车将如何响应,必须具有一个较精确的系统建模方法.建立模型需要以下基本概念:一、 集中质量为了便于分析,某些部件或模块将被集中在一起考虑,比如在分析制动时,整个汽车可视为一个有一定质量和惯性特征,并集中在汽车质心单元考虑;而在进行汽车的平顺性分析时,通常将车轮作为单独的集中质量,此时代表车身的集中质量称为悬挂质量.

9、二、 车辆坐标系第3章 轮胎力学轮胎是汽车行驶系中介于汽车和路面之间的重要部件.除空气阻力和重力以外,几乎所有影响汽车运动的力和力矩都产生于轮胎与路面的接触区域.轮胎必须具备以下四种基本功能:1) 支承汽车重量;2) 缓冲路面不平产生的冲击载荷;3) 提供足够的纵向力以使汽车加速和制动;4) 提供足够的侧向力以使汽车转向.轮胎的力学特性是决定汽车运动特性的重要因素.尽管轮胎是一个简单的粘弹性体,但却是一个复杂的非线性系统,由质量,弹性元件和阻尼元件组成.第一节 轮胎的结构与规格一、 轮胎的结构汽车广泛使用的是斜交轮胎和子午线轮胎(图2-1),目前在轿车上子午线轮胎已完全取代了斜交轮胎.轮胎中最

10、重要的结构元素是帘布. 帘布是用纵向高模数的经线和各纬线之间的少数纬线织成布,并在布的两面涂上低模数的生胶制成.其帘布层的设计和结构至关重要.设计参数中, 帘线角是帘线方向与轮胎圆周方向所形成的角度,其大小在很大程度上决定了轮胎的力学特性. 帘线角较小时,轮胎能提供较好的方向稳定性;而当其较大时,则能提供较好的平顺性.*斜帘布层轮胎简称斜交轮胎,其名称源于作为轮胎最主要部分的胎体结构.制作斜交轮胎时,第一层帘布与第二层帘布相互交叉并逐层地贴合在成型圆筒上,其帘线角为35- 40.将贴合的帘布层两侧端布卷缠在胎圈钢丝上固定,然后在胎体的外周粘上胎面胶和胎侧胶等.外胎定型后,放入金属制模型内,在内

11、部加高压高热使其硫化,从而制成高弹性的轮胎.经向帘布层轮胎简称子午线轮胎,子午线轮胎制作方式与上不同之处,其帘线角为90,并在胎体膨胀成环状后,贴上强度较高且拉伸变形很小的织物帘布或钢丝帘布带束层, 带束层的帘线角为20左右.所以子午线轮胎的方向稳定性由带束层提供.由于子午线轮胎在成型中有使胎体膨胀的工艺过程,所以造价较高.同时, 带束层容易偏心,故子午线轮胎的制造需要有较高精度的设计和制造技术.优缺点斜交轮胎:因胎体容易拉伸,将路面突起包进去的能力大,故平顺性好.但因载荷作用发生挠曲,各帘布层间产生较大的相对滑动,因而内部摩擦大,发热和滚动阻力也大.同时,曲面状轮胎的一部分与路面接触时变平,

12、从而这部分车胎内发生收缩,这样即使是自由滚动,在胎面和路面间也产生纵向或侧向摩擦力.子午线轮胎:因有带束的张力作用,胎体不易伸缩,故它把突起包进去的能力小.但因带束非常硬,固可用硬质橡胶作为胎面材料,因此耐摩性好.二、 轮胎的规格轮胎的规格通常以断面高度H, 断面宽度B,扁平率(H/B100%),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(英寸),对于子午线轮胎,则用字母“R”表示.例如,依照ISO标准,一子午线轮胎规格为185/60R1582 S, 其中185为断面宽度(毫米);60为扁平率;15为轮辋直径(英寸); 82代表载荷指数,表示其允许

13、的最大载荷为457kg(见表2-1,15页);S代表速度标记,表示其最高速度可达180km/h(见表2-2).第二节 轮胎的坐标系与术语为研究轮胎的力学特性,分析轮胎所受的力和力矩,需建立如图2-2(美国SAE推荐)的一个轮胎坐标系.其中垂直于车轮旋转轴线的轮胎中分平面称为车轮平面.坐标原点O为车轮平面和地平面的交线与车轮旋转轴线在地平面上投影线的交点;x轴为车轮平面与地平面的交线,向前为正;Z轴与地平面垂直,向上为正.轮胎胎面与地面的接触区称为印迹,通常轮胎坐标系的原点称为印迹中心.轮胎坐标系中有如下概念:1) 地面切向反作用力Fx 地平面作用于轮胎上的沿x轴的力;2) 地面侧向反作用力Fy

14、 地平面作用于轮胎上的沿y轴的力,即侧偏力;3) 地面法向反作用力Fz 地平面作用于轮胎上的沿z轴的力;4) 翻转力矩Tx 地平面作用于轮胎上的力绕x轴的转矩;5) 滚动阻力矩Ty 地平面作用于轮胎上的力绕y轴的转矩;6) 回正力矩Tz 地平面作用于轮胎上的力绕z轴的转矩;7) 侧偏角车轮印迹中心位移方向与x轴的夹角,规定轮胎前行时顺时针方向为正;8) 外倾角车轮平面与垂直平面的夹角,车轮向外侧倾时为正;9) 侧偏力Fya 只有侧偏角而外倾角=0时的地面侧向反作用力Fy;10) 外倾侧向力FYy 只有外倾角而侧偏角=0时的地面侧向反作用力Fy;11) 侧偏刚度k 侧偏力对侧偏角的导数;12)

15、外倾刚度ky 外倾侧向力对外倾角的导数.车轮运动参数1. 滑动率车轮滑动率表示车轮相对于纯滚动(或纯滑动)状态的偏离程度,是影响轮胎产生纵向力的一个重要因素.为了使其为正值,驱动时称为滑动率,被驱动时(包括制动)称为滑移率.车轮滑动率s定义如下:驱动时: 制动时: (3-1)其数值在01之间变化.纯滚动时,s=0;纯滑动(制动)时, s=1.2. 轮胎侧偏角轮胎侧偏角是影响轮胎测向力的一个重要因素,定义为:车轮平面(X轴)与车轮中心运动方向的夹角,顺时针方向为正.(3-2)3. 轮胎径向变形车辆行驶过程中遇到路面不平度影响,而使轮胎在半径方向产生的变形.定义为无负载时的轮胎半径rt与负载时的半

16、径rtf之差:=rt-rtf第三节 轮胎的滚动阻力第四节一、 轮胎的滚动阻力的产生机理车轮滚动时,轮胎与地面接触区产生法向和切向的相互作用力,并使轮胎和支承路面变形.本节只讨论平硬地面,对此地面轮胎变形是主要的.轮胎变形时材料的内摩擦产生弹性迟滞损失,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.其中迟滞损失是最主要的,实验数据表明,车速在128-152 km/h时, 迟滞损失约占轮胎滚动阻力的90%-95%,轮胎与路面占2%-10%,空气阻力占1.5%-3.5%.图2-3为9.00-20轮胎在硬路面上受法向载荷时的径向变形曲线.图中OCA

17、为加载变形曲线, 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.两面积之差OCADEO即为加卸载过程中的能量损失,也即充气轮胎的迟滞损失.迟滞损失实际上可表现为阻碍车轮滚动的一种阻力偶:由于弹性迟滞,处于压缩过程的轮胎前面接地部分的变形大于处于恢复过程的后部的变形,所以路面对轮胎的法向反作用力也是前面大于后面,从而使反作用力的合力向前移了一个距离a(如图2-4a),它随弹性迟滞损失的增大而变大.合力Fz与法向载荷W大小相等,方向相反.如果将法向反作用力Fz平移至车轮中心垂线重合,则从动轮在硬路面上滚动的受力如图2-4b所示,即有滚动

18、力矩Tf=Fz*a阻碍车轮滚动.由图可知,欲使车轮在硬路面等速滚动,必须在轮中心加一推力Fpl,它与地面切向反作用力构成一个力矩来克服阻力矩,此地面切向反作用力为车轮滚动阻力,滚动系数f即为车轮滚动阻力与车轮法向载荷之比.由平衡条件:= 故 令 考虑到Fz与W大小相等,常将表示为=或可见,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载荷之比.或者说,滚动阻力等于滚动阻力系数与车轮载荷之乘积:= 且 同理,在驱动轮上也作用有滚动力偶矩,图2-5为驱动轮在硬路面上等速滚动时的受力图.图中为驱动力矩所引起的道路对车轮的切向反作用力. 为驱动轴作用于车轮的水平力. 法向反作用力Fz也由于车轮迟

19、滞现象前移了距离a,即在驱动轮上也作用有滚动阻力偶矩Tf.由平衡条件得可见,真正作用在驱动轮上驱动汽车行驶的力为地面切向反作用力.二、 轮胎滚动阻力的影响因素滚动阻力系数是由试验确定的,它与轮胎的结构、材料、气压和路面以及车速等因素有关: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2-6给出了用于载重汽车和公共汽车的斜交轮胎和子午线轮胎在不同车速下的滚动阻力系数.子午线轮胎的滚动阻力系数较低,一般为0.01左右,而斜交轮胎为0.015左右.2. 轮胎结构设计参数轮胎行驶面设计参数对滚动损失有很大作用.如减小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

20、两肩部厚度,都能降低滚动损失.此外,采用纵向曲折、条形花纹都可以减小滚动阻力.试验表明, 胎面胶厚度每减少1 mm,轿车轮胎滚动损失将减少1%,载重汽车轮胎减少3%;胎肩部厚度若从14 mm减小到10 mm, 轮胎滚动损失可减少7%左右.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2-7所示.当气压增加一倍时,横沟形花纹斜交轮胎的滚动阻力系数约降低28%,纵沟形花纹斜交轮胎约降低22%,而子午线轮胎约降低15%.4. 轮胎垂直载荷轮胎的滚动阻力一般与垂直载荷成

21、比例增加,因为轮胎的变形大致上与垂直载荷成比例.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. 图2-8为载重汽车和公共汽车轮胎的气压一定, 载荷变化时的滚动阻力系数.可见各种汽车的各型轮胎的滚动阻力系数几乎都不随垂直载荷变化.5. 行驶车速行驶车速对滚动阻力系数的影响很大. 图2-9说明,在车速低于120 km/h时, 滚动阻力随车速的提高稍为有些增加.这种倾向对各种轮胎大致相同,这是因为在轮胎滚动阻力产生的机理中,胎面与地面的摩擦大致遵循库仑摩擦定律,而与速度无关.但在某一车速以上时滚动阻力却增长较快,车速达到某一临界车速左右时, 滚动阻力迅速增长,此时轮胎产生驻波现象,轮胎周缘不

22、再是圆形而呈明显的波浪状.出现驻波后,不但滚动阻力显著增加,轮胎的温度也很快增加到100以上,轮胎面与轮胎帘布层脱落,几分钟内轮胎就会爆破.6. 驱动转矩轮胎的滚动阻力系数随着驱动轮上的转矩增加而增大.这是因为在驱动转矩的作用下,胎面相对于地面有一定程度的滑动,增加了轮胎滚动时的能量耗损. 图2-10是由试验得到的滚动阻力系数与驱动力系数的关系曲线. 驱动力系数为驱动力与垂直载荷之比.随着驱动力系数的增加,滚动阻力系数迅速增加;此外, 子午线轮胎的滚动阻力系数较小, 驱动力系数变化对其影响也较小.7. 轮胎工作温度若轮胎的温度升高,则滚动阻力降低,如图2-11 所示.此外,外界气温对轮胎的滚动

23、阻力也有影响(图2-12). 图2-11每上升10, 滚动阻力约降低4%.试验数据表明: 轮胎温度的变化量约为外界气温变化量的1/3.所以, 外界气温对轮胎滚动阻力的影响相当大.8. 路面类型由表2-3,通常在平硬且干燥的路面,其滚动阻力比坑洼路面低得多,而潮湿路面上的滚动阻力较大.路面类型滚动阻力系数路面类型滚动阻力系数良好的沥青或混凝土路面0.010-0.018压紧土路:雨后的0.050-0.150一般的沥青或混凝土路面0.018-0.020泥泞土路(雨季或解冻期)0.100-0.250碎石路面0.020-0.025干砂路面0.100-0.300良好的卵石路面0.025-0.030湿砂路面

24、0.060-0.150坑洼的卵石路面0.035-0.050结冰的路面0.015-0.030压紧土路:干燥的0.025-0.035压紧的雪道0.030-0.0509. 轮胎侧偏角和外倾角轮胎侧偏角对轮胎滚动损失有很大的影响.在转弯行驶时,轮胎发生侧偏现象,其滚动阻力大幅度增加. 图2-13为转弯时滚动阻力与车速的关系.试验表明,这种由于转弯行驶增加的滚动阻力已接近直线行驶时的50%-100%.但转弯增加的阻力在一般的动力性分析中常不考虑. 图2-14显示滚动阻力系数随车轮外倾角的增大而增加.小结:1) 采用子午线轮胎能极大地降低轮胎内部摩擦损失;2) 提高轮胎内气压,减小变形是降低滚动阻力的有效

25、措施.但另一方面会使径向刚度增加,导致汽车平顺性变坏,同时使轮胎的回正力矩减小,操纵性能降低;3) 改善轮胎用材料,减少轮胎体积.三、 轮胎滚动阻力系数的经验计算由于滚动阻力与轮胎的设计参数的关系太复杂,以致难以用分析方法计算,因此滚动阻力一般依靠试验得到.如加拿大黄祖元博士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(车速128 km/h):(2-2)式中,ua为车速(km/h).美国密执安大学(UMTRI)提出的计算载重汽车的滚动阻力系数的经验公式为 (子午线轮胎)(2-3) (斜交轮胎)(2-4)式中, Ch为路面系数.良好混凝土路面Ch=1;磨损混凝土及冷沥青路面Ch=1.2;

26、热沥青路面Ch=1.5.第四节 轮胎切向力与附着性能当轮胎受驱动力矩Tt或制动力矩T作用时,地面将对轮胎在接地点作用有驱动力Ft=Tt/r或制动力Fxb =T /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FXmax =Fz= F,其中为附着系数, F为附着力.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,这是由于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FXmax*r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:驱动时轮胎出现“打

27、滑”,制动时出现“抱死拖滑”现象.图2-15为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前方受压缩,由于轮胎在进入接触区以前已经被压缩, 轮胎行驶的距离将比自由滚动时的距离少.这种现象称为变形滑转.图2-16,同理,当制动力作用于轮胎时,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自由滚动时的大.通常用滑动率来说明轮胎在汽车行驶过程中变形滑转成分的多少.对于驱动工况,驱动滑动率由下式确定 (2-5)式中为车轮中心速度; 为车轮的角速度; 为自由滚动轮胎的滚动半径; 为轮胎的有效滚动半径. 对于制动工况,制动滑动率由下式确定(2-6)因此,

28、车轮作纯自由滚动时,滑动率=0;车轮制动抱死完全拖滑时, =0,=100%;车轮边滚边滑时,0100%.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载荷之比为制动力系数b,驱动力系数和制动力系数统称为附着系数,在不同滑动率时,附着系数的值不相同. 图2-17(P29)为附着系数与滑动率的关系曲线. 曲线下特点:1) 在=0-15%之间, 附着系数随滑动率线性增长.这是因为初始的车轮滑转主要是轮胎的弹性变形引起的.2) 在=15%-20%附近, 可达最大值,称为峰值附着系数p.3) 在=20%-100%之间, 随着的增加,曲线下降,在滑动率为100%时附着系数降为s, 称为滑动

29、附着系数.从p激烈降低为s产生一种不稳定状态.通常p与s的大致关系为,干燥路面p1.2s;而在湿路面上时,p1.3s.以上的轮胎特性曲线是在轮胎没有受到侧向力作用的条件下测得的.而实际行驶时,轮胎时常受侧向力的作用而发生侧偏或侧滑. 图2-18为试验得到的、在侧向力作用下轮胎发生侧偏时的制动力系数b,侧向力系数1和滑动率的关系曲线.令侧向力系数1为轮胎侧向力与垂直载荷之比.可见,越低,同一侧偏角条件下的1越大,即轮胎保持转向、防止侧滑的能力越强.但是随着的增加, 同一侧偏角条件下的侧向力系数1将迅速下降,汽车很快进入不稳定区,特别在=100%时, 1接近于0,汽车将不能承受侧向力而发生侧滑,当

30、然这仅在极端情况下才会出现.大多数情况下,在滑动率=20%-25%时,汽车已在极限范围内行驶.所以,制动时应使保持在较低值,以便获得较大的制动力系数b和较高的侧向力系数1.轮胎与地面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%-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%-40%.因此,国际公路协会规定了不同路面的最低附着系数在0.4-0.6之间.附着系数的数值主要取决于道路的材料、路面状况、轮胎结构、胎面花纹、所用材料、轮胎载荷、气压及汽车速度等因素:1) 路面类型不同的路面状况有不同的附着系数,它是对轮胎附着性能影响最大的一个

31、因素. 2-19是斜交轮胎在各种路面上的b-曲线.可见路面状况对b-曲线形状影响很大,干燥路面的p与s较高,而在结冰路面上p与s下降很多.表2-4为同一轮胎在不同路面上的平均附着系数. 路面结构对排水能力有很大影响.为了增加潮湿时的附着能力,路面的微观结构应具是粗糙且有一定的尖锐棱角,以穿透水膜,使路面与胎面直接接触.表2-4不同路面上的平均附着系数路面类型峰值附着系数p滑动附着系数 s沥青或混凝土路(干)0.8-0.90.75沥青(湿)0.5-0.70.45-0.6混凝土(湿)0.80.7砾石0.60.55土路(干)0.680.65土路(湿)0.550.4-0.5雪(压紧)0.20.15冰0

32、.10.072) 轮胎结构及所用材料轮胎结构与材料对附着系数有很大影响,改变轮胎结构参数(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,这样可获得较高的附着性能;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.通常子午线轮胎与宽断面、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.车轮在滚动过程中,轮胎要吸收大量的能量.已经证明,若轮胎具有较大滞后损耗值,则它与路面具有较大附着系数.合成胶轮胎的附着系数

33、较天然胶轮胎高.3) 轮胎载荷及气压增加轮胎的垂直载荷将使附着系数减小,如图2-20(P33)所示, 附着系数的变化接近于线性关系.通常在轮胎的额定载荷附近,载荷每增加10%,附着系数将减小0.01. 图2-21(P33)为在三种不同路面状况下,轮胎气压对附着系数的影响.对于每一种轮胎,都有相应最大附着系数的固有气压.4) 车速车速对附着系数也有一定影响.图2-22(P34)是某型货车不同车速的b-曲线:在不同车速时, b与s值均有一些变化,特别是在车速低于32 km/h时,随着车速的降低, b与s值略有增加.在潮湿路面上,由于车速提高使车轮与路面接触区排水较困难,附着系数随车速的增加而下降.

34、特别是当路面上水膜有一定厚度时,车速若继续增加,可能会产生滑水现象(见第六节), 附着系数将急剧下降.第五节 轮胎的偏侧特性轮胎的侧偏特性是轮胎力学特征的一个重要组成部分. 侧偏特性主要是指侧偏力、回正力矩与侧偏角之间的关系,是研究汽车操纵稳定性的基础.一、 侧偏角与侧偏力汽车行驶时,由于曲线行驶时的离心力、路面的侧向倾斜或受侧向风的作用,车轮中心将受到一个侧向力Fy,相应在地面上产生地面侧向反作用力FY,由于轮胎具有侧向弹性,在轮胎胎面中心线上表出各点A0、A1、A2、A3、A4将发生扭曲,如图2-23所示.随着车轮滚动,上述各点将落于,其连线所形成的轨迹a-a线与车轮平面和地面交线c-c之

35、间形成夹角,即为轮胎的侧偏现象,此角称为侧偏角,FY称为侧偏力. 车轮侧偏时沿a-a线滚动, 侧偏角的数值显然与侧偏力FY的大小有关.图2-24给出了一条由试验测出的侧偏角与侧偏力FY的关系曲线:当侧偏角不超过3-5时, 与FY成线性关系.汽车正常行驶时,侧向加速度不超过0.4g, 侧偏角不超过4-5,故可以认为侧偏角与侧偏力FY成线性关系并以下式表示FY=(2-7)式中,为轮胎侧偏刚度,是FY-曲线在=0处的斜率,单位为N/rad()由轮胎坐标系可知,负的侧偏力产生正的侧偏角,因此侧偏刚度为负值,小型轿车轮胎的值约在-28000-80000N/rad之间. 侧偏刚度是决定汽车操纵稳定性的重要

36、轮胎参数,轮胎应有较高的侧偏刚度(绝对值),以保证良好的操纵稳定性.图2-24还显示,在较大的侧偏力时,轮胎的侧偏角以较大的速率增长,即FY-曲线的斜率逐渐减小,这时轮胎在接地面处已发生部分侧滑.最后,当侧偏力达到附着极限时,整个轮胎侧滑.显然, 轮胎的最大侧偏力决定于附着条件,即轮胎结构、材料、花纹、充气压力,垂直载荷,路面的结构、材料、干湿程度以及车轮的外倾角等.一般而言, 最大侧偏力越大,汽车的转向极限性能就越好.影响轮胎侧偏特性的主要因素为a) 轮胎的结构轮胎的结构类型对侧偏刚度有显著影响.如图2-25所示,同一规格的子午线轮胎比斜交轮胎有较大的侧偏刚度. 子午线轮胎接地面宽,一般具有

37、较大的侧偏刚度.尺寸较大的轮胎有较高的侧偏刚度.轮胎胎面花纹与轮胎磨损程度对侧偏特性也有影响.b) 轮胎的扁平率图2-26为扁平率对轮胎侧偏刚度的影响也较大.采用扁平率小的宽轮胎是提高侧偏刚度的主要措施, 图2-27(P38)给出了四种轮胎的侧偏刚度与垂直载荷的关系曲线.可见, 扁平率为60%的D.60系列轮胎的侧偏刚度有大幅度提高.目前现代轿车采用轮胎的扁平率逐渐减小,而运动型轿车轮胎的扁平率更低.c) 垂直载荷垂直载荷的变化对轮胎侧偏特性有显著影响. 图2-28所示, 侧偏力随垂直载荷的增加而增大.但垂直载荷过大时,轮胎产生很大的径向变形,且与地面接触区压力极不均匀, 侧偏力反而会有所减小

38、.d) 充气压力轮胎的气压对侧偏特性也有一定程度的影响. 图2-29表明随气压的增加, 侧偏力增大.但气压过高后侧偏力不再增大.e) 路面类型及干湿状况路面类型及干湿状况对侧偏特性,尤其是最大侧偏力有很大影响,如图2-30所示.在同一侧偏角下,轮胎的侧偏力在湿路面上明显地下降.f) 车速车速对侧偏力的影响很小, 如图2-31(P40)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.二、 侧倾角与外倾侧向力轮胎滚动时,其车轮与地面不垂直而产生侧向反作用力,是保证汽车操纵稳定性的重要组成部分.车轮平面与道路垂直平面夹角称为车轮外倾角g.一般轿车前轮空载时取

39、微小正外倾角g=5-10,以使轮胎垂直于拱形路面而获得较小滚动阻力,而载客后,则应有微小的负外倾角.车轮有外倾角时,将有绕旋转轴线与地面交点O的滚动趋势,但实际由于前轴的约束,车轮不能自由地绕O点滚动,车轮中心必作用一侧向力Fy,相应地在地面接触区产生一与此相反的侧向反作用力Fyg.图2-33为实验得到的外倾向力Fyg与外倾角g的关系,关系式如下:Fyg=kgg (2-8)kg称为外倾刚度(N/rad).图2-34为实验得到的不同外倾角下轮胎的侧偏特性.既有侧偏角又有外倾角时,因两者一般都不大,可认为是彼此独立的,可用叠加合成:(2-9)外倾刚度与轮胎侧向弹性有密切关系,通常轮胎的外倾刚度大小

40、只有侧偏刚度的10-20%.外倾角增大时,轮胎与路面的接触越来越差,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,使轮胎过度磨损.三、 回正力矩轮胎侧偏时,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.如图所示,回正力矩是由接地面内分布的微元侧向反力产生的,车轮在静止时受侧向力后,印迹长轴线aa与车轮平面cc平行,错开h,即印迹长轴线aa各点相对于cc平面的横向变形均为h,故可认为地面侧向反作用力沿线aa是均匀分布的.车轮滚动时,由于印迹长轴线aa与车轮平面cc错开了一定距离并转动了角,因而印迹前端离车轮平面较近

41、,侧向变形小,后端侧向变形则较大.地面微元侧向反作用力的分布可认为与变形成正比,故其合力的大小与侧向力相等,但作用点在偏后方,偏离距离e,称为轮胎拖距,力矩就是使轮胎绕Oz轴转动的回正力矩Tz.在增大时,接地印迹内地面微元反作用力的分布如2-36c所示.当增加到一定程度时,后面的某些部分便达到附着极限,轮胎拖距会逐渐减小,直至整个接地印迹发生侧滑.回正力矩对汽车的横摆运动影响较小,但对其转向系却有很大影响,它总是将轮胎向汽车直线行驶方向转动,所以直接影响汽车的操纵稳定性.图2-37是实验得到的回正力矩-侧偏角关系曲线:回正力矩随侧偏角一起增大,在侧偏角约达到5时, 回正力矩达到最大值;但随着侧

42、偏角进一步增大,因轮胎接地后部出现滑动,轮胎拖距变小,回正力矩反而也变小.四、 驱动、制动时的侧偏特性第五节 轮胎垂向力学特性一、轮胎1垂向特性在法向载荷作用下,通常以轮胎所受载荷和变形曲线来表示轮胎的刚度特性,轮胎载荷与垂向变形呈线性关系.在基本行驶力学模型中,常将轮胎简化为刚度恒定的一个线性弹簧.1.静刚度图3-40,41分别为斜交轮胎和子午轮胎在不同充气压力下的刚度特性曲线,其每一条刚度曲线的原点均沿变形轴方向偏移了与充气压力成一定比例的一段距离.轮胎的静态垂向刚度由其曲线的斜率决定.2.非滚动动刚度非滚动轮胎的动刚度可由不同的方法获得.最简单的方法之一就是所谓”下抛实验:在一定载荷作用

43、下的轮胎从某高度自由下抛,这个高度使得轮胎刚好与地面接触后上下震动但胎面不脱离地面,其瞬态响应被记录,典型的衰减振动轨迹如图3-43所示.等效粘性阻尼系数和轮胎动刚度可根据衰减曲线分析得出,分别为4. 滚动动刚度第六节 轮胎侧向力学特性纯转向工况侧偏角,垂向载荷和前轮外倾角是影响轮胎侧向力的最重要因素.图3-49和图3-40分别说明了侧向力,回正力矩与侧偏角,垂向载荷及前轮外倾角的相互关系.由图可见,无论何种情况,当侧偏角,垂向载荷及前轮外倾角超过一定范围时,各变量间的线性关系将不复存在.联合工况实际上,轮胎的垂向载荷,侧向力与纵向力之间均相互有影响.在不平路面车辆转弯加速(或制动)时,前面介绍的几种轮胎特性必须同时考虑.在上述各种力的联合影响下,轮胎同时具有侧向力和纵向力,研究表明,轮胎印迹内所产生的合力是一定的.轮胎可获得的合力通常用图3-54所示的曲线族表示,一般称之为”摩擦椭圆”.它表示在给定一系列滑移率或侧偏角情况下,轮胎侧向力与纵向力的关系曲线.由图可见,由于最大摩擦力的限制,轮胎不可能同时获得最大的侧向力和最大的纵向力.当轮胎驱动力或制动力最大时,无侧向力可利用,只有当纵向力为零时,侧向力才能达到最大值.最普通的实例:当前轮抱死打滑时,便没有侧向力,从而丧失转向能力.47