第1讲-汽车轮胎动力学与建模方法分析解析.ppt

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1、轮胎动力学及建模方法轮胎动力学及建模方法第一讲第一讲o1.1轮胎的功能、结构及发展轮胎的功能、结构及发展o1.2轮胎模型轮胎模型o1.3轮胎纵向力学特性轮胎纵向力学特性o1.4轮胎垂向力学特性轮胎垂向力学特性o1.5轮胎侧向力学特性轮胎侧向力学特性1.1轮胎的功能及结构轮胎的功能及结构o三种轮胎必备的基本功能：三种轮胎必备的基本功能：1 1）支撑垂直负载，同时缓冲路面冲击支撑垂直负载，同时缓冲路面冲击 2 2）产生纵向的加速和制动力产生纵向的加速和制动力 3 3）产生供转向的侧向力产生供转向的侧向力o轮胎基本结构轮胎基本结构 1 1）胎体）胎体轮胎最重要的部分，其结构决定了轮胎最重要的部分，其

2、结构决定了轮胎的基本性能轮胎的基本性能 2 2）胎圈）胎圈便于胎体从轮辋上装卸，需有一定便于胎体从轮辋上装卸，需有一定刚度，以保证与轮辋紧密贴合刚度，以保证与轮辋紧密贴合 3 3）胎面）胎面包括胎冠、胎肩和胎侧包括胎冠、胎肩和胎侧轮胎结构实例轮胎结构实例 图图1-1 斜交胎和子午胎的结构实例斜交胎和子午胎的结构实例1.2 轮胎模型轮胎模型o轮胎运动坐标系轮胎运动坐标系o幂指数统一轮胎模型幂指数统一轮胎模型o“魔术公式魔术公式”轮胎模型（轮胎模型（Magic Formula Tire Model）oSWIFT轮胎模型轮胎模型轮胎运动坐标系轮胎运动坐标系图图1-2 1-2 轮胎的坐标系与地面作用于

3、轮胎的力和力矩轮胎的坐标系与地面作用于轮胎的力和力矩幂指数统一轮胎模型幂指数统一轮胎模型o稳态纵滑侧偏联合工况时，轮胎的纵向力稳态纵滑侧偏联合工况时，轮胎的纵向力 、侧向力、侧向力 与回正力矩与回正力矩 的表达式：的表达式：无量纲总切向力，无量纲总切向力，相对总滑移率，相对总滑移率，轮胎的侧向偏矩，轮胎的侧向偏矩，侧向刚度，侧向刚度，式中式中 均由试验数据拟合得到均由试验数据拟合得到 o幂指数统一轮胎模型的特点：幂指数统一轮胎模型的特点：1 1）采用了无量纲表达式，其优点在于由纯工况）采用了无量纲表达式，其优点在于由纯工况下的一次台架试验得到的试验数据可用于各种下的一次台架试验得到的试验数据可

4、用于各种不同的路面不同的路面 2 2）无论是纯工况还是联合工况，其表达式是统）无论是纯工况还是联合工况，其表达式是统一的一的 3 3）可表达各种垂向载荷下的轮胎特性）可表达各种垂向载荷下的轮胎特性 4 4）保证了可用较少的模型参数实现全域范围内）保证了可用较少的模型参数实现全域范围内的计算精度，参数拟合方便，计算量小的计算精度，参数拟合方便，计算量小 5 5）能拟合原点刚度）能拟合原点刚度“魔术公式魔术公式”轮胎模型轮胎模型（Magic Formula Tire Model）o“魔术公式魔术公式”轮胎模型表达式：轮胎模型表达式：o式中，式中，y y可以是纵向力侧向力或回正力矩，可以是纵向力侧向

5、力或回正力矩，自变量自变量x x可以在不同的情况下分别表示轮胎可以在不同的情况下分别表示轮胎的侧偏角或纵向滑移率的侧偏角或纵向滑移率 “魔术公式魔术公式”轮胎模型的特点轮胎模型的特点 1 1）统一性强，编程方便，需拟合参数较少，）统一性强，编程方便，需拟合参数较少，且各个参数都有明确的物理意义，容易确定且各个参数都有明确的物理意义，容易确定其初值其初值 2 2）拟合精度比较高）拟合精度比较高 3 3）参数的拟合较困难，计算量大）参数的拟合较困难，计算量大 4 4）c c值的变化对拟合的误差影响较大值的变化对拟合的误差影响较大 5 5）不能很好地拟合小侧偏情况下轮胎的侧偏）不能很好地拟合小侧偏情

6、况下轮胎的侧偏特性特性1.3轮胎纵向力学特性轮胎纵向力学特性1）滚动阻力（）滚动阻力（Rolling resistance）A）滚动阻力是如何形成的？）滚动阻力是如何形成的？B）构成：）构成：C）滚动阻力的影响因素：）滚动阻力的影响因素：A）滚动阻力是如何形成的？滚动阻力是如何形成的？o弹性车轮在硬路面上的滚动弹性车轮在硬路面上的滚动o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o加载前后胎侧形状的变化加载前后胎侧形状的变化o轮胎径向压缩模式图轮胎径向压缩模式图o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o滚动阻力滚动阻力(波阻波阻)示意图

7、示意图弹性车轮在硬路面上的滚动弹性车轮在硬路面上的滚动图图1-3 1-3 弹性车轮在硬路面上滚动弹性车轮在硬路面上滚动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图图1-4 1-4 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滚动阻力滚动阻力oF Fp1p1=T Tf f/r/r=F Fz z(a/r)(a/r)o令令f=(a/r)f=(a/r)而而F Fz z=W=WoF Fp1p1=W f=W fof f 称为滚动阻力系数称为滚动阻力系数加载前后胎侧形状的变化加载前后胎侧形状的变化图图1-5 1-5 加载前后胎侧形加载前后胎侧形状的变化（载荷状的变化

8、（载荷:4.448KN;:4.448KN;气压气压:210KPa):210KPa)轮胎径向压缩模式图轮胎径向压缩模式图图图1-6 1-6 轮胎径向压缩模式图轮胎径向压缩模式图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图图1-71-7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滚动阻力滚动阻力(波阻波阻)示意图示意图o不平路面造成的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，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

9、造成了平均值不为零的振荡的FuFu和和FzFz减振减振器压缩和伸长时做了功，这个功与汽车行驶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），见过的路程之比被看作滚动阻力（波阻），见图图图图1-8 1-8 滚动阻力滚动阻力(波阻波阻)示意图示意图B）构成：）构成：There are at least seven mechanisms responsible for rolling resistance:o1)Energy less due to deflection of the tire side wall near the contact area.o2)Energ

10、y loss due to deflection of the treads elements（外胎面）（外胎面）.o3)Scrubbing in the contact patch.o4)Tire slip in the longitudinal and lateral directions.o5)Deflection of the road surface.o6)Air drag on the inside and outside of the tire.o7)Energy loss on bumps.C）滚动阻力的影响因素：滚动阻力的影响因素：o（1）车速）车速o（2）轮胎气压）轮胎气压

11、o（3）轮胎结构）轮胎结构o（4）路面）路面o（5）温度）温度o（6）转弯行驶）转弯行驶o（7）驱动力系数）驱动力系数Rolling resistance versus speed.图图1-91-9 Rollingresistanceversusspeed滚动阻力系数滚动阻力系数f的数值（不同路面）的数值（不同路面）图图1-10 1-10 滚动阻力滚动阻力系数系数f f的数值的数值（不同路面）（不同路面）轿车轮胎的滚动阻力系数与车速轿车轮胎的滚动阻力系数与车速.压力的关系曲线压力的关系曲线图图1-111-11轿车轮胎的滚动阻力系数与车速轿车轮胎的滚动阻力系数与车速.压力的关系曲线压力的关系曲线

12、滚动阻力系数与充气压力、径向载荷的关系滚动阻力系数与充气压力、径向载荷的关系图图1-12 1-12 滚动阻力系数与充气压力、径向载荷的关系滚动阻力系数与充气压力、径向载荷的关系转弯时的滚动阻力与车速的关系转弯时的滚动阻力与车速的关系图图1-13 1-13 转弯时的滚动阻力与车速的关系转弯时的滚动阻力与车速的关系Relative tire temperature and rolling resistance during warm-up图图1-141-14 Relativetiretemperatureandrollingresistanceduringwarm-up滚动阻力滚动阻力o有有人人推

13、推荐荐用用下下式式计计算算良良好好道道路路上上货货车车轮轮胎胎滚动阻力系数滚动阻力系数f f0.00760.00760.000056u0.000056ua ao有人推荐用下面的公式估算轿车轮胎在良有人推荐用下面的公式估算轿车轮胎在良好路面上的滚动阻力系数好路面上的滚动阻力系数 ：对转鼓上测得的各试验曲线进行拟合，求得对转鼓上测得的各试验曲线进行拟合，求得上式中的系数上式中的系数f0f0、f1f1、f4f4的数值如下：的数值如下：SRHRSRMSf00.00720.0120以以上上0.00810.00980.00850.0120f10.000250.002800.00120.00250.0025

14、0.0034f40.000650.002以以上上0.00020.00040.00050.0010滚动阻力系数与驱动力系数的关系滚动阻力系数与驱动力系数的关系(驱动驱动力系数：驱动力与徑向载荷之比力系数：驱动力与徑向载荷之比)图图1-15 1-15 滚动阻力系数与驱动力系数的关系滚动阻力系数与驱动力系数的关系(驱动力系数驱动力系数:驱动力与徑向载荷之比驱动力与徑向载荷之比)硬路面上的附着系数硬路面上的附着系数n1、车轮的三态l纯滚动v=r*硬路面上的附着系数硬路面上的附着系数n1、车轮的三态 l驱动车轮vr*滑动率滑动率o定义定义图图1-16 1-16 制动时轮胎留在地制动时轮胎留在地面上的印痕

15、面上的印痕滑动率滑动率o制动力系数制动力系数b=Fxb/N-制制动力与垂直载荷之动力与垂直载荷之比比o峰值附着系数峰值附着系数p与与滑动附着系数滑动附着系数so侧向力系数侧向力系数l-侧向力与垂直载荷侧向力与垂直载荷之比之比2、滑动率、滑动率图图1-17 1-17 有侧偏时的有侧偏时的 、曲线曲线 影响附着系数的因素影响附着系数的因素o路面路面图图1-18 1-18 各种路面上的各种路面上的 曲线曲线影响附着系数的因素影响附着系数的因素o路面路面o车速车速图图1-19 1-19 车轮对制动力系数车轮对制动力系数曲线的影响曲线的影响影响附着系数的因素影响附着系数的因素o路面路面o车速车速o轮胎花

16、纹轮胎花纹o SmSm-无花纹光胎无花纹光胎面面RbdRbd-有沟槽胎有沟槽胎面面 SpdSpd-有沟槽有沟槽且有小切缝胎面且有小切缝胎面滑水现象滑水现象1.41.4轮胎垂向力学特性轮胎垂向力学特性o轮胎的垂向特性轮胎的垂向特性 充气轮胎的一个基本功能是在不平路面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行驶平顺性行驶稳定性和制动性均有重要

17、影响。响。静刚度静刚度图图1-23 1651-23 1653 3型子午线轿车轮胎的静载荷与变形的型子午线轿车轮胎的静载荷与变形的关系关系动刚度动刚度图图1-24 1-24 车速对轿车滚动轮胎动刚度的影车速对轿车滚动轮胎动刚度的影响响轮胎垂直振动的力学模型轮胎垂直振动的力学模型图图1-25 1-25 点接触式线性弹簧点接触式线性弹簧粘性阻尼模型粘性阻尼模型试验时汽车悬架被试验时汽车悬架被卡死卡死,激励由装有激励由装有正弦波鼓面的转鼓正弦波鼓面的转鼓试验台产生，每周试验台产生，每周6 6个波峰，正弦波个波峰，正弦波幅值幅值0.01m0.01m，波长，波长0.696m0.696m图图1-26 1-2

18、6 不同工况下轮胎垂直振动加速度响应谱的计算值与试验值不同工况下轮胎垂直振动加速度响应谱的计算值与试验值比较比较 1.5 轮胎的侧向力学特性轮胎的侧向力学特性o一、直线行驶：轮胎承受垂直力和纵向力，一、直线行驶：轮胎承受垂直力和纵向力，纵向力有制动力、驱动力、滚动阻力。用纵纵向力有制动力、驱动力、滚动阻力。用纵向附着系数模型来解决制动力、驱动力与垂向附着系数模型来解决制动力、驱动力与垂直力的关系，用滚动阻力系数模型来解决滚直力的关系，用滚动阻力系数模型来解决滚动阻力与垂直力的关系。难点：附着效率和动阻力与垂直力的关系。难点：附着效率和制动效率制动效率o二、曲线行驶：侧向力二、曲线行驶：侧向力轮

19、胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性侧向力FySide force侧偏力FY Cornering force车轮如何滚动？车轮如何滚动？图图1-27 1-27 轮胎的侧偏现象轮胎的侧偏现象 a)a)静止静止 b)b)滚动滚动 轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性侧向力FySide force侧偏力FY Cornering force图图1-28 1-28 轮胎的侧偏现象轮胎的侧偏现象 a)a)静止静止 b)b)滚动滚动 轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性o三、轮胎的侧偏现象三、轮胎的侧偏现象1 1、定义：、定义：o侧偏角:车轮行驶方向与车轮平面的夹角称为侧偏角。2 2、方向：、方向：轮胎的

20、侧偏特性轮胎的侧偏特性o问题：图问题：图5 57 7中车轮的侧偏角是正还是负？中车轮的侧偏角是正还是负？XyFY0 0轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性o轮胎的侧偏角和侧轮胎的侧偏角和侧偏力的关系（见试偏力的关系（见试验曲线）验曲线）o小于小于4 45 5度，是线度，是线性关系，性关系，0 0度时的斜度时的斜率是侧偏刚度率是侧偏刚度 。o侧偏刚度侧偏刚度 F FY Y=K=K oK0K0轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性o四、四、侧偏刚度侧偏刚度的影响因素的影响因素o轮胎的尺寸、轮胎的尺寸、型式和结构参型式和结构参数对侧偏刚度数对侧偏刚度有显著影响，

21、有显著影响，扁平率对轮胎扁平率对轮胎侧偏刚度影响侧偏刚度影响很大。很大。图图1-29 1-29 几种不同扁平率子午线胎几种不同扁平率子午线胎的侧偏刚度与载荷的关系曲线的侧偏刚度与载荷的关系曲线A-82A-82系列系列 B-70B-70系列系列 C-C-高性能高性能7070系列系列 D-60D-60系列系列轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性o四、四、侧偏刚侧偏刚度的影响因度的影响因素：素：o轮胎的充气轮胎的充气压力对侧偏压力对侧偏刚度也有显刚度也有显著影响著影响图图1-30 1-30 轮胎充气压力对侧偏刚度的影响轮胎充气压力对侧偏刚度的影响轮胎轮胎:6.40-13:6.40-13 速度为速度为11m/

22、s11m/s垂直载荷垂直载荷 W=4000NW=4000N轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性o四、四、侧侧偏刚度偏刚度的影响的影响因素：因素：o垂直载垂直载荷的变荷的变化对轮化对轮胎侧偏胎侧偏特性有特性有显著影显著影响响图图1-31 1-31 垂直载荷对侧偏特性的影响垂直载荷对侧偏特性的影响轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性四、四、侧偏刚度的影响因素：路面侧偏刚度的影响因素：路面图图1-321-32干路面和湿路面上的侧偏特性干路面和湿路面上的侧偏特性a a干沥青路面干沥青路面,速度为速度为16.1Km/h16.1Km/hb b湿混凝土路面湿混凝土路面,速度为速度为32.2Km/h32.2Km/hC C湿沥

23、青路面，湿沥青路面，速度为速度为14.5Km/h14.5Km/h轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性o四、四、侧偏刚度的影响因素：侧偏刚度的影响因素：o行驶车速对侧偏刚度的影响很小行驶车速对侧偏刚度的影响很小。轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性o五、回正力矩五、回正力矩绕轴的力矩：回正绕轴的力矩：回正力矩是由接地面内分布的微元侧向反力产力矩是由接地面内分布的微元侧向反力产生的。生的。图图1-33 1-33 接地印迹内地面侧向反作用力的接地印迹内地面侧向反作用力的分布及回正力矩的产生分布及回正力矩的产生轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性o回正力矩的回正力矩的影响因素影响因素：o垂直载荷垂直载荷轮胎的侧偏特性轮胎的侧

24、偏特性o回正力矩回正力矩的影响因的影响因素：素：o轮胎的型轮胎的型式及结构式及结构参数对回参数对回正力矩一正力矩一侧偏角特侧偏角特性有重要性有重要影响。影响。轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性o回正力矩回正力矩的影响因的影响因素：地面素：地面切向反作切向反作用力对回用力对回正力矩的正力矩的影响影响图图1-34 1-34 地面切向反作用力对地面切向反作用力对 回回正力矩的影响正力矩的影响轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性o五、有外倾角时轮胎的滚动五、有外倾角时轮胎的滚动图图1-35 1-35 车轮外倾角与外侧向力车轮外倾角与外侧向力轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性图图1 136 36 有外倾角时轮胎的侧偏特性有

25、外倾角时轮胎的侧偏特性a)a)外倾角与外倾侧向力的关系外倾角与外倾侧向力的关系b),cb),c)有外倾角时的侧偏特有外倾角时的侧偏特性性轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性o）、为三条相为三条相互平行的直互平行的直线，故可认线，故可认为在各种外为在各种外倾角下，轮倾角下，轮胎侧偏刚度胎侧偏刚度是一样的是一样的轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性o2 2）侧偏角为）侧偏角为零时的地面侧零时的地面侧向力便是外倾向力便是外倾侧向力侧向力Y,Y=k*轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性o3 3）地面侧向力为）地面侧向力为Y Y，时的侧偏角，时的侧偏角，等于外倾角为零时等于外倾角为零时Y产生的侧偏角产生的侧偏角 与由此外倾角产

26、生与由此外倾角产生的侧偏角的侧偏角之和。之和。如外倾角为正值时如外倾角为正值时（见（见线），侧偏线），侧偏角角=0 0+轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性o4）侧偏角为）侧偏角为 时的时的地面侧向反作用力地面侧向反作用力为为Y，即即Y为外倾角等于为外倾角等于零时的侧偏力与外零时的侧偏力与外倾侧向力之和。因倾侧向力之和。因此，有外倾角时的此，有外倾角时的地面侧向反作用力地面侧向反作用力与外倾角、侧偏角与外倾角、侧偏角的关系式为：的关系式为：Y=k +k *轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性o5 5）地面侧向力）地面侧向力为零时的侧偏角为零时的侧偏角就是由外倾角产就是由外倾角产生的侧偏角生的侧偏角 .=-=-轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性图图1-37 1-37 外回正力矩与外倾角曲外回正力矩与外倾角曲线线轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性图图1-38 1-38 轮胎特性参数的正轮胎特性参数的正负负