2019/1031 大孝 车辆系统动力学 Vehicle System Dynamics 赵树恩 重庆交通大学机电与汽车工程学院 充气轮胎动力学 概述 轮胎的功能、结构与发展 轮胎模型 轮胎纵向力学特性 轮胎垂向力学特性 轮胎侧向力学特性
2019/10/31 1 车辆系统动力学 Vehicle System Dynamics 赵树恩 重庆交通大学机电与汽车工程学院 充气轮胎动力学 ➢ 概述 ➢ 轮胎的功能、结构与发展 ➢ 轮胎模型 ➢ 轮胎纵向力学特性 ➢ 轮胎垂向力学特性 ➢ 轮胎侧向力学特性 1 1 2
2019/1031 大孝 概述 轮胎运动坐标系 正外倾角 纵向力F 车轮平面 年轮前进方向 侧向力F →车轮运动方离 法向力F 翻转力矩M 滚动阻力矩M 转力矩M 回正力矩M 法向力F 概述 车轮运动参数 滑动率(s=0~1),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)s=“-×100% 旋转轴 滑移率(制动时)s= 车轮运动方向 胎侧偏角a= arctan( 顺时针方向为正负的轮胎侧向力产生正的侧偏角 轮胎径向变形 轮胎印迹 无负载轮胎径向半径与负载时半径之差
2019/10/31 2 F x • 纵向力 • 侧向力 F y • 法向力 F z • 翻转力矩 M x • 滚动阻力矩 M y • 回正力矩 M z 2 概述 ➢ 轮胎运动坐标系 w u dr F z 旋转轴 车轮运动方向 负侧偏角 w u wv F y 轮胎印迹 ➢ 车轮运动参数 d w 100% d r u s r − = b w d 100% w u r s u − = 轮胎侧偏角 arctan( ) w w v u = 轮胎径向变形： 无负载轮胎径向半径与负载时半径之差。 顺时针方向为正负的轮胎侧向力产生正的侧偏角 滑动率(s=0~1) ,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) 概述 3 4
2019/1031 大孝 轮胎的功能、结构及发展 轮胎的功能 胎冠区域劫条盐花纹 ■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 尼龙带束层 钢丝层 ■与悬架共同作用,衰减由路面 布线层(子午线 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 轮胎的功能、结构及发展 轮胎的结构 胎冠区域肋条型花纹 花紋块 口胎体决定轮胎基本性能 口胎圈便于胎体装卸 口胎面保护胎体、内胎 尼龙带束层 胎冠 布线层(午线 胎肩 气密层 三角胶 胎侧 胎钢些 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8590度
2019/10/31 3 ➢轮胎的功能 4 ◼ 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 ◼ 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 轮胎的功能、结构及发展 □胎体 □胎圈 □胎面 ➢ 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 ⚫ 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。 ➢胎冠 ➢胎肩 ➢胎侧 轮胎的功能、结构及发展 5 6
2019/1031 大孝 轮胎的功能、结构及发展 斜交轮胎 子午线轮胎 轮胎的功能、结构及发展 轮胎的发展 轮胎的材料、胎面花纹以及内部结构影响轮胎的物理特性。 滚动阻力 √低滚阻阻力 制造方便性 行驶平顺性能 √良好的平顺性 子午线轮胎(1970年 √良好的操纵性 高速行驶稳定性 √良好的附着性 子午线轮胎(1992年) √低噪声 冬季特性 湿路面性能 着性能
2019/10/31 4 斜交轮胎 子午线轮胎 6 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。 ➢ 轮胎的发展 7 ✓低滚阻阻力 ✓良好的平顺性 ✓良好的操纵性 ✓良好的附着性 ✓低噪声 轮胎的功能、结构及发展 7 8
2019/1031 轮胎模型 什么是轮胎模型? 纵向滑动率S 纵向力F 侧偏角a 侧向力, 车辆运动径向变形P 轮胎模型法应力轮胎六 车轮外倾角y 侧倾力矩M,分力 车轮转速 滚动阻力矩M 转偏率q 回正力矩M 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。 轮胎模型 几种常用的轮胎模型 幂指数统一轮胎模型 由郭孔辉院士提出,用于预测轮胎的稳态特性。 ▲稳态纯纵滑工况纵向力F ▲稳态纯侧偏工况纵向力F,=-,F ▲稳态纯侧偏工况回正力矩M=-FD ▲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
2019/10/31 5 纵向滑动率 s 侧偏角 径向变形 车轮外倾角 车轮转速 转偏率 纵向力 侧向力 法向力 侧倾力矩 滚动阻力矩 回正力矩 F x F y F z M x M y M z 车辆运动 参数 轮胎六 分力 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 轮胎模型 x x x z x x F F F = − 幂指数统一轮胎模型 ➢ 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 y y y z y y F F F = − ▲稳态纯侧偏工况回正力矩 M F D z y x = − ▲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 轮胎模型 9 10
2019/1031 大孝 轮胎模型 “魔术公式”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 y=Dsin(C arctan[ Bx-E(Bx-arctan Bx)]N 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 其他轮胎模型 轮胎模型 sWFT轮胎模型 荷兰Det工业大学提出,采用刚性圈理论,结合 魔术公式”综合而成 ■Fia|a模型 Gm模型 Dugoff模型 ■有限元模型
2019/10/31 6 y D C Bx E Bx Bx = − − sin arctan ( arctan ) ➢ “魔术公式”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 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 轮胎模型 ➢ 其他轮胎模型 11 12
2019/1031 大孝 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 轮胎纵向力学特性 干、硬的平坦路面上轮胎滚动阻力及其产生机理 口轮胎滚动阻力 口弹性迟滞阻力 ■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
2019/10/31 7 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 轮胎纵向力学特性 ➢ 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 轮胎纵向力学特性 13 14
2019/1031 轮胎纵向力学特性 轮胎滚动阻力 口摩擦阻力 口风扇效应阻力 口滚动阻力系数 滚动阻力FR R,弹性迟滞 点摩擦+F 滚动阻力系数= 滚动阻力系数=8 ■滚动阻力系数随着胎压增加而降低 ■滚动阻力系数随着车轮載荷增加而降低 ■滚动阻力系数随着车速增加而增加 轮胎纵向力学特性 轮胎滚动阻力 口滚动阻力系数测量 ■整车道路测试 ■室内台架测试
2019/10/31 8 F F F F R R R R , , , = + + 弹性迟滞 摩擦 风扇 □摩擦阻力 □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 , R R z w F f F = 滚动阻力系数 R R d e f r = ■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 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 轮胎纵向力学特性 15 16
2019/1031 ◎在轮舶数向力学特性 2道路条件产生的附加阻力 >路面不平 ∑ 不平路面阻力F不平=① >塑性路面∑F2 R,塑性 压实阻力 推土阻力 距离x 剪切阻力 滚动方向 残余变形 ▲塑性路面阻力随胎 压的增加而增大 轮胎纵向力学特性 道路条件产生的附加阻力 前进方向 轮胎单 ◆湿路面 接触区 过渡区 扰流阻力F 扰流=(业 湿路面上的轮胎滚动阻力FR,湿路三FR+FR扰流
2019/10/31 9 2.道路条件产生的附加阻力 ➢路面不平 不平路面阻力 0 x R W F x = ，不平 ➢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 F F F R R R , ，塑性 = + 塑性 ▲塑性路面阻力随胎 压的增加而增大 16 ➢ 道路条件产生的附加阻力 ◆湿路面 ( ) 10 t w E R W u F N 扰流阻力 ，扰流 = 湿路面上的轮胎滚动阻力 F F F R R R , ，湿路 = + 扰流 17 轮胎纵向力学特性 17 18
2019/1031 轮胎纵向力学特性 轮胎侧偏引起的附加阻力 运动方向 侧向载荷的影响 R.侧偏= FRcoSa+F, sIna FR(-cosa)+ F sina 由侧偏角引起的附加滚动阻 由轮胎侧偏附 力系数 加的阻力 侧向力F F sina-F(-cos a) 侧偏 F 小侧偏角时,F=Ca,假定sina=a,cosa=1 f侧偏=C2a2/F2m 轮胎纵向力学特性 轮胎侧偏引起的附加阻力 口车轮定位的影响 车轮前束角 轮前束角中 车轮前束角 前进方向 之L FR前束= F siny,=fR前束Fm
2019/10/31 10 ' cos sin F F F R，侧偏 = + R y 侧向载荷的影响 ' (1 cos ) sin F F F F R，侧偏 = − − + R R y 由轮胎侧偏附 加的阻力 , sin (1 cos ) y R R z W F F f F − − ，侧偏 = 由侧偏角引起的附加滚动阻 力系数 小侧偏角时， F C y = ，假定 sin ,cos 1 = = 2 , / R z W f C F ，侧偏 = ➢ 轮胎侧偏引起的附加阻力 18 轮胎纵向力学特性 , , sin F F f F R R ，前束 = = y w z W 前束 车轮定位的影响 车轮前束角 ➢ 轮胎侧偏引起的附加阻力 19 轮胎纵向力学特性 19 20