第1讲-汽车轮胎动力学与建模方法

重庆汽车学院CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY轮胎动力学及建模方法第一讲CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院1.1轮胎的功能、结构及发展1.2轮胎模型1.3轮胎纵向力学特性1.4轮胎垂向力学特性1.5轮胎侧向力学特性CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院1.1轮胎的功能及结构三种轮胎必备的基本功能：•1）支撑垂直负载，同时缓冲路面冲击•2）产生纵向的加速和制动力•3）产生供转向的侧向力CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院轮胎基本结构•1）胎体—轮胎最重要的部分，其结构决定了轮胎的基本性能•2）胎圈—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•3）胎面—包括胎冠、胎肩和胎侧CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院轮胎结构实例图1-1斜交胎和子午胎的结构实例CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院1.2轮胎模型轮胎运动坐标系幂指数统一轮胎模型“魔术公式”轮胎模型（MagicFormulaTireModel）SWIFT轮胎模型CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院轮胎运动坐标系图1-2轮胎的坐标系与地面作用于轮胎的力和力矩CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院幂指数统一轮胎模型稳态纵滑侧偏联合工况时，轮胎的纵向力、侧向力与回正力矩的表达式：—无量纲总切向力，—相对总滑移率，—轮胎的侧向偏矩，—侧向刚度，式中均由试验数据拟合得到xFyFzMxzxxFFFyzyyFFFyxxyzDFDFMF32121121exp1EEF22yxcyYyKFDyDcyK221zzcyFdFdK21212121,,...,,,...,,,...,,ddccbbaaCHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院幂指数统一轮胎模型的特点：•1）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不同的路面•2）无论是纯工况还是联合工况，其表达式是统一的•3）可表达各种垂向载荷下的轮胎特性•4）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•5）能拟合原点刚度CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院“魔术公式”轮胎模型（MagicFormulaTireModel）“魔术公式”轮胎模型表达式：式中，y可以是纵向力侧向力或回正力矩，自变量x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BxBxEBxCDyarctanarctansinCHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院“魔术公式”轮胎模型的特点•1）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，容易确定其初值•2）拟合精度比较高•3）参数的拟合较困难，计算量大•4）c值的变化对拟合的误差影响较大•5）不能很好地拟合小侧偏情况下轮胎的侧偏特性CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院1.3轮胎纵向力学特性1）滚动阻力（Rollingresistance）•A）滚动阻力是如何形成的？•B）构成：•C）滚动阻力的影响因素：CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院A）滚动阻力是如何形成的？弹性车轮在硬路面上的滚动从动轮在硬路面上滚动时的受力情况加载前后胎侧形状的变化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滚动阻力(波阻)示意图CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院弹性车轮在硬路面上的滚动图1-3弹性车轮在硬路面上滚动CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院从动轮在硬路面上滚动时的受力情况图1-4从动轮在硬路面上滚动时的受力情况CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院滚动阻力Fp1=Tf/r=Fz(a/r)令f=(a/r)而Fz=WFp1=Wff称为滚动阻力系数CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院加载前后胎侧形状的变化图1-5加载前后胎侧形状的变化（载荷:4.448KN;气压:210KPa)CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院轮胎径向压缩模式图图1-6轮胎径向压缩模式图CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院由路面变形和轮辙摩擦引起的附加滚动阻力图1-7由路面变形和轮辙摩擦引起的附加滚动阻力CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院滚动阻力(波阻)示意图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．图1-8滚动阻力(波阻)示意图CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院B）构成：Thereareatleastsevenmechanismsresponsibleforrollingresistance:1)Energylessduetodeflectionofthetiresidewallnearthecontactarea.2)Energylossduetodeflectionofthetreadselements（外胎面）.3)Scrubbinginthecontactpatch.4)Tireslipinthelongitudinalandlateraldirections.5)Deflectionoftheroadsurface.6)Airdragontheinsideandoutsideofthetire.7)Energylossonbumps.CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院C）滚动阻力的影响因素：（1）车速（2）轮胎气压（3）轮胎结构（4）路面（5）温度（6）转弯行驶（7）驱动力系数CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院Rollingresistanceversusspeed.图1-9RollingresistanceversusspeedCHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院滚动阻力系数f的数值（不同路面）图1-10滚动阻力系数f的数值（不同路面）CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院轿车轮胎的滚动阻力系数与车速.压力的关系曲线图1-11轿车轮胎的滚动阻力系数与车速.压力的关系曲线CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院滚动阻力系数与充气压力、径向载荷的关系图1-12滚动阻力系数与充气压力、径向载荷的关系CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院转弯时的滚动阻力与车速的关系图1-13转弯时的滚动阻力与车速的关系CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院Relativetiretemperatureandrollingresistanceduringwarm-up图1-14Relativetiretemperatureandrollingresistanceduringwarm-upCHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院滚动阻力有人推荐用下式计算良好道路上货车轮胎滚动阻力系数f＝0.0076＋0.000056ua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：4a4a10100uf100ufffCHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院对转鼓上测得的各试验曲线进行拟合，求得上式中的系数f0、f1、f4的数值如下：SRHRSR－M＋Sf00.0072~0.0120以上0.0081~0.00980.0085~0.0120f10.00025~0.002800.0012~0.00250.0025~0.0034f40.00065~0.002以上0.0002~0.00040.0005~0.0010CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院滚动阻力系数与驱动力系数的关系(驱动力系数：驱动力与徑向载荷之比)图1-15滚动阻力系数与驱动力系数的关系(驱动力系数:驱动力与徑向载荷之比)CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院硬路面上的附着系数1、车轮的三态纯滚动v=r*rvCHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院硬路面上的附着系数1、车轮的三态驱动车轮vr*TrvCHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院四、硬路面上的附着系数1、车轮的三态制动车轮vr*TrvCHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院滑动率定义?1?0%100rSSvvS图1-16制动时轮胎留在地面上的印痕CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院滑动率制动力系数b=Fxb/N-----制动力与垂直载荷之比峰值附着系数p与滑动附着系数s侧向力系数l-------侧向力与垂直载荷之比CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院2、滑动率图1-17有侧偏时的、曲线sbslCHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院影响附着系数的因素路面图1-18各种路面上的曲线sbCHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院影响附着系数的因素路面车速图1-19车轮对制动力系数曲线的影响CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院影响附着系数的因素路面车速轮胎花纹Sm--无花纹光胎面Rbd--有沟槽胎面Spd--有沟槽且有小切缝胎面CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院滑水现象CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院1.4轮胎垂向力学特性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。CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院静刚度图1-23165×3型子午线轿车轮胎的静载荷与变形的关系CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院动刚度图1-24车速对轿车滚动轮胎动刚度的影响CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院轮胎垂直振动的力学模型图1-25点接触式线性弹簧—粘性阻尼模型CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院试验时汽车悬架被卡死,激励由装有正弦波鼓面的转鼓试验台产生，每周6个波峰，正弦波幅值0.01m，波长0.696m图1-26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CHONGQINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY重庆汽车学院1.5轮胎的侧向力学特性一、直线行驶：