同济大学汽车理论_汽车轮胎力学与空气动力学

1、第一章 汽车轮胎力学 与空气动力学 第一节 轮胎力学 轮胎的基本知识 175/65 R 14 82 H 速度标记 负荷指数 轮辋直径 （in） 轮胎型号（R为子 午线，-为斜交胎） 扁平率（%） 轮胎宽度 轮胎的扁 平率：表征 轮胎的胎面 高度H H与宽 度R R的比值 （百分比）。 速度标记速度标记 （GSYGSY） 最高车速最高车速 （km/hkm/h） 速度标记速度标记 （GSYGSY） 最高车速最高车速 （km/hkm/h） F F8080R R170170 M M130130S S180180 P P150150T T190190 Q Q160160H H210210 速度标记 负荷

2、指数（L1L1） L1承载能力 （kg） L1承载能力 （kg） L1承载能力 （kg） L1承载能力 （kg） 50190652908045095690 51195663008146296710 52200673078247597730 53206683158348798750 54212693258450099775 552187033585515100800 562247134586530101825 572307235587545102850 582367336588560103875 592437437589580104900 602507538790600105925 612577

3、640091615106950 622657741292630107975 6327278425936501081000 6428079437946701091030 轮胎的变形参数与六分力 轮胎的状态参数：前轮转角、外倾角、转速 轮胎的变形参数：滑移率、侧偏角、经向变形 轮胎六分力 符号 名 称意 义 纵向力地面对轮胎的反作用力眼坐标系x轴的 分量 测向力地面对轮胎的反作用力沿坐标系y轴的 分量 法向力地面对轮胎的反作用力沿坐标系z轴的 分量 侧倾力矩地面对轮胎反作用力绕x轴产生的力矩 滚动阻力矩地面对轮胎反作用力绕x轴产生的力矩 回正力矩地面对轮胎反作用力绕x轴产生的力矩 Fx Fy Fz

4、 Tx Ty Tz 轮 胎 模 型 纵向滑移率 侧偏角 经向变形 车轮外倾角 车轮转速 前轮转向角 纵向力 侧向力 法向力 侧倾力矩 滚动助力矩 回正力矩 轮胎模型是汽车动力学研究的难点 目前还没有如此完备的轮胎模型 目前在车轮动力学研究中使用的三类轮胎模型 轮胎纵滑模型：主要用于汽车动力性、制动性能研究 轮胎侧偏模型：主要用于操纵稳定性研究 轮胎垂直振动模型：主要用于NVHNVH研究 1.1.1 1.1.1 轮胎的纵向力学特性 一、滚动阻力 二、轮胎的附着性能 软路面上 硬路面上 产生滚动阻力的主要原因 轮胎变形 轮胎变形和路面变形 轮胎变形为什么会产生滚动阻力？轮胎变形为什么会产生滚动阻力

5、？ 轮胎的迟滞损失：轮胎在加载变形时所消耗的能量在卸 载恢复时不能完全收回，一部分能量消耗在轮胎内部摩擦 损失上，产生热量，这种损失称为轮胎的迟滞损失。 一、滚动阻力Ff 思考思考 ua 加载变形区 卸载变形区 n n 思思 考考 由轮胎的迟滞损失图看，在轮胎径向变形相同的情况下，由轮胎的迟滞损失图看，在轮胎径向变形相同的情况下， 地面作用在加载变形区与卸载变形区的法向反力是否相等？地面作用在加载变形区与卸载变形区的法向反力是否相等？ a u n n W dd 1pF 1X F a u n n W p1F 1X F a r a u n n W 1pF 1X F Z F Z F O EF C D

6、 A h Z F 1）从动轮受力分析 FZd FZd f T Z F aFT Z f f1p TrF r a F r T F Z f 1p r a f p1 FWf W F f 1p WfF f r T F f f f滚动阻力系数 a u n n W p1F 1X F a r Z F a u n n W 1pF 1X F f T Z F 令 a u W p2 F 2X F Z F t T a r aFTrF ZX t2 ft TT r T r T FX ft 2 ft FF 即路面作用于驱动轮的切向力FX2比Ft要小。 2）驱动轮受力分析 4 a 4 a 10 100100 u f u fff

7、 ua高 f 大 货车 f=0.0076+0.000056ua 3）影响Ff的因素 轿车 （1）车速 ua z f 子午线轮胎比斜交轮胎的滚动阻力小20%30； 滚动阻力与轮胎的帘线（棉、人造丝、尼龙、钢丝） 和橡胶品质有关。 （2）轮胎结构 （3）气压 气压越高，轮胎变形及由其产生的迟滞损失就越小， 滚动阻力也越小。 （4）驱动力 为什么驱动力系数很大时为什么驱动力系数很大时，气压越低气压越低 f 越小？越小？ Ft胎面滑移Ff pa接地面积胎面滑移滑移引起的Ff 思考 上高速公路时，轮胎气压应该适当高一些。 在松软路面、泥泞路面、雪地行驶时，可适当降低轮胎气压。 在高速公路上，轮胎变形产生

8、的滚动阻力在高速公路上，轮胎变形产生的滚动阻力 大还是滑移产生的滚动阻力大？大还是滑移产生的滚动阻力大？ 胎压高轮胎变形小迟 滞损失少Ff小 胎压低滑移小Ff小 上高速公路前要检查胎压上高速公路前要检查胎压，在给定的胎压范围内在给定的胎压范围内，胎胎 压适当高一些好还是低一些好？压适当高一些好还是低一些好？ 思考 思考 路面类型路面类型滚动阻力系数滚动阻力系数 良好的沥青或混凝土路面良好的沥青或混凝土路面0.0100.018 一般的沥青或混凝土路面一般的沥青或混凝土路面0.0180.020 碎石路面碎石路面0.0200.025 良好的卵石路面良好的卵石路面0.0250.030 坑洼的卵石路面坑

9、洼的卵石路面0.0350.050 压紧土路压紧土路干燥的干燥的0.0250.035 雨后的雨后的0.0500.150 泥泞土路（雨季或解冻期）泥泞土路（雨季或解冻期）0.1000.250 干沙干沙0.1000.300 湿沙湿沙0.0600.150 结冰路面结冰路面0.0150.030 压紧的雪道压紧的雪道0.0300.050 由轮胎 与土壤之 间的粘着 性所致 （5）路面条件 表1-2 滚动阻力系数 f 的数值 离心力前、后轮产生侧偏力 侧偏力沿行驶方向产生分力滚动阻力增加 （6）转向 wr0w ru wr0w ru wr0w ru0 w 车轮接近纯滚动 车轮边滚边滑 车轮抱死拖滑 二、轮胎的

10、附着性能 从制动过程的三个阶段看，随着制动强度的增加，车 轮几何中心的运动速度因滚动而产生的部分越来越少，因 滑动而产生的部分越来越多。 1.滑动率 滑动率：车轮接地处的滑动速度与车轮中心运动速度的 比值。 滑动率的数值说明了车轮运动中滑动成分所占的比例。 w u u r0 r O（速度瞬心） r ww ur r0w ru wr0w uur w 100% u s u wr0w w 100% ur u w 滑动率s的计算 ww ur r0w ru wr0w uur w 100% u s u wr0w w 100% ur u 滑动率s的计算 纯滚动时 u= 0，s = 0； 纯滑动时 w=0， =

11、u，s =100%； 边滚边滑时 0 s 100%。 w u 2.纵向力系数 与滑动率s 纵向力系数：地 面纵向力与作用在 车轮上的垂直载荷 的比值。 b Z X F F b b 峰值附着系数 滑动附着系数 s =15%20% 纵向力系数随 滑动率而变化 侧向力系数：地面 作用于车轮的侧向力 与车轮垂直载荷之比。 Z Y F F l l 侧向力系数也 随滑动率而变化 3.侧向力系数 1）纵向力系数大，地面纵向力大，制动距离短； 2）侧向力系数大，地面可作用于车轮的侧向力大， 方向稳定性好； 3）减轻轮胎磨损。 ABS（防抱死制动系统）将制动时的滑动率控制 在15%20%之间，有如下优点： 如果

12、汽车直线行驶，在侧向外力作用下，容易发生侧滑； 如果汽车转向行驶，地面提供的侧向力不能满足转向的需 要，将会失去转向能力。 由 、 与 s 之间的关系可知，当滑动率 s=100% 时， ，即地面能产生的侧向力FY很小。 b l 1 . 0 l 什么情况下汽车会受到侧向外力的作用？什么情况下汽车会受到侧向外力的作用？ 为什么弯道要有一定的侧倾角？为什么弯道要有一定的侧倾角？ 向内倾还是向外倾？向内倾还是向外倾？ 倾角的大小依什么而定？倾角的大小依什么而定？ 思考 车身受到侧向风作用 路面侧倾 汽车转向行驶 Y F Y F 平地转向时，离心力Fl由地面侧向力FY平衡。 当汽车在倾斜弯道转向时，离心

13、力Fl可由重力的分力平衡。 弯道内倾，可以减小所需的地面侧向力；倾角依道路 转弯半径和设计车速而定。 环形跑道（视频） （注意观察弯道的倾斜情况） 路面路面峰值附着系数峰值附着系数滑动附着系数滑动附着系数 沥青或混凝土路面沥青或混凝土路面0.80.90.75 沥青（湿）沥青（湿）0.50.70.450.6 混凝土（湿）混凝土（湿）0.70.7 砾石砾石0.60.55 土路（干）土路（干）0.680.65 土路（湿）土路（湿）0.550.40.5 雪（压紧）雪（压紧）0.20.15 冰冰0.10.07 表4-2 各种路面的平均附着系数 （1）路面 4.影响纵向力系数的因素 （1）路面 4.影响纵

14、向力系数的因素 （2）车速 子午线轮胎接地面积大、单位压力小、滑移小、胎面 不易损耗，纵向力系数较高。 轿车普遍采用宽断面、低气压、子午线轮胎。 （3）轮胎结构 （4）胎面花纹 （4）胎面花纹 滑水车速与路面结构、水层厚度、水液粘度和密度、 轮胎充气压力、垂直载荷、花纹形式及轮胎磨损程度有关。 2 ah AuF ih 34. 6pu uh滑水车速； pi轮胎气压。 动水压力的升力；水密度；A轮胎接地面积。 滑水现象 h F 1.1.2 1.1.2 轮胎的侧偏特性 本节主要研究轮胎的侧偏现象和侧偏特性。 侧偏特性是指侧偏力、回正力矩与侧偏角的关系。 O X Y 车轮平面 车轮行驶方向 正地面切向

15、 反作用力FX 正翻转力矩 TX 正地面法向 反作用力FZ 正地面侧向反作用力FY 车轮旋转轴线 正侧偏角 正回正力矩TZ 正TY 正外倾角 Z 侧偏角 轮胎接地印迹中心的 位移方向与X轴的夹角 外倾角 过轮胎坐标系原点的 垂线与车轮平面的夹角 一、轮胎的坐标系 地面作用于车轮的侧向反作用力。 二、轮胎的侧偏现象和侧偏力侧偏角曲线 1.侧偏力FY lyZ FF u c c u c c lyZ FF u u 只有当侧向力 大于（或等于）车轮与路面 间的侧向附着力时，车轮的运动方向才会改变。 1）在刚性轮上作用侧向力 y F y F FY 俯视图 车轮静止 2）在弹性轮上作用侧向力 y F y F

16、 FY 2）在弹性轮上作用侧向力 车轮滚动 y F y F 0 X Y FY 侧偏力为正时， 产生负侧偏角。 u - + 2.侧偏现象 当车轮有侧向弹性时，即使FY没有 达到侧向附着极限，车轮行驶方向也 将偏离车轮平面的方向。 侧偏角 轮胎接地印 迹中心的位移 方向与X轴的 夹角。 u kF Y k侧偏刚度。 FY一定时希望侧 偏角越小越好，所 以 |k| 越大越好。 3.FY曲线 三、轮胎结构、工作条件对侧偏特性的影响 大尺寸轮胎 子午线轮胎 斜交轮胎 钢丝子午线轮胎 纤维子午线轮胎 轮胎的尺寸、型式和结构参数对侧偏刚度有显著影响。 侧偏刚度大 侧偏刚度小 大尺寸轮胎 小尺寸轮胎 （1）扁平

17、率小，k大 H B 扁平率=(H/B)100% 车型车型轮胎型号轮胎型号扁平率扁平率(%) 新雅阁新雅阁 普利斯通普利斯通 205/65R15 65 奔驰奔驰 S320米其林米其林 225/60R16 W 60 奔驰奔驰 LORINSER 米其林米其林 275/30 ZR19 30 宽度 一些车型轮胎的型号及扁平率 轮辋 直径 （2）垂直载荷大，k大 一定时， W大，FY大。 FY = ，即k 大。 垂直载荷过大 时，轮胎与地面 接触区的压力分 布不均匀，使 k 反而有所减小。 k （3）轮胎气压高，k大 FX1 FY1 FX2 FY2 （4）FX 越大，FY 越小 （5）路面干湿状态 路面有

18、薄 水层时，由于 滑水现象，会 出现完全丧失 侧偏力的情况。 轮胎胎面、路面粗糙程度、水层厚度与滑水现象的关系 四、回正力矩TZ 轮胎发生侧偏时，会产生作用于轮胎绕OZ轴的力矩，该 力矩称为回正力矩。 车轮静止时受到 侧向力 车轮运动时受到侧向力 （侧向力较小） 车轮运动时受到侧向力 （侧向力较大） FY e FY e轮胎 拖距。 e FY 轮胎拖距 变大 四、回正力矩TZ 轮胎发生侧偏时，会产生作用于轮胎绕OZ轴的力矩，该 力矩称为回正力矩。 车轮运动时受到侧向力（侧向力很大） FY TZ u X Y eFT YZ + - +- 0 FY e 轮胎拖距 反而变小 Y F y F + O X

19、Y Z - 向外滚开的趋势 五、有外倾时轮胎的FY与外倾角、侧偏角的关系 kF Y k外倾刚度。 +- - 1.外倾侧向力FY 一定时， 越大，FY越大。 增加的FY是由 作用的结果。 1）=0=0 kFF YY 2 2）0 YYY FFF kk 0 kk 3）有，FY=0，即a点 k k 2.有外倾时FY与、的关系 5）外倾时产生的回正力矩 4）过大对汽车产生 不良影响 影响轮胎与路面 的良好接触 汽车轮胎 摩托车轮胎 1.1.3 1.1.3 轮胎的垂直振动特性 轮胎的两个最重要参数：极限速度和承载量。 临界车速（最高车速） 当汽车车速超过临界车速时，轮胎会出现驻波现象， 其周缘呈明显的波浪

20、状，且轮胎温度快速增加。 后果是大量发热导致轮胎破损或爆胎。 驻波现象驻波现象：在高速行驶时，轮胎离开地面后因变形在高速行驶时，轮胎离开地面后因变形 所产生的扭曲并不立即恢复，其残余变形形成了一种波，所产生的扭曲并不立即恢复，其残余变形形成了一种波， 这就是驻波。此时轮胎周缘不再是圆形，而呈明显的波这就是驻波。此时轮胎周缘不再是圆形，而呈明显的波 浪形。轮胎刚离开地面时波的振幅最大，它按指数规律浪形。轮胎刚离开地面时波的振幅最大，它按指数规律 沿轮胎圆周衰减。沿轮胎圆周衰减。 驻波现象（图像） 第二节 汽车空气动力学 （1）压力阻力（占91） 汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向的分力称

21、为空气阻力。 作用在汽车外形表面上的法向压力的合力在行驶方向 上的分力。 空气阻力FW 取决于车身主体形状。 1）形状阻力 后视镜 车身表面的凸起物引起的阻力。 2）干扰阻力 后视镜 后视镜设计 也要注重流线形 后视镜 后视镜 门把手 悬架导向杆和传动轴 满足冷却、通风等需要，使空气流经车体内部时构成的阻力。 4）诱导阻力 空气升力在水平方向的投影。 3）内循环阻力 由于流经车顶的气流速 度大于流经车底的气流速度， 使得车底的空气压力大于车 顶，从而空气作用在车身上 的垂直方向的压力形成压差， 这就是空气升力。 思 考 夏季在高速公路上开空调省油还是开窗通风省油？夏季在高速公路上开空调省油还是

22、开窗通风省油？ 打开天窗换气和打开侧窗换气有何不同？打开天窗换气和打开侧窗换气有何不同？ 打开天窗换气时，天窗上 方的压力低于车内的压力。 （2）摩擦阻力（9） 由于空气粘性作用在车身表面产生的切向力的合力 在行驶方向的分力。 2 rDw 2 1 uACF 24 1.2258N sm 15.21 2 aD w AuC F CD空气阻力系数； A迎风面积； ur相对速度； 空气密度。 （3）空气阻力FW的计算 发动机盖应向前下倾 （4）减小CD值要遵循的要点 1）车身前部 面与面交接处的棱角应为圆柱状。 过渡不理想 面与面交接处的棱角应为圆柱状。 风窗玻璃应尽可能“躺平”，且与车顶圆滑过渡。 越

23、野车很难做到 风窗玻璃应尽可能“躺平”，且与车顶圆滑过渡。 尽量减少灯、后视镜和门把手等凸出物。 上掀式前照灯（视频） 在保险杠下面，应安装合适的扰流板。 车轮盖应与轮胎相平。 思考：思考：F1方程式赛车为什么不用车轮盖？方程式赛车为什么不用车轮盖？ 整个车身应向前倾12。 2）整车 水平投影应为腰鼓形。 后端稍稍收缩，前端呈半圆形。 最好采用舱背式或直背式。 3）汽车后部 应安装后扰流板。 当车速超过120km/h，尾翼会自动升高160mm，为车身增 加30的下压力；在车速低于80km/h，尾翼又会自动降低。 应安装后扰流板。 应安装后扰流板。 应安装后扰流板。 应安装后扰流板。 若用折背式

24、，则行李箱盖板至地面距离应高些，长度要短些。 后面应采用鸭尾式结构。 后面应采用鸭尾式结构。 所有零件应在车身下平面内且较平整，最好有平滑 的盖板盖住底部。 4）车身底部 底部比较凌乱 底部比较凌乱 仔细选择进风口与出风口的位置，精心设计内部风道。 5）发动机冷却通风系统 冷却前制动器 冷却前制动器 冷却发动机和制动器 冷却后制动器和润滑系统 冷却发动机和前制动器 冷却后制动器 为发动机提供充足的空气 什么是超级跑车？什么是超级跑车？ 限量生产、价格高昂、动力强劲（3.5L以上、8缸以 上）、起步快（0100km/h时间在5s以内）、技术超群、 车身自重轻（采用碳纤维或轻质合金材料）、外观超前等。 形象的描述：外观鲜亮，让人爱得要死；加速时令人 皮肤绷紧、汗毛直竖，让人吓得要死；数量奇少，价格奇 高，让人想得要死。 思考：对于轿车和超级跑车思考：对于轿车和超级跑车，哪种车型的空气阻力系数更哪种车型的空气阻力系数更 大？为什么？大？为什么？ 三种超级跑车 兰博基尼 法拉利 保时捷 答案 由于尾翼的影响、发动机和制动器通风冷却的需要， 超级跑车的空气阻力系数一般会大于普通轿车。 兰博基尼跑车 在冷却通风口关闭且扰流板摆平时，CD值为0.33；展 开时，CD值为0.36。 思考：对于轿车和