【汽车技术】轮胎的侧偏特性

1、n轮胎侧偏特性轮胎侧偏特性侧偏力、回正力矩与侧偏角的关系； n本节基本内容：本节基本内容： 1. 轮胎坐标系； 2. 轮胎的侧偏现象、侧偏力-侧偏角关系； 3. 侧偏特性的影响因素（结构、工作条件）； 4. 轮胎回正力矩的产生、回正力矩-侧偏角关系； 5. 有外倾角时轮胎的侧偏特性；轮胎的侧偏特性轮胎的侧偏特性 一、一、 轮胎坐标系轮胎坐标系- - ISO轮胎坐标系轮胎坐标系 正正T TZ Z- -回正力矩回正力矩正正T TX X正正T TY Yx xz zy y车轮旋转轴线车轮旋转轴线车轮平面车轮平面正地面切向正地面切向反作用力反作用力F FX X正地面法向正地面法向反作用力反作用力F FZ

2、 Z正地面侧向正地面侧向反作用力反作用力F FY Y正外倾角正外倾角车轮行驶方向车轮行驶方向正侧偏角正侧偏角问题问题1：车轮行驶方向为什么会偏离：车轮行驶方向为什么会偏离X轴？侧偏角轴？侧偏角 是否位于是否位于 指向的一侧？指向的一侧？ YF车轮中心沿轴作用有车轮中心沿轴作用有侧向力侧向力Fy，地面对轮胎的侧向反力地面对轮胎的侧向反力FY称为称为侧偏力侧偏力。侧偏力侧偏力FY因转向、路面倾斜、侧风等因转向、路面倾斜、侧风等引起。引起。 转向引起的转向引起的侧偏力侧偏力总是指向总是指向汽车转汽车转弯的内侧弯的内侧。二、二、 轮胎的侧偏现象轮胎的侧偏现象 、侧偏力、侧偏力yF侧侧向向力力YF侧偏力

3、侧偏力YF侧偏力侧偏力 只有当侧向力只有当侧向力 大于（或等于）车轮与路面间大于（或等于）车轮与路面间的侧向附着极限时，车轮的运动方向才会改变。的侧向附着极限时，车轮的运动方向才会改变。lyZFFuccucclyZFFu uyFa、刚性轮胎、刚性轮胎:YFYF1) 当车轮静止不滚动，当车轮静止不滚动，轮胎轮胎发生侧向变形，车轮印迹发生侧向变形，车轮印迹中心线中心线a-aa-a与车轮平面与车轮平面c-cc-c平行，错开平行，错开h h 。 2)当车轮滚动时当车轮滚动时，车轮印迹车轮印迹中心连线中心连线a-aa-a线不再平行于线不再平行于车轮平面车轮平面c-c,c-c,而是呈一定而是呈一定夹角夹角

4、,即即侧偏角侧偏角。 b b、弹性轮胎、弹性轮胎u问题问题2：侧偏角如何产生？：侧偏角如何产生？2 2、侧偏现象、侧偏现象 因轮胎侧向弹性，车轮因轮胎侧向弹性，车轮受受侧偏力侧偏力( (即使没有达到附即使没有达到附着极限着极限) )的作用使的作用使车轮行驶车轮行驶方向方向偏离偏离车轮平面车轮平面的现象，的现象，称为轮胎的称为轮胎的侧偏现象侧偏现象。YF u问题问题3：侧偏力与侧偏角之间的因果关系？：侧偏力与侧偏角之间的因果关系？因果关系：因果关系：侧偏力侧偏力引起引起侧偏角侧偏角，而非侧偏角的存在产生侧偏力。，而非侧偏角的存在产生侧偏力。注意：侧偏角注意：侧偏角 和侧偏力和侧偏力 指向指向。

5、YF 注意：侧偏角注意：侧偏角 总是位于和侧偏力总是位于和侧偏力 指向相反的一侧指向相反的一侧。 YF问题问题1：车轮行驶方向为什么会偏离：车轮行驶方向为什么会偏离X轴？侧偏角轴？侧偏角 是否位于是否位于 指向的一侧？指向的一侧？ YF三、侧偏力三、侧偏力侧偏角关系曲线侧偏角关系曲线 在在侧偏角侧偏角 5 时时，侧偏力和侧偏角，侧偏力和侧偏角近似成线性关系，此时，近似成线性关系，此时， 式中，式中， 称为称为侧偏刚度侧偏刚度（N/rad 或或N/ ）, ,为曲线在为曲线在 处的斜率。处的斜率。 按轮胎坐标系，按轮胎坐标系，侧偏力和侧偏侧偏力和侧偏角总是反号角总是反号，故，故侧偏刚度侧偏刚度 总

6、是负总是负值值。 kFY 0 kk FY一定时希望侧偏角越小越好，一定时希望侧偏角越小越好，所以所以 |k| 越大越好。越大越好。FY曲线 n 在侧偏力在侧偏力F FY Y作用下对应一侧偏角；作用下对应一侧偏角；n 随着侧偏力的增大，侧偏角也相应随着侧偏力的增大，侧偏角也相应增大；增大；n 在汽车加速度在汽车加速度 0.4g0.4g，不超过不超过4-4-5 5时，时， F FY Y与与近似呈近似呈线性关系线性关系, ,严格严格地讲，轮胎弹性是非线性的，只有在地讲，轮胎弹性是非线性的，只有在小侧偏角范围内小侧偏角范围内，可认为是线性的。，可认为是线性的。n 在较大侧偏力时，侧偏角继续以较在较大侧

7、偏力时，侧偏角继续以较大速率增加，即曲线的斜率减小，轮大速率增加，即曲线的斜率减小，轮胎发生胎发生部分侧滑部分侧滑；n最后最后侧偏力达到附着极限，侧偏力达到附着极限，此时此时整整个轮胎轮会发生侧滑个轮胎轮会发生侧滑，也称轮胎特性，也称轮胎特性进入进入非线性饱和状态非线性饱和状态。n 轮胎的最大侧偏力取决于轮胎的最大侧偏力取决于附着条件附着条件（垂直载荷、轮胎结构、路面情况（垂直载荷、轮胎结构、路面情况等）等），越大极限行驶性能越好！，越大极限行驶性能越好！侧偏力侧偏力-侧偏角关系曲线有以下特点：侧偏角关系曲线有以下特点： 结结 论论 弹性轮胎在侧向力作用下滚动时存在侧偏弹性轮胎在侧向力作用下滚

8、动时存在侧偏 现象；现象； 作用在车轮上的侧向力和侧偏力大小相等、作用在车轮上的侧向力和侧偏力大小相等、方向相反，但力的作用点不同；方向相反，但力的作用点不同； 弹性轮胎的侧偏特性在小侧偏角范围内可弹性轮胎的侧偏特性在小侧偏角范围内可 认为是线性变化的；认为是线性变化的； 正的侧偏力正的侧偏力产生产生负的侧偏角负的侧偏角； 明确因果关系：明确因果关系：侧偏力引起侧偏角侧偏力引起侧偏角，而非，而非 侧偏角的存在产生侧偏力。侧偏角的存在产生侧偏力。四、轮胎结构、工作条件对侧偏特性的影响四、轮胎结构、工作条件对侧偏特性的影响 有助于后续学习中分析汽车有助于后续学习中分析汽车稳态转向特性稳态转向特性的

9、变化的变化1. 1. 轮胎形式轮胎形式和和结构参数结构参数对侧偏特性的影响对侧偏特性的影响a.a.同尺寸的同尺寸的子午线轮胎子午线轮胎比比斜交轮胎斜交轮胎侧偏刚度侧偏刚度高高；b.b.扁平率扁平率或高宽比（断面高或高宽比（断面高/ /断面宽）断面宽）小小的轮胎侧偏刚度的轮胎侧偏刚度大大；大尺寸轮胎大尺寸轮胎子午线轮胎子午线轮胎斜交轮胎斜交轮胎钢丝子午线轮胎钢丝子午线轮胎尼龙子午线轮胎尼龙子午线轮胎侧偏刚度大侧偏刚度大侧偏刚度小侧偏刚度小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205/65 R1565 奔驰奔驰 S320米其林米其林225/60 R16 W60

10、奔驰奔驰 LORINSER 米其林米其林275/30 ZR19 30轮胎断面宽度轮胎断面宽度(mm)一些车型轮胎的型号及扁平率一些车型轮胎的型号及扁平率轮辋直径轮辋直径(inch)扁平率越扁平率越小小, ,侧偏刚侧偏刚度度k k越大越大垂直载荷垂直载荷越大越大，k k越大越大，但垂直载荷，但垂直载荷过大过大，k k反而反而有所减小有所减小。2. 轮胎轮胎垂直载荷垂直载荷对侧偏特性的影响对侧偏特性的影响FY一定时，一定时，W大，大，小。小。 FY = ，即即k大大。k垂直载荷大，k大 一定时，一定时，W大，大，FY大。大。 FY = ，即即k大大。 垂直载荷垂直载荷过大过大时，轮胎与地面时，轮胎

11、与地面接触区的压力分接触区的压力分布不均匀，使布不均匀，使 k反而有所减小。反而有所减小。k垂直载荷大，k大胎压大胎压大，侧偏刚度，侧偏刚度大大，但胎压，但胎压太大太大侧偏刚度侧偏刚度基本不变基本不变；3. 3. 轮胎轮胎胎压胎压对侧偏特性的影响对侧偏特性的影响 kFY 发飘现象发飘现象汽车行驶时方向不稳定汽车行驶时方向不稳定, ,轮胎抓地能力显著下轮胎抓地能力显著下降的一种不稳定现象降的一种不稳定现象. . 汽车发飘的汽车发飘的内因内因是轮胎的侧偏特性。在侧向力作用是轮胎的侧偏特性。在侧向力作用下，轮胎发生侧偏现象，汽车受到的下，轮胎发生侧偏现象，汽车受到的侧向力越大侧向力越大、或轮、或轮胎

12、的胎的侧偏刚度越小侧偏刚度越小，侧偏现象就越严重。，侧偏现象就越严重。提高轮胎侧偏提高轮胎侧偏刚度有助于减小汽车发飘刚度有助于减小汽车发飘。解解 释释 发发 飘飘 现现 象象FY = k 超车时两车之间的气流通道变窄，超车时两车之间的气流通道变窄，流速增大。根据流速增大。根据伯努利原理伯努利原理，这里的，这里的气压减小，两车之间就产生吸力。两气压减小，两车之间就产生吸力。两车横向间距越小，吸力就越大。车横向间距越小，吸力就越大。 从右图可知，从右图可知，在超过大车车头的在超过大车车头的前后一段时间内前后一段时间内，小车横摆力矩系数，小车横摆力矩系数变化剧烈，气流的变化使这种吸力不变化剧烈，气流

13、的变化使这种吸力不稳定，小车会左右摇晃，方向易失稳稳定，小车会左右摇晃，方向易失稳 。所以所以大风时高速超大车是相当危险的大风时高速超大车是相当危险的。超车时的超车时的 发发 飘飘 现象现象 汽车从汽车从隧道、山谷驶出的瞬间隧道、山谷驶出的瞬间，风速常达到周围风，风速常达到周围风速的十倍以上。在速的十倍以上。在山区、海边、河边山区、海边、河边也容易受到突如其也容易受到突如其来的来的强侧风袭击强侧风袭击。急剧变化的气流容易使汽车方向不稳，。急剧变化的气流容易使汽车方向不稳，甚至失控。甚至失控。侧向面积大的车侧向面积大的车，如面包车、大客车等容易，如面包车、大客车等容易受到侧向风力的影响。受到侧向

14、风力的影响。 为防止汽车发飘诱发车祸，在大风时应为防止汽车发飘诱发车祸，在大风时应控制车速控制车速。其其 它它 情情 况况 下下 的的 发发 飘飘 现象现象1.1.宽胎比窄胎有利于提高侧偏刚度。因此，使用宽胎比窄胎有利于提高侧偏刚度。因此，使用宽胎的汽宽胎的汽车发飘较小车发飘较小；2.2.轮胎载荷越小，侧偏刚度越小。因此轮胎载荷越小，侧偏刚度越小。因此轻车比重车更容易轻车比重车更容易发飘发飘；3.3.轮胎侧偏刚度还和空气气流对汽车的轮胎侧偏刚度还和空气气流对汽车的升力升力作用有关。作用有关。车车速越高，升力越大，轮胎载荷越小，侧偏刚度就越小速越高，升力越大，轮胎载荷越小，侧偏刚度就越小。因此汽

15、车因此汽车高速比低速下更容易发飘高速比低速下更容易发飘。加了尾翼的车能减。加了尾翼的车能减少升力，有助于减小高速下的发飘现象。少升力，有助于减小高速下的发飘现象。4.4.轮胎气压越低轮胎气压越低，侧偏刚度越小，汽车就越容易发飘。，侧偏刚度越小，汽车就越容易发飘。发发 飘飘 现现 象象 的的 影影 响响 因因 素素4.4.地面切向反作用力地面切向反作用力对侧偏特性的影响对侧偏特性的影响附着椭圆附着椭圆 确定了在一定确定了在一定附着条件下切向力附着条件下切向力与侧偏力合力的极与侧偏力合力的极限值。限值。4.4.地面切向反作用力地面切向反作用力对侧偏特性的影响对侧偏特性的影响附着椭圆附着椭圆5. 5

16、. 路面条件路面条件路面越湿，轮胎最大侧偏力越小；路面越湿，轮胎最大侧偏力越小；侧侧向向力力系系数数6. 6. 滑水现象滑水现象路面有薄水层，路面有薄水层，轮胎可能会完全失去轮胎可能会完全失去侧偏力，这称为侧偏力，这称为“滑滑水现象水现象”。轮胎胎面、路面粗糙程度、水层厚度与滑水现象的关系轮胎胎面、路面粗糙程度、水层厚度与滑水现象的关系五、回正力矩五、回正力矩 eFTYz 轮胎发生侧偏时，会产生作用轮胎发生侧偏时，会产生作用于轮胎绕于轮胎绕OZ轴的力矩轴的力矩Tz，该力矩称该力矩称为为回正力矩回正力矩。 圆周行使时，圆周行使时，Tz是使转向车轮是使转向车轮恢复到直线行使位置的主要恢复力恢复到直

17、线行使位置的主要恢复力矩之一。矩之一。车轮静止时受到车轮静止时受到侧向力侧向力 车轮运动时受到侧向力车轮运动时受到侧向力（侧向力较小）（侧向力较小） 车轮运动时受到侧向力车轮运动时受到侧向力（侧向力较大）（侧向力较大）FYeFYe轮胎轮胎拖距。拖距。eFY轮胎拖距轮胎拖距变大变大回正力矩的产生回正力矩的产生 车轮运动时受到侧向力（侧向力很大）车轮运动时受到侧向力（侧向力很大）FYTZuXYeFTYZ+-+-0FYe 轮胎拖距轮胎拖距反而变小反而变小回正力矩与侧偏力的方向？回正力矩与侧偏力的方向？ 轮胎形式与结构参数对轮胎形式与结构参数对回正力矩回正力矩- -侧偏角特性侧偏角特性的影响；的影响；

18、（相同侧偏角时，尺寸大、扁平比小的轮胎回正力矩大）（相同侧偏角时，尺寸大、扁平比小的轮胎回正力矩大） 轮胎轮胎气压低气压低，接地印迹长，轮胎拖距大，接地印迹长，轮胎拖距大，回正力矩就大回正力矩就大；YFyF+-六、有外倾时轮胎的滚动六、有外倾时轮胎的滚动轮胎外倾角及产生的原因轮胎外倾角及产生的原因: : * * 车桥因载荷变形车桥因载荷变形 * * 汽车转向时的离心力汽车转向时的离心力 * * 路面倾斜路面倾斜 * * 前轮定位参数的需要前轮定位参数的需要 当前轮有外倾角当前轮有外倾角 时，如果前桥断开，时，如果前桥断开，Fy = 0, ,前轮向前轮向前滚动时会绕前滚动时会绕O O 点作圆周运

19、动。点作圆周运动。六、有外倾时轮胎的滚动六、有外倾时轮胎的滚动YFyF+-向外滚开的趋势向外滚开的趋势根据轮胎坐标系，图中外倾角为正，外倾侧向力为负。根据轮胎坐标系，图中外倾角为正，外倾侧向力为负。 由于前轴的约束由于前轴的约束, ,必然在拉力必然在拉力Fy的作用下，使左右轮只能的作用下，使左右轮只能按给定的方向一起行驶，此时地面产生与按给定的方向一起行驶，此时地面产生与Fy方向相反的侧向反方向相反的侧向反作用力，即为外倾侧向力作用力，即为外倾侧向力FY。1、车轮外倾侧向力车轮外倾侧向力外倾侧向力不产生侧偏角！ YF YFyF时时的的地地面面侧侧向向反反力力；外外倾倾角角为为时时，侧侧偏偏角角

20、为为零零是是外外倾倾侧侧向向力力 kFY2、外倾侧向力与外倾角关系外倾侧向力与外倾角关系。：外倾刚度（为负值）：外倾刚度（为负值）规定）；规定）；：外倾角（注意正负的：外倾角（注意正负的时的地面侧向反力；时的地面侧向反力；外倾角为外倾角为时，时，侧偏角为零侧偏角为零外倾侧向力，它是外倾侧向力，它是 k:YF成线性关系成线性关系与与 YF外倾侧向力不产生侧偏角！ 试验表明：试验表明： 在小侧偏角条件下，外倾侧向力近似呈线性在小侧偏角条件下，外倾侧向力近似呈线性变化。变化。 按坐标系规定，为负值，因此，负的外倾按坐标系规定，为负值，因此，负的外倾角产生正的外倾侧向力角产生正的外倾侧向力 外倾侧向力

21、不产生侧偏角，但是车轮外倾会外倾侧向力不产生侧偏角，但是车轮外倾会使使侧偏角发生变化，为什么侧偏角发生变化，为什么? K kFY 3 3、有外倾角时轮胎的侧偏特性、有外倾角时轮胎的侧偏特性 一定时，一定时， 越大，越大，FY越大。增加的越大。增加的FY是由是由作作用的结果。用的结果。小侧偏角时小侧偏角时，不同外倾角对应的，不同外倾角对应的侧侧偏刚度不变，侧偏特性具有平移特性偏刚度不变，侧偏特性具有平移特性； kkFFFYYY YYYFFF 地面总的侧向反作用力只有侧偏角外倾角为0时的侧偏力只有外倾角侧偏角为0时的外倾侧向力dcbodcedYF 外倾侧向力不产生侧偏角，但是车轮外倾外倾侧向力不产

22、生侧偏角，但是车轮外倾会使会使侧偏角发生变化，为什么侧偏角发生变化，为什么?（1 1）小侧偏角时小侧偏角时，不同外倾角对应的，不同外倾角对应的侧偏刚度不变侧偏刚度不变；（2 2）侧偏角为零、外倾角不为零侧偏角为零、外倾角不为零时的时的地面侧向力地面侧向力，即为，即为 外倾侧向力。（图中外倾侧向力。（图中y y轴上的值）。轴上的值）。（3 3）侧偏角不为零、外倾角为零侧偏角不为零、外倾角为零时的时的地面侧向力地面侧向力，即为，即为侧偏力。（图中侧偏力。（图中0 0外倾角曲线上的值）外倾角曲线上的值）（4 4）侧偏角和外倾角都不为零侧偏角和外倾角都不为零，且侧偏角较小时：，且侧偏角较小时： kkFFFYYY 3 3、有外倾角时轮胎的侧偏特性、有外倾角时轮胎的侧偏特性注意区分因果关系：注意区分因果关系： 由外倾角由外倾角-产生外倾侧向力；产生外倾侧向力；引起侧偏角变化；引起侧偏角变化； 而侧偏力而侧偏力- 产生侧偏角；产生侧偏角； 侧偏力和侧偏