轮胎力学与汽车空气动力学解析课件

1、第一章 轮胎力学与汽车空气动力学第一节、 轮胎力学1.1.1概述一、什么是轮胎？ 轮胎是汽车上的一个重要部件，支承整车，缓和路面不平对车辆的冲击力，为驱动和制动提供良好的附着作用，直接影响汽车的操纵稳定性和方向稳定性，许多性能也与轮胎有关。二、轮胎的要求有足够的强度和寿命、气密性好，保持行驶安全良好的弹性和阻尼特性，噪声小，保证乘坐舒适和安全胎面花纹要增强与地面的附着性，保证必要的驱动力和制动效能轮胎边行驶，材料中摩擦损失或迟滞损失要小，保证滚动阻力小轮胎侧偏特性好，保证转向灵敏和良好的方向稳定性三、轮胎的种类及规格组成 按结构组成： 内胎轮胎和无内胎轮 胎 按胎体中帘线排列方式： 普通斜线胎

2、、带束斜交帘线胎、子午线轮胎轮胎规格组成：轮胎宽度（mm）扁平率（%）轮胎结构形式轮辋直径（in或mm）工作标记（速度标记GSY 负荷指数L1）速度标记速度标记（GSY）最高车速（km/h）速度标记（GSY）最高车速（km/h）F80R170M130S180P150T190Q160H210负荷指数（L1）L1承载能力（kg）L1承载能力（kg）L1承载能力（kg）L1承载能力（kg）50190652908045095690511956630081462967105220067307824759773053206683158348798750542126932584500997755521870

3、3358551510080056224713458653010182557230723558754510285058236733658856010387559243743758958010490060250753879060010592561257764009161510695062265774129263010797563272784259365010810006428079437946701091030轮胎规格示例1.1.2 作用在轮胎上的力和力矩 X轴是车轮平面与地面的交线，前进的方向为正，z轴垂直于路面，向上为正，y轴在地平面内，规定面向轮胎前进方向时指向左方为正。地面对轮胎作用有三个

4、力和力矩，即图中所示，这六个分量称为轮胎六分力，名称及意义见下表轮 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轴的分量翻转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1.1.3 轮胎纵向动力学特性一、滚动阻力由公式可得阻力偶为：令 ，考虑到 得 （1-1）从 动 轮 受 力 情 况 车轮半径 滚动阻力 滚动阻力系数可知：滚动阻力等于滚动阻力系数与车轮垂直载荷（或地面法向反作用力）之积一直线行驶时滚动阻力1

5、、硬 路 面固体的变形曲线9.0020轮胎的径向变形曲线 土壤的压挤变形 轮胎静止时的受力由平衡条件得：弹性轮胎在硬路面上的滚动驱动轮在硬路面上滚动时的受力图由上式可知，真正作用在驱动轮上的汽车行驶的力为地面对车轮的切向反作用力 ，它的数值为驱动力 减去驱动轮上的滚动阻力 。滚动阻力系数地 面 类 型良好的沥青或水泥路0.0100.018一般的沥青或水泥路0.0180.020碎石路0.0200.025压紧土路、干燥路面0.0250.035潮湿路面0.0500.150结冰路面0.0150.030压紧的雪路0.0300.050卵石路面0.0250.030干砂路0.1000.300湿砂路0.060.

6、15斜线轮胎与子午线轮胎在不同速度下的滚动阻力系数变化轮胎内部温度对滚动阻力系数的影响不同路面上的滚动阻力系统随胎压而变化的关系在不同的地面上轮胎直径对滚动阻力系统的影响 2、湿路面 在湿路面上，车轮必须排挤水层，因此，相对干路面来说，滚动阻力要增加，增量称为穿水阻力 ，穿水阻力与车速和轮胎宽度b有关：总的滚动阻力应是干路面上的滚动阻力 加上穿水阻力 。穿水阻力3、前束阻力前束阻力是因为车轮有前束，车轮与行驶方向存在偏角致使车轮产生侧向变形造成。而所以令 ，代入后得前束角，rad轮胎侧偏刚度，N/rad前束阻力系数车轮垂直载荷，N可见， 随 增大而减小，而随车速的平方一起增长，最后得转弯时滚动

7、阻力故总的转弯阻力增量设转弯时在离心力作用下前、后侧偏角为 和 ，式中， ， ， 分别为轴距，质心到前轴中心与后轴中心的距离二转弯时的滚动阻力转弯时滚动阻力大小取决于行驶速度和转向半径，转弯的滚动阻力系数由下式决定由平衡条件可得：由此得附加滚动阻力系数转弯滚动阻力图 曲线有以下特点：在s=015%之间， 随S线形增长在s=15%30%之间， 达到最值，称为 峰值附着系数在s=30%100%之间，曲线下降，在滑动率100%时 最小两最值间关系为： a、干路面： b、湿路面：滑动摩擦系数二、纵向附着系数、滑转率、附着率1、附着系数0100%非稳定区域纵向滑动率s附着系数峰值附着系数2、曲线影响因素

8、路面性质：干燥路面相对湿路面来说，两个最值比较高车速：20km/h时，对最小值影响很小，反之则会使其 略有上升湿路面和有水膜层路面：附着系数下降，且和速度关系保持不变松软路面上的附着系数和滑动率曲线比较平坦，最大值在滑转率20%处出现 附着率 车轮半径：自由半径，静力半径，滚动半径 1.1.4 轮胎侧偏特性一、侧偏现象 车轮滚动式的轨迹线aa与原中心面与地面交线cc之间的形成夹角，即为侧偏现象，夹角称为侧偏角。侧偏力与侧偏角的关系为：侧偏刚度，曲线在=0处的斜率二、影响侧偏的因素轮胎结构 轮胎结构形式和尺寸对回正力矩、侧偏角特性有很大影响，侧偏角相同的情况下，一般尺寸越大，回正力矩就越大。扁平

9、率对轮胎的刚度影响也较大。工作条件 1）充气压力 2）垂直力和切向力 3）车速路面状况 湿路面的最大侧偏力要比干路面上的小得多1.1.5 轮胎侧偏特性的数学模型一、建立模型的目标找到轮胎结构参数和使用参数与轮胎侧偏特性间的数学关系根据上述研究结果为汽车设计、轮胎设计和汽车动力学的研究提供有用资料二、建模时的假设胎体是刚性的，把整个轮胎弹性集中于胎面层轮胎作自由滚动，不考虑其他影响轮胎侧倾角为零印迹与路面间各点摩擦系数为常数胎面应力在印迹宽度方向均匀分布，忽略轮胎宽度影响三、分析计算由实验得，载荷的纵向分布为由z方向上的力和力矩平衡条件得整理后得类似的，可求得最终求得上两式表明：轮胎侧偏刚度与胎

10、面侧向分布刚度成正比关系轮胎印迹长度对侧偏刚度和回正力臂影响显著1.1.6轮胎侧倾力学特性外倾推力与外倾角的关系为：建立数学模型把轮胎全部弹性集中在胎面上，忽略胎体弹性，轮胎简化成一把刷子忽略轮胎宽度接地印迹为矩形当较小时，上式表明，外倾刚度与胎面侧倾刚度和印迹长度成正比，与轮胎半径成反比最终有：1.1.7 轮胎径向特性及振动特性轮胎径向特性主要是指轮胎在垂直方向的弹性和阻尼，是轮胎重要的力学特性之一轮胎垂直弹性一般由静止时轮胎上垂直载荷与其变形的曲线来确定，曲线表明：载荷与变形成线性关系。影响轮胎刚度的因素： 1）充气压力 气压增加，变形减少，静刚度增加 2）行驶速度 3）轮胎结构形式 轮胎

11、扁平率加大或轮辋变宽，静刚度变大，轮胎尺寸加大，静刚度增大 4）侧偏角 轮胎刚度会随侧偏角的增大而减小第二节、汽车空气动力学1.2.1 概述 汽车在路面上行驶时，除受到路面的作用力外，还受到周围空气流对它作用的各种力和力矩，研究这些力的特性及其对汽车性能影响的学科称为空气动力学。六分力名称和系数公式1.2.2 气动阻力一、气动阻力由5部分组成形状阻力 与车身形状有关产生的阻力诱导阻力 摩擦阻力 由于空气具有粘性，流经车身表面时与车 身产生的摩擦力干扰阻力 由车身表面突起物造成的阻力内循环阻力 为了发动机冷却和乘坐舱内换气而引起的空气气流通过车身内部构造所产生的阻力。二、减少气动阻力系数的措施光

12、顺车身表面的曲线形状，消除或延迟空气附面层剥离和涡流的产生调整迎风和背风的倾斜角度，使车头、前窗、后窗等造型的倾斜角度有效的减少阻力、升力的产生。减少突起物，形成平滑表面设计空气动力附件，整理和引导气流流向1.2.3 升力和仰俯力矩一、概念 升力是由于汽车行驶中车身上部和车身底部空气流速不等形成压力差而造成的，升力不过重心时，对汽车产生仰俯力矩。升力使车轮有抬升趋势，减小驱动轮的附着力，是转向性变坏。二、采取的措施车身形状 1）尽量做到风压中心与重心接近 2）尽量压低车身前端，使之成为楔形，同时尾部肥厚向上翘以产生负迎角 3）车身前部设阻流板，后面设后扰流板，使后面翘起来驱动形式 一般前置驱动汽车的风压中心与车身中心接近，后置发动机的重心往往偏