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1、轮胎设计与工艺学 Tire Structure Design and Technology第二章 轮胎的使用性能教学目的及要求 通过本章学习，掌握轮胎滚动阻力及影响因素，轮胎牵引性能，轮胎使用过程中的变形情况，轮胎行驶安全性及经济性能。重点难点轮胎耐磨性能影响因素 轮胎滚动阻力及影响因素第二章第二章 轮胎的使用性能轮胎的使用性能 第三节 滚动阻力 第四节 牵引性能 第五节 轮胎的滚动变形 第六节 行驶安全性 第七节 轮胎经济性轮胎的通过和牵引性能是保证汽车行驶的重要性能之一。汽车发动机发出的动力，经传动系统作用于驱动轮胎上，使轮胎对道路产生一种力简称周向力。牵引力：道路作用于轮胎胎面，与周向力
2、大小相等方向相反的作用力，是驱动汽车行驶的外力。牵引性能：在牵引力作用下，轮胎要克服道路对它的滚动阻力，使轮胎能在不同道路上行驶通过的能力，称为牵引性能。第四节 牵引性能轮胎牵引性能好轮胎牵引性能好, ,汽车能在较高速度下行驶汽车能在较高速度下行驶，并具有，并具有较好的通过性能及安全性能较好的通过性能及安全性能，尤其在，尤其在松软的土路、沙地、泥泞地和冰雪路上汽车能松软的土路、沙地、泥泞地和冰雪路上汽车能顺利通过。顺利通过。轮胎轮胎牵引性能好坏取决于轮胎滚动阻力及牵引性能好坏取决于轮胎滚动阻力及其附着性能。滚动阻力小，附着性能好才能提其附着性能。滚动阻力小，附着性能好才能提高轮胎的牵引性能高轮
3、胎的牵引性能。轮胎牵引性能轮胎牵引性能牵引性能牵引性能轮胎结构轮胎结构 类型类型胎面花纹胎面花纹气压气压道路等级道路等级（1）轮胎结构及类型 子午线轮胎胎体柔软下沉大,接地面积大,滑移小,对路面有较好的附着性能,在硬路面上行驶牵引性能优于斜交轮胎。大直径和宽断面轮胎接地面积较大，亦具有较好的牵引和通过性能。（2）胎面花纹纵向花纹抗侧滑性能比横向花纹 好，横向花纹纵向牵引通过性能 比纵向花纹好，抓着力好。（3）轮胎的气压 轮胎在硬路上行驶,降低气压可增 加与路面的接触面积,提高附着力,但随 之滚动阻力也增大，不一定能改善轮胎 的牵引性能。轮胎在软土路面上行驶 ，降低气压 ,轮胎与路面接地面积增加
4、，附着力增大 ，而滚动阻力减小，因而可提高轮胎的 牵引和通用性能。（4）轮胎与路面的附着性能 轮胎与路面附着性能好,可提高轮胎的牵引性和通过性。表示轮胎的附着性能可用纵向和侧向附着系数表示。通常以纵向附着系数为指标。附着系数：牵引力或侧向力与法向载荷之比，表示轮胎与路面间的接触强度,附着系数大则附着性能好,从而提高轮胎的牵引力,保证汽车安全行驶。纵向附着系数：等于车轮完全均匀空转时牵引力与法向负荷之比或等于在制动车轮完全均匀滑移时制动力与法向负荷之比。国际公路协会规定了在不同道路条件下最低附着国际公路协会规定了在不同道路条件下最低附着系数的范围为系数的范围为0.40.40.60.6。 路面 状
5、况干柏 油路湿柏 油路干土路湿土路冰雪路0-5-5以下附着 系数0.61.00.30.50.50.70.10.30.05 0.100.10.2附着系数大小取决于轮胎结构参数、负荷和内压附着系数大小取决于轮胎结构参数、负荷和内压、使用速度，最主要是路面条件的影响。、使用速度，最主要是路面条件的影响。 不同路面轮胎的附着系数不同路面轮胎的附着系数第五节 轮胎的滚动变形三向度三向度 变形变形径向变形径向变形周向变形周向变形侧向变形侧向变形1、径向变形(法向形变)径向变形：轮胎承受法向负荷作用产生断面变形,断面高减小,断面宽增大,这种轮胎断面高变化量称为径向形变,又称法向形变。轮胎的变形功是由压缩空气
6、和胎体材料所承担。在正常径向变形下，60的功消耗于压缩空气，40的功用于帘布层和胎面胶变形。当径向变形过大或过小时，消耗于压缩空气的功一般都要降低。静半径Rs：在静态轮胎标准负荷和气压下，径向变形时车轴与路面的距离。径向变形（下沉量）f:静半径和非变形轮胎的自由半径Rf之差。动半径Rm:车轮滚动时车轴与路面的距离。滚动半径Rr：轮胎单位转数下所滚动的距离。轮胎旋转时由于离心力作用和胎体刚度的增加，一般动半径大于静半径。主动轮和制动轮的半径大小决定于施加力矩高低。施加力矩越高， Rm值亦越大；制动力矩越高， Rm值越小。因此，动半径可能等于、大于或小于静半径。滚动半径Rr：轮胎单位转数下所滚动的
7、距离。S轮胎所滚动的路程Rr滚动半径 n滚动转数 V滚动线速度 转动角速度为了鉴别轮胎性能和计算汽车参数，通常采用滚动半径Rr参数。滚动半径除受静半径和动半径影响以外，还决定于轮胎结构、路面条件和车轮滚动情况等一系列因素。轮胎滚动时在接地面及其附近部分产生周向变形。在转入接地区后，转动力矩使胎面胶压缩，而制动力矩使胎面胶伸张；在离开接地区时情况则完全相反。所以在计算或测定滚动半径时，必须考虑转动力矩和制动力矩的影响。同时，滚动速度越大，影响也越大。主动车轮滚动半径小于动半径，二者之差随着转动力矩和滚动速度的增加而增大。制动车轮滚动半径由于轮胎与路面滑动而大于动半径。 综上可知： RsRff R
8、mRs主动轮胎RrRm静半径和动半径可以在轮胎径向变形的较小范围内变化。滚动半径变化范围很大，从零（轮胎原地空转）到无限大（轮胎打滑不转）。图中可见 ：R f R s , R f R s = hc , 压缩系数:下沉量h c与充气断面高H之比 称为 (单位用百分数表示), 压缩系数= hc /H100% 一般采用压缩系数衡量轮胎的径向变形，压缩系数值大轮胎的径向变形大，意味着其胎体柔软。也可以用单位径向变形所需负荷量表示，单位为N/cm。表1-6 不同类型轮胎的变形范围轮轮胎类类 型轿车轮轿车轮 胎载载重汽车轮车轮 胎拱形轮轮 胎轮辋轮辋 直 径， 406mm轮辋轮辋 直径 ， 355mm 和
9、 380mm小规规格硬路面软软路面压缩压缩 系 数121414181416101215182530一般不同类型轮胎在标准气压和负荷下变形程度一般不同类型轮胎在标准气压和负荷下变形程度控制在一定范围内，用压缩系数表示。控制在一定范围内，用压缩系数表示。过大的径向变形，会造成胎侧部过分弯曲伸张，胎冠部压缩，过大的径向变形，会造成胎侧部过分弯曲伸张，胎冠部压缩， 导致帘线受应力过大而疲劳脱层，早期损坏。导致帘线受应力过大而疲劳脱层，早期损坏。缓冲性能：轮胎在滚动过程中超越障碍物或对不平坦路面的冲击、振动的吸收缓和作用。由于轮胎径向变形因径向载荷而变化，称为轮胎的载荷性能，因此其缓冲性能可称为轮胎载荷
10、性能中的一种特殊性能，缓冲性能好对乘坐舒适性，车辆运输安全性，对节约燃料及车辆的使用极为有利。影响轮胎径向变形的因素很多，如轮胎结构参数方面，断面高度大，扁平率增大的轮胎断面，子午线结构，帘布层数少和帘线角度小等都能增加轮胎的径向变形。轮胎使用条件方面，负荷增大或内压降低时，径向变形亦随之增大。轮胎结构参数对缓冲性能（径向变形）有一定的影响，其中起主导作用的是轮胎断面形状、帘布层结构及充气压力等。影响径向 变形因素轮胎结 构参数使用条件断面高度扁平率子午线结构帘布层帘线角度负荷内压当轮胎的扁平率增大时，子午线轮胎的缓冲性能增加，斜交轮胎趋势相同。当轮胎断面宽增加时，由于接地宽度增大和胎测部帘线
11、角度增大，缓冲性能降低。轮胎的花纹深度对周、侧向刚性也有影响，花纹深度越浅，周向、侧向刚性越大，耐侧滑性能越好。加宽轮胎的行驶面，可以提高轮胎的侧向刚性。同一轮胎装在不同轮辋上时，缓冲性能不 同，在宽轮辋上，轮胎刚性增加，缓冲性下降 。帘布层结构中影响缓冲性能的主要是帘线角 度和帘线层数。帘线角度大和帘布层数多时， 缓冲性能差。子午线轮胎的带束层刚性不影响径向变形和 侧向刚性，但增大带束层刚性能增大周向刚性 和耐侧滑性能。充气内压对缓冲性能影响，内压降低时，特别是在充气内压对缓冲性能影响，内压降低时，特别是在 低气压时，缓冲性能增大。低气压时，缓冲性能增大。同时降低气压也能减小车同时降低气压也
12、能减小车 辆的震动频率和振幅，但有时由于汽车悬挂系统、路辆的震动频率和振幅，但有时由于汽车悬挂系统、路 面、车速等不同，情况会相反，应结合具体情况进行面、车速等不同，情况会相反，应结合具体情况进行 分析。分析。2 2、周向变形、周向变形 轮胎的周向变形是与径向变形同时产生的一轮胎的周向变形是与径向变形同时产生的一种形变，种形变，主要发生在轮胎圆周的下半周，主要发生在轮胎圆周的下半周，当轮当轮胎滚动时，胎滚动时，滚动方向的前部轮胎呈压缩状态，滚动方向的前部轮胎呈压缩状态，后部轮胎则呈拉伸状态，后部轮胎则呈拉伸状态，使轮胎断面沿滚动方使轮胎断面沿滚动方向扭曲变形，此周向变形通常用胎面长度变化向扭曲
13、变形，此周向变形通常用胎面长度变化的百分率表示。图的百分率表示。图1-141-14所示为轮胎在负荷滚动下所示为轮胎在负荷滚动下的周向变形。图中的周向变形。图中RfRf RsRs动半径Rm：当轮胎在动态时，发生变化，轮轴中心至路面间距变为，称为动半径。低速时此值相差不大，当轮胎高速滚动时，轮胎的离心力促使Rm略大，由于半径的改变，轮胎每转一周经过的路程也改变，若动半径减小，周向变形则增大，轮胎与路面间产生滑移摩擦亦随之增大，造成胎面严重磨损。因此，轮胎的动半径是可变的，变化越小则周向变形小，有利于胎面的耐磨性。S S轮胎所滚动的路程轮胎所滚动的路程RrRr滚动半径滚动半径 n n滚动转数滚动转数
14、3、侧向变形 侧向变形：轮胎受侧向力作用下，轮胎断面 横向倾斜变形，轮胎中心线与车轮平面中 心线偏离，这种断面倾斜一侧的横向变形 称为侧向变形。其值可用值表示。轮胎侧向变形，使轮胎断面非对称受力 ，造成胎面快速磨损或出现偏磨损伤， 尤其是当车辆急转弯行驶，离心力和惯 性力作用，更增大轮胎的侧向变形、加 剧胎肩及胎圈都位损坏，影响轮胎的使用寿命。若轮胎与地面附着力不足时， 侧向力会造成轮胎侧滑，偏离行驶中心 ，破坏车辆行驶的稳定性。轮胎的侧滑轮胎的侧滑对汽车安全行驶影响很大，产生侧 滑的原因主要是侧向力的作用。a:a:受径向载荷的静态轮胎在地面上的印迹图受径向载荷的静态轮胎在地面上的印迹图 b:
15、b:受径向载荷的静态轮胎受侧向力时在地面上的印迹图受径向载荷的静态轮胎受侧向力时在地面上的印迹图 c:c:受径向载荷和侧向力的动态轮胎在地面上的印迹，受径向载荷和侧向力的动态轮胎在地面上的印迹，为侧滑为侧滑角，角，21上图为上图为侧向力与侧滑角侧向力与侧滑角的关系，当印迹面无滑动现象时为的关系，当印迹面无滑动现象时为 线性关系，而在侧向力加大时胎面开始滑动，侧滑角显著增大线性关系，而在侧向力加大时胎面开始滑动，侧滑角显著增大 。在同样条件下，轮胎与路面的附着系数影响很大，附着系数。在同样条件下，轮胎与路面的附着系数影响很大，附着系数 越大，侧滑角越小。越大，侧滑角越小。要想克服轮胎侧滑，保持直
16、线行驶，就应适法增大稳定力要想克服轮胎侧滑，保持直线行驶，就应适法增大稳定力 矩。矩。由上图可知，侧滑角越大，稳定力矩也越大，但在由上图可知，侧滑角越大，稳定力矩也越大，但在 大侧滑角时，稳定力矩则随着侧向力作用和胎面滑动区大侧滑角时，稳定力矩则随着侧向力作用和胎面滑动区 反作用的距离缩短而减小。反作用的距离缩短而减小。轮胎耐侧滑的主要因素是轮胎轮胎耐侧滑的主要因素是轮胎胎面侧向刚性胎面侧向刚性，而胎，而胎 体帘布层影响不大，但侧滑时轮胎非对称变形的大小要体帘布层影响不大，但侧滑时轮胎非对称变形的大小要 受到胎侧刚性的一定影响。子午线轮胎面能提高轮胎的受到胎侧刚性的一定影响。子午线轮胎面能提高轮胎的 耐侧滑性能。耐侧滑性能。影响轮胎侧向变形值的因素有轮胎结构参数、负荷，气压、轮胎与路面的附着系数等。提高轮胎胎体和胎面的刚性对降低侧向力作用
