《汽车系统动力学第2版喻凡基本课件第3章充气轮胎动力学》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车系统动力学第2版喻凡基本课件第3章充气轮胎动力学（174页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、绪篇 理论和基础理论,第一章 车辆动力学概述 第二章 车辆动力学建模 方法及基础理论 第三章 充气轮胎动力学 第四章 空气动力学基础,第三章 充气轮胎动力学,第一节 概述 第二节 轮胎的功能、结构及发展 第三节 轮胎模型 第四节 轮胎纵向力学特性 第五节 轮胎垂直力学特性 第六节 轮胎侧向力学特性,第一节 概 述,轮胎是车辆重要的组成部分,直接与地面接触。其作用是支承整车的重量,与悬架共同缓冲来自路面的不平度激励,以保证车辆具有良好的乘坐舒适性和行驶平顺性;保证车轮和路面具有良好的附着性,以提高车辆驱动性、制动性和通过性,并为车辆提供充分的转向力。 现代轮胎是一个复杂的黏弹性结构,具有明显的非
2、线性特性。由于轮胎材料、结构及其与路面相互作用关系的复杂性,以及轮胎力学特性对车辆动力学的重要影响,所以有必要在讨论整车动力学之前,先介绍轮胎结构、轮胎模型及力学特性。此外,在整车动力学建模中对轮胎模型的,第一节 概 述,考虑也给予一些建议和说明。 首先介绍SAE标准轮胎运动坐标系,然后介绍几个重要的运动学参数的定义,即车轮的滑动率(wheel slip ratio)、轮胎侧偏角(tire slip angle)及径向变形(radial deflection)。,第一节 概 述,一、轮胎运动坐标系,为了便于研究人员统一进行轮胎力学模型分析,美国汽车工程师学会(SAE)制定了标准的轮胎运动坐标系
3、,并定义了轮胎的作用力和力矩及相关运动变量。SAE标准轮胎运动坐标系被定义为法向坐标向下的右手三维正交坐标系,如图3-1所示。坐标系的原点是轮胎接地印迹中心,x轴定义为车轮平面与地面的交线,前进方向为正;y轴是指车轮旋转轴线在地面上的投影线,向右为正;z轴与地面垂直,向下为正。,第一节 概 述,一、轮胎运动坐标系,第一节 概 述,一、轮胎运动坐标系,轮胎受到分别沿x轴、y轴和z轴三个方向的力以及绕三个轴的力矩作用,通常称为轮胎的六分力。其术语见表3-1。,第一节 概 述,二、车轮运动参数,1.滑动率s 车轮滑动率表示车轮相对于纯滚动(或纯滑动)状态的偏离程度,是影响轮胎产生纵向力的一个重要因素
4、。为了使其总为正值,可将驱动和被驱动两种情况分开考虑。驱动工况时称为滑转率;被驱动(包括制动,常用下标b以示区别)时称为滑移率,二者统称为车轮的滑动率。 参照图3-2,若车轮的滚动半径为rd,轮心前进速度(等于车辆行驶速度)为uw,车轮角速度为,则车轮滑动率s定义如下:,第一节 概 述,二、车轮运动参数,1.滑动率s 车轮的滑动率数值在01之间变化。当车轮做纯滚动时,即uw=rd,此时s=0;当被驱动轮处于纯滑动状态时,s=1。,第一节 概 述,二、车轮运动参数,1.滑动率s,第一节 概 述,二、车轮运动参数,2.轮胎侧偏角 轮胎侧偏角是影响轮胎侧向力的一个重要因素,定义为车轮回转平面与车轮中
5、心运动方向的夹角,顺时针方向为正,用表示,如图3-3所示。实际上,轮胎接地区内胎面侧向变形相对于接地中心轴呈非对称分布,因而接地区变形力的合力(即轮胎侧向力Fy)的作用点并不处于接地区中心,而是向后偏移一段距离,通常将这段距离称为“轮胎气胎拖距”(tire pneumatic trail),记为tp。由于SAE轮胎坐标系是将轮胎侧向力的作用点定义于轮胎接地中心,因此需要引入一项“回正力矩”(aligning torque),记为Mz,第一节 概 述,二、车轮运动参数,2.轮胎侧偏角 轮胎侧向力与轮胎气胎拖距的乘积,以此来描述实际轮胎侧向力相对于接地中心的非对称性。在SAE标准轮胎运动坐标系中,
6、若分别用uw和vw表示轮心的前进速度与侧向速度,则轮胎侧偏角通常可表示为: 根据图3-1中规定的侧偏角、侧向力和回正力矩的方向,由图3-3可以看出, 在标准轮胎运动坐标系中,负的轮胎侧向力将产生正的侧偏角。,第一节 概 述,二、车轮运动参数,2.轮胎侧偏角,第一节 概 述,二、车轮运动参数,3.轮胎径向变形 轮胎径向变形是车辆行驶过程中遇到路面不平度影响而使轮胎在半径方向上产生的变形,定义为无负载时的轮胎半径rt与负载时的轮胎半径rtf之差,其表达式如下: 其符号定义为正的轮胎径向变形产生于负的(向上的)轮胎法向力Fz(图3-2)。,第二节 轮胎的功能、结构及发展,轮胎的基本功能包括: 1)支
7、撑整车重量; 2)与悬架元件共同作用,衰减由路面不平引起的振动与冲击; 3)传递纵向力,以实现驱动和制动; 4)传递侧向力,以使车辆转向并保证行驶稳定性。 。,第二节 轮胎的功能、结构及发展,为实现以上功能,任何一个充气轮胎都必须具备以下基本结构: (1)胎体 具有高弹性模量的帘线层内嵌于低弹性模量的橡胶中,构成了轮胎的胎体,其结构决定了轮胎的基本性能。帘线层通常由尼龙、织物、聚酯物、人造纤维或钢丝等材料制成。对于无内胎轮胎来说,则有一层低浸透性的内衬置于胎体内侧并与其做成一体。 (2)胎圈 为便于胎体从轮辋上装卸,具有高弹性模量的卷边胎圈包容并贴合于轮辋。胎圈内含胎圈芯,由多股高强度钢丝组成
8、。胎圈需有一定刚度,以保证与轮辋紧密贴合。,第二节 轮胎的功能、结构及发展,(3)胎面 包括胎冠、胎肩和胎侧。胎冠承受摩擦和冲击,保护胎体和内胎;提供与路面的摩擦接触,以传递驱动力、制动力和转向力;胎冠花纹能够排水及排污,以保证在各种不同工作条件下行驶时,轮胎与路面具有良好的附着力。胎肩是较厚的胎冠和较薄的胎侧的过渡部分,一般也制有花纹,以利于散热。胎侧用以保护帘布层侧壁免受潮湿和机械损伤。常用的车用充气轮胎有两种,即斜交轮胎和子午线轮胎。二者在结构上有明显不同,主要区别在于胎体帘线角度的不同。所谓“帘线角”即为胎体帘线层的线与车轮中心线形成的夹角。子午线轮胎的帘线角通常为85,第二节 轮胎的
9、功能、结构及发展,90,斜交轮胎的帘线角通常为2040。以某运动型轿车无内胎子午线轮胎为例,图3-4给出了其具体结构及各部分功能1。 轮胎是一个典型的黏弹性结构,其材料组成十分复杂,图3-5说明了不同材料在轮胎胎面橡胶混合物中所占的质量比例(质量分数)。实际上,橡胶混合物的材料构成、胎面花纹以及内部结构都是决定轮胎品质的重要因素。 轮胎的结构特性很大程度上影响了轮胎的物理特性,包括前进方向所受的滚动阻力、所能提供的垂向减振与缓冲作用,以及为车辆提供转向的能力。因此,现代车辆设计中对,第二节 轮胎的功能、结构及发展,第二节 轮胎的功能、结构及发展,轮胎的设计提出了很高的要求。 以德国新倍力(Se
10、mperit)轮胎公司为例,简要介绍现代轮胎研究所取得的进展及轮胎产品需满足的性能要求1。在1960年、1970年和1992年,新倍力公司制定的产品研发目标如图3-6所示。从图中可以看出,1960年的斜交轮胎具有非常好的舒适性,且制造方便、重量轻,但缺点是车辆动力学性能差,尤其在操纵稳定性方面表现不佳,湿路面的附着性也很差。1970年的子午线轮胎,大部分的特性恰好与其相反。到了1992年的现代轮胎则兼顾了各种要求,并体现了最优的折衷。同时,轮胎制造企业可提供不同的,第二节 轮胎的功能、结构及发展,系列产品以满足不同用户的要求,如可以选择舒适型轮胎或运动型轮胎等。 在货车轮胎研发中,经济性应是优
11、先考虑的因素。减小轮胎滚动阻力系数对节省运输成本起重要作用。随着近年来对汽车节能和经济性要求的提高,最新的发展已使轮胎滚动阻力系数(fR)降至0.005或更低,如德国大陆(Continental)公司研制的低滚动阻力货车轮胎等。,第二节 轮胎的功能、结构及发展,第三节 轮胎模型,轮胎模型描述了轮胎六分力与车轮运动参数之间的数学关系,即轮胎在特定工作条件下的输入和输出之间的关系,如图3-7所示。 根据车辆动力学研究内容的不同,轮胎模型可分为: (1)轮胎纵滑模型 主要用于预测车辆在驱动和制动工况时的纵向力。 (2)轮胎侧偏模型和侧倾模型 主要用于预测轮胎的侧向力和回正力矩,评价转向工况下低频转角
12、输入响应。 (3)轮胎垂向振动模型 主要用于高频垂向振动的评价,并考虑轮胎的包容特性(包括刚性滤波和弹性滤波特性)。,第三节 轮胎模型,第三节 轮胎模型,第三节 轮胎模型,以上模型主要适用于纯工况下对轮胎力学特性的研究,本章将在第四、五、六节分别对轮胎纵向、垂向及侧向力学特性给予介绍。在联合工况下,如同时考虑纵滑和侧偏时的轮胎力学特性模型,也称为轮胎纵滑侧偏特性模型,如图3-8所示,将在第五节中一并给予介绍。 此外,轮胎模型还可以分为经验模型和物理模型。前者根据轮胎试验数据,通过插值或函数拟合方法给出预测轮胎特性的公式;而后者则是根据轮胎与路面之间的相互作用机理和力学关系建立模型,旨在模拟力或
13、力矩产生的机理和过程。,第三节 轮胎模型,在物理模型中,轮胎通常被简化成一系列理想化、具有给定的物理特性的径向排列的弹性单元体。必要的话,还要给出这些弹性单元体在道路表面的滑动能力,以及由于相邻单元体连结或包络的胎面而引起的约束。典型的轮胎物理模型3主要有:弦模型(stressed string model);梁模型(beam model);刷子模型(brush model);辐条模型(multi-spoke model)。 其他有关物理模型将在后面相应章节中予以说明,但不论是经验模型还是物理模型,其实都有其特定的应用场合,其精度和复杂程度也不尽相同。此外,由于轮胎模型在车辆仿真的每次积分中可
14、能被反复调用,因而在选用模型时要,第三节 轮胎模型,同时考虑计算效率和计算精度。这里仅对几种常用的轮胎模型给予介绍。 (1)幂指数统一轮胎模型 该模型属于一种半经验模型,由郭孔辉院士提出,用于预测轮胎的稳态特性3。在理论分析和试验研究基础上提出的半经验“指数公式”轮胎模型,可用于轮胎的稳态侧偏、纵滑及纵滑侧偏联合工况。通过获得有效的滑移率,该模型也可进行非稳态工况下的轮胎纵向力、侧向力及回正力矩的计算。 在稳态纯纵滑、纯侧偏工况下,轮胎的纵向力、侧向力及回正力矩分别表示如下。,第三节 轮胎模型,第三节 轮胎模型,第三节 轮胎模型,上公式中出现的参数a1,a2,b1,b2,c1,c2,d1,d2
15、 均由轮胎试验数据拟合求得。 幂指数统一轮胎模型的特点是: 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应用于各种不同的路面。当路面条件改变时,只要改变路面的附着特性参数,代入无量纲表达式即可得到该路面下的轮胎特性。 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。在联合工况下,其优势更加明显。,第三节 轮胎模型,5)能拟合原点刚度。 (2)“魔术公式”轮胎模型 “魔术公式”轮胎模型 (Magic Formula Tire Model)由Pacej
16、ka教授提出4,它以三角函数组合的形式来拟合轮胎试验数据,得出了一套形式相同并可同时表达纵向力、侧向力和回正力矩的轮胎模型,故称为“魔术公式”。其形式如下: 式中,y可以是纵向力、侧向力或回正力矩,而自变量x可以在不同的情况下分别表示轮胎侧偏角或纵向滑移率。,第三节 轮胎模型,“魔术公式”中的系数由图3-9说明,图中所示的曲线可以是纵向力、侧向力或回正力矩关系曲线。其中,D=yp,为曲线峰值(C1时);C为曲线形状系数,由于它控制了“魔术公式”中正弦函数的范围,因此决定了所得曲线的形状,其值可由曲线峰值yp以及稳态值ys决定,即C=11-2arcsin(ys/D)/;系数B、C、D的乘积对应于原点(x=y=0)处的斜率,即BCD=tan;当C和D确定后,即可由与tan的关系式求出B,即B=tan/(CD),因此B也称为刚度系数;系数E用来控制曲线峰值处的曲率,可以表示为E=Bxp-tan/(2C)/Bxp-arctan(Bxp)。,第三节 轮胎模型,第三节 轮胎模型,“
