《充气轮胎动力学》PPT课件.ppt

1 汽车系统动力学马天飞 第三章充气轮胎动力学 2 第一节概述 轮胎运动坐标系 SAE 定义了轮胎的作用力 力矩 六分力 和相关运动变量 汽车系统动力学马天飞 3 车轮运动参数 滑动率s描述的是车轮相对于纯滚动状态的偏离程度 驱动时 滑转率 制动时 滑移率 汽车系统动力学马天飞 4 车轮运动参数 轮胎侧偏角 车轮平面与车轮中心运动方向的夹角 顺时针为正 负的侧偏角将产生正的轮胎侧向力 汽车系统动力学马天飞 5 车轮运动参数 轮胎径向变形 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 符号定义 正的轮胎径向变形产生负的轮胎法向力 汽车系统动力学马天飞 6 第二节轮胎的功能 结构及发展 基本功能支撑整车重量 衰减由路面不平引起的振动与冲击 传递纵向力 实现驱动和制动 传递侧向力 使车辆转向并保证行驶稳定性 基本结构胎体 帘线层 橡胶胎圈胎面 包括胎冠 胎肩和胎侧 汽车系统动力学马天飞 7 轮胎的发展 轮胎的结构特性很大程度上影响了轮胎的物理特性 德国新倍力轮胎公司产品性能的发展 汽车系统动力学马天飞 8 第三节轮胎模型 概述描述了轮胎六分力与车轮运动参数之间的数学关系 汽车系统动力学马天飞 9 轮胎模型的分类 单一工况模型轮胎纵滑模型用于预测驱动和制动工况时的纵向力轮胎侧偏模型和侧倾模型侧向力和回正力矩轮胎垂向振动模型高频垂向振动联合工况模型轮胎纵滑侧偏特性模型 汽车系统动力学马天飞 10 轮胎模型的分类 经验模型根据轮胎试验数据 通过插值或函数拟合方法给出预测轮胎特性的公式 物理模型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 旨在模拟力或力矩产生的机理和过程 通常被简化成一系列理想化 具有给定物理特性的径向排列的弹性单元 弦模型刷子模型 汽车系统动力学马天飞 11 幂指数统一轮胎模型 郭孔辉院士提出的半经验模型 可用于轮胎的稳态侧偏 纵滑和纵滑侧偏联合工况 通过获得有效的滑移率 也可计算非稳态工况下的轮胎纵向力 侧向力及回正力矩 模型特点一次台架试验得到的试验数据可用于模拟不同的路面只需改变路面的附着特性参数纯工况和联合工况的表达式是统一的 可表达各种垂向载荷下的轮胎特性 使用的模型参数少 拟合方便 汽车系统动力学马天飞 12 魔术公式 轮胎模型 由Pacejka教授提出 用三角函数组合的形式来拟合轮胎试验数据 得到的纵向力 侧向力和回正力矩公式形式相同 x表示轮胎侧偏角或纵向滑移率 汽车系统动力学马天飞 D yp 曲线峰值 C为曲线形状系数 由峰值和稳态值决定 见教材 B为刚度系数 B tan CD E描述了曲线峰值处的曲率 见教材 13 魔术公式 轮胎模型的特点 用一套公式可以表达出轮胎的各项力学特性 统一方便 需拟合的参数较少 各参数物理意义明确 初值易确定 拟合精度比较高 由于是非线性函数 参数拟合较困难 计算量大 不能很好的拟合小侧偏情况下的轮胎侧偏特性 汽车系统动力学马天飞 14 SWIFT轮胎模型 是荷兰Delft工业大学提出的一种轮胎模型 采用刚性圈理论 结合魔术公式综合而成 适用于小波长 大滑移 中频 60Hz 输入 汽车系统动力学马天飞 15 SWIFT轮胎模型特点 在高频范围内 假设带束层为一个刚性圈 使胎体建模与接地区域分离 建模精度更高 可计算从瞬态到稳态的轮胎动力学特性 利用魔术公式计算侧向力和回正力矩 采用刚性圈理论计算垂向力和纵向力 在接地区域和刚性圈之间引入残余刚度 模拟轮胎的静态刚度 并且考虑了胎体和胎面的柔性 更加全面 考虑了接地印迹有效长度和宽度的影响 可实现轮胎在非水平路面和不平路面的仿真 汽车系统动力学马天飞 16 第四节轮胎纵向力学特性 概述车轮滚动阻力是指滚动车轮产生的所有阻力 轮胎滚动阻力轮胎变形产生的阻力道路阻力路面变形产生的阻力轮胎侧偏阻力轮胎侧向载荷使轮胎侧偏产生的附加纵向阻力 汽车系统动力学马天飞 17 一 轮胎滚动阻力 充气轮胎在理想 平坦 干 硬 路面上直线滚动时受到的阻力 包括弹性迟滞阻力 摩擦阻力和风扇效应阻力 弹性迟滞阻力胎体变形引起轮胎材料迟滞作用产生的阻力 轮胎等效系统模型低阻尼胎面材料会降低附着力帘布层数越多 阻尼越大 汽车系统动力学马天飞 18 轮胎驻波的形成及其危害 轮胎的阻尼随车轮转速的增加而减小 高速时 离开接触区域的胎面变形不能立即恢复 残留变形导致径向波动 形成驻波 危害 显著增加能量损失 并破坏轮胎 因此限制了轮胎的最高安全行驶速度 汽车系统动力学马天飞 19 滚动阻力系数 轮胎滚动阻力和车轮载荷近似成线性关系定义轮胎滚动阻力系数 汽车系统动力学马天飞 20 轮胎接地印记内压力的分布轮胎接地印迹内的压力在横向和纵向均呈不对称分布 汽车系统动力学马天飞 斜交轮胎子午线轮胎 21 滚动阻力的产生在车轮中心面上 纵向压力的分布车轮转动阻力矩滚动阻力系数 汽车系统动力学马天飞 22 滚动阻力系数的影响因素 滚动阻力通常随车轮载荷的增加而增加 而滚动阻力系数随载荷的增加而减小 轮胎压力升高 滚动阻力系数减小 随着车速的增加 滚动阻力系数逐渐增加 到显著增加 汽车系统动力学马天飞 23 滚动阻力系数的测量 整车道路测试道路状况和基本条件是真实的 很难保证指定的试验参数 室内台架测试外支撑试验台内支撑试验台平板试验台 汽车系统动力学马天飞 24 二 道路阻力不平路面 塑性路面和湿路面均会产生轮胎阻力 1 不平路面使车轮弹跳 消耗掉的阻尼功形成滚动阻力分量 汽车系统动力学马天飞 25 2 塑性路面承载车轮滚过软路面时将产生轮辙 引起车轮附加阻力 汽车系统动力学马天飞 压实阻力推土阻力剪切阻力 26 3 湿路面在湿路面上 轮胎必须穿透水层与路面接触 为克服扰流阻力将产生车轮附加阻力 扰流阻力几乎完全依赖于单位时间内排开水的体积 汽车系统动力学马天飞 扰流阻力与车轮滚动速度的关系 Wt为轮胎宽度 27 三 轮胎侧偏阻力前面讨论的滚动阻力是基于车轮前进方向垂直于车轴 且车轴平行于路面的假设条件的 侧向载荷和车轮定位都会改变以上假设条件 1 侧向载荷的影响转弯时 侧向力导致侧偏现象 侧向力在车轮运动方向上的分力形成侧偏阻力 小侧偏角时 其滚动阻力系数 汽车系统动力学马天飞 28 2 车轮定位的影响车轮前束角使车轮中心平面与车辆行驶方向之间存在夹角 侧偏现象将产生附加滚动阻力 车轮外倾角车轮中心平面与路面垂线之间的夹角 轮胎滚动时不垂直于地面 滚动区域所受载荷不断变化 胎壁变形 滚动阻力会稍有增加 汽车系统动力学马天飞 29 四 总的车轮滚动阻力当车辆在普通干路面上作直线行驶时 一般可以认为车轮阻力就是轮胎滚动阻力 汽车系统动力学马天飞 30 五 轮胎纵向力与滑动率的关系 驱动时 车轮转动的趋势大于平移的趋势 驱动滑转率轮胎驱动力系数定义为驱动力与法向力的比值 汽车系统动力学马天飞 31 驱动力系数与滑转率的关系OA段 轮胎初始的滑转主要由胎面弹性变形引起 AB段 部分胎面在地面上滑转 驱动力和滑转率呈非线性关系 滑转率在15 20 附近 驱动力达到最大值 滑转率进一步增加时 轮胎进入不稳定工况 驱动力系数从峰值 p下降到纯滑转时的 s 饱和滑动值 汽车系统动力学马天飞 32 制动力系数与车轮滑移率的关系制动时 车轮平移的趋势大于转动的趋势 制动力系数 制动力与法向载荷之比 与滑移率的关系 汽车系统动力学马天飞 33 路面附着系数的差异不同轮胎路面附着系数的峰值和滑动值差别显著 应尽量避免车轮制动时抱死 sb 1 或加速时空转 s 1 在良好路面上 附着系数受轮胎结构 充气压力的影响并不显著 汽车系统动力学马天飞 34 s关系的影响因素车辆行驶速度轮胎载荷 汽车系统动力学马天飞 35 1 Julien的理论模型 描述驱动力与充气轮胎纵向滑转率的关系假设胎面为一个弹性带 接地印迹为矩形且法向压力均匀分布 接地区域分为附着区和滑转区 在附着区 作用力只由轮胎弹性特性决定 在滑转区 作用力由轮胎和路面的附着条件决定 汽车系统动力学马天飞 36 Julien理论模型 轮胎在驱动力矩作用下 胎面接地前端产生纵向变形e0 假设其压缩应变 在附着区保持不变 则距前端x处的纵向变形为假设在附着区内 单位长度的纵向力与胎面变形成正比 则式中 ktan是胎面的切向刚度 x点之前的附着区域产生的驱动力为 汽车系统动力学马天飞 附着区域的驱动力 37 根据附着条件确定附着区的临界长度附着条件式中 p为法向压力 b为印迹宽度 附着区长度须小于临界长度lc式中 lt为轮胎接地长度 汽车系统动力学马天飞 Julien理论模型 38 全附着状态若lt lc 则轮胎接地区均为附着区 全附着时的驱动力为可以证明 纵向应变 等于轮胎纵向滑转率s 全附着状态下驱动力Fx与滑转率s之间呈线性关系 即图3 31的OA段 汽车系统动力学马天飞 Julien理论模型 39 将要出现滑转时的临界状态若轮胎接地长度等于临界长度时 印迹后端将开始发生滑转 此时有此时 滑转率和驱动力的极限值分别为 汽车系统动力学马天飞 Julien理论模型 40 部分滑转状态随着滑转率或驱动力的进一步增加 滑转区将从印迹后端向前扩展 滑转区产生的驱动力此时 附着区产生的驱动力 全附着公式中lt换成lc 总的驱动力此时 驱动力与滑转率呈非线性关系 AB段 汽车系统动力学马天飞 Julien理论模型 41 全滑转状态当滑转现象扩展到整个轮胎接地区域时 驱动力达到最大值 对应着图3 31中的B点 此时的驱动力和对应的滑转率为B点之后进入不稳定状态从B点开始 轮胎滑转率进一步增加 将进入不稳定工况 路面附着系数从 p下降到 s 汽车系统动力学马天飞 Julien理论模型 42 2 改进的Julien理论模型 Julien理论中 除了参数 p Fz w和lt外 纵向变形系数 t必须已知 需做大量试验 若忽略 t项 单位接地长度的驱动力为如果在接地区间内胎面与地面之间无滑动 则 汽车系统动力学马天飞 43 轮胎纵向刚度cs定义为单位滑移率所受的纵向力 即驱动力 滑转率曲线在原点处的斜率 如果接地区间无滑动发生 二者呈线性关系对应于曲线OA段 汽车系统动力学马天飞 改进的Julien理论模型 44 出现滑转时的临界状态A点以后 印迹后部单位长度的驱动力达到附着极限 胎面与地面之间发生滑动 滑转率和驱动力的界限值分别是 汽车系统动力学马天飞 改进的Julien理论模型 45 出现滑转时的临界状态 续 若滑转率和驱动力超过以上界限时 接触区 印迹 后端就开始发生滑动 可见 驱动力 滑转率关系的线性上界为最大驱动力的一半 即A点纵坐标值是B点的一半 汽车系统动力学马天飞 改进的Julien理论模型 46 部分滑转状态在部分滑转时 滑转区产生的驱动力为附着区的驱动力为总的驱动力为 p Fz wcs容易获得 汽车系统动力学马天飞 改进的Julien理论模型 47 制动力与滑移率的关系制动工况下 轮胎在进入接触印迹之前的胎面发生拉伸变形 图3 36b上 采用与驱动工况相类似的方法分析 滑转率和滑移率之间的关系定义cs b为制动作用下的轮胎纵向刚度 由制动力 滑移率曲线的初始斜率给出 如果在接触区域无滑移发生 则制动力和滑移率的关系为 汽车系统动力学马天飞 改进的Julien理论模型 48 制动滑移的临界值接地区域将要滑动时 其极限滑移率相应的极限制动力当部分滑移时 总的驱动力为 汽车系统动力学马天飞 改进的Julien理论模型 49 3 刷子 理论模型 轮胎模型由连接在刚性基座 轮缘 上的一系列可以产生伸缩变形的弹性刷毛组成 这些刷毛能够承受垂向载荷 并产生轮胎纵向力和侧向力 轮胎接地区域长为2a 汽车系统动力学马天飞 50 刷毛单元的变形驱动时 车轮滚动速度大于平移速度 刷毛接地端有粘附于路面的趋势 刷毛单元产生形变 两端产生速度差 假设车轮半径远大于接地区域长度刷毛单元足够小刷毛单元沿x方向的纵向变形 汽车系统动力学马天飞 刷子模型 51 无滑转状态的轮胎纵向力定义cex为刷毛单元刚度 则刷毛单元纵向变形产生的弹性力为整个接触区域的轮胎纵向力定义轮胎纵向滑转刚度cs 2cexa2 则可见 轮胎纵向力与车轮滑转率成线性关系 汽车系统动力学马天飞 刷子模型 52 滑转区与附着区临界点的确定假设接地印迹内垂向载荷的纵向分布为二次函数式中 待定系数 可以由垂向载荷积分得到若地面附着系数为 则单元最大纵向力为临界点坐标为 汽车系统动力学马天飞 刷子模型 53 部分滑转状态的纵向力临界点A将接地区域分为附着区和滑转区 滑转区长度整个接地印迹的纵向力等于两个区域产生纵向力的和考虑到静摩擦系数 st通常大于滑动摩擦系数 sd 则轮胎纵向力为 汽车系统动力学马天飞 刷子模型 54 纯滑转状态将要发生纯滑转时 滑转区长度d 2a 得到临界滑转率如果区分摩擦系数 则临界滑转率应代入滑动摩擦系数 刷子模型与魔术公式的对比 汽车系统动力学马天飞 刷子模型 55 第五节轮胎垂向力学特性 一 轮胎的垂向特性轮胎载荷与垂向变形基本成线性关系 常简化为刚度恒定的线性弹簧 试验表明 非滚动轮胎的垂向刚度比滚动轮胎的大 且滚动轮胎刚度具有更明显的非线性 根据测试条件不同 轮胎垂向刚度可分为静刚度非滚动动刚度滚动动刚度 汽车系统动力学马天飞 56 1 静刚度 轮胎在不同充气压力下的刚度特性曲线 绘成网格图 轮胎垂向刚度不随载荷的变化而变化 但与充气压力基本成正比变化 图3 42 汽车系统动力学马天飞 图中每一条刚度曲线的原点均沿横轴偏移了一段距离 其偏移量与充气压力成正比 轮胎静态垂向刚度由曲线斜率决定 57 2 非滚动动刚度 下抛 试验测量动刚度在一定载荷作用下的轮胎从高处自由下抛 轮胎落地后上下振动但须保证胎面不脱离地面 记录其瞬态响应 按照单自由度自由振动系统分析其动刚度和阻尼系数 固有频率 d 2 对数衰减率 ln x1 x2 据此可以求出等效阻尼系数 公式3 64 和轮胎动刚度 公式3 65 汽车系统动力学马天飞 58 3 滚动动刚度 测试方法对于滚动轮胎 在胎面上施加简谐激励在轮轴处测量其响应根据输入 输出之间的频响函数获得轮胎的动刚度和阻尼系数 测量轮胎在转鼓上滚动时的共振频率来获得滚动轮胎的动刚度 在车辆动力学仿真中 通常采用滚动动刚度作为计算参数 汽车系统动力学马天飞 59 轮胎滚动动刚度的影响因素 滚动时轮胎动刚度显著下降 车速超过20km h后变化不明显 对轮胎刚度影响较大的参数充气压力 车速 法向载荷 磨损程度胎面宽度 花纹深度 帘布层数量 轮胎材料 汽车系统动力学马天飞 子午线货车轮胎的垂向刚度比斜交胎的低 滚动动刚度比静刚度小10 15 轿车 5 重型货车 60 二 轮胎噪声 轮胎噪声的机理空气泵吸效应空气在轮胎和路面之间的空隙中被吸入挤压 胎面单元振动胎面单元离开接触区时由高变形状态恢复并产生噪声 轮胎噪声与车速和路面材料有关 表3 7 汽车系统动力学马天飞 61 轮胎垂向振动特性 利用转鼓对胎面施加正弦激励 测量轮毂加速度 获得某子午线轮胎和斜交轮胎的垂向振动特性 60 100Hz范围内 子午线轮胎传递振动的能力高于斜交轮胎 乘员易产生颤振感 150 200Hz 斜交轮胎的振动特性远差于子午线轮胎 易产生轮胎噪声 或称路面噪声 汽车系统动力学马天飞 62 三 轮胎垂向振动力学模型 点接触式线性弹簧 粘性阻尼模型简单 实用 参数容易测定 应用广泛 SWIFT模型 略 汽车系统动力学马天飞 63 第六节轮胎侧向力学特性 轮胎侧向力的影响因素侧偏角决定于前进速度 侧向速度 横摆角速度和转向角垂向载荷静态载荷由车辆质量分布决定行驶中各轮胎的垂向载荷会发生变化前轮外倾角非独立悬架的车轮外倾角取决于车轴结构独立悬架的车轮外倾角由转向角和车身侧倾决定 汽车系统动力学马天飞 64 一 纯转向工况 某轿车轮胎侧向力 回正力矩随各影响因素的变化特性 汽车系统动力学马天飞 65 不同垂向载荷作用下侧向力与侧偏角的关系等值曲线交点的含义定侧偏角时的载荷曲线 汽车系统动力学马天飞 纯转向工况 侧偏角为6度时的曲线 66 不同垂向载荷作用下侧向力与回正力矩的关系等值曲线交点的含义侧偏角大于4 时 回正力矩在减少 提示驾驶员车辆是在大侧偏角情况下行驶 汽车系统动力学马天飞 纯转向工况 67 二 联合工况 轮胎的垂向载荷 侧向力与纵向力之间相互影响 在联合工况 转弯加速或制动 下必须同时考虑 研究表明 联合工况下轮胎印迹内产生的侧向力 纵向力的合力是一定的 摩擦椭圆 表示了给定滑移率或侧偏角情况下的轮胎侧向力与纵向力的关系 定值曲线变化趋势交点的含义 汽车系统动力学马天飞 68 联合工况纵向力和侧向力的分配测量结果与 魔术公式 预测结果的对比 汽车系统动力学马天飞 联合工况 69 三 整车模型中对轮胎模型的考虑 轮胎动力学模型直接影响整车建模精度 二者的模型精度必须吻合 建模时需考虑的因素在线性操纵动力学模型中 侧向力 回正力矩 只需与垂向载荷 侧偏角呈线性关系 轮胎模型必须能够反映出所研究问题的影响因素 如 车轮载荷的重新分配 车身侧倾 车轮外倾等 在非线性域 侧向加速度大于0 3g 分析中 轮胎模型应能精确计算大侧偏角时的受力情况 在联合工况下 轮胎模型应能准确地分配轮胎力 汽车系统动力学马天飞 70