第一章地面 轮胎力学
轮胎设计力学PPT课件
包容、 带束层及胎体 缓冲性 刚度
车内噪 声
固有频率、胎面花纹、 断面轮廓形状等
车外噪 声
固有频率、胎面花纹、 断面轮廓形状等
图1－11
其 高速性
它
足够的带束层张力
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图1－12
使用性能
• 基本性能：承载性能、耐久性能（耐磨耗、 耐疲劳损伤、耐老化等）
• 动力特性：牵引性能、稳定性能、操纵性 能、抗侧滑和抗湿滑性能等
图1－4 充气时胎圈部位的变形
• 可对局部性能进行改进设计； 环保性能：低滚阻、低噪声、舒适性等
图1－4 充气时胎圈部位的变形 损耗的应变能ELOSS、温度
• 可针对性地根据使用要求设计出不同性能的 针对问题：钢丝载重子午胎的耐久性
针对问题：钢丝载重子午胎的耐久性 图1－6 SEMT的四项新技术
轮胎； 最佳滚动轮廓理论RCOT (Rolling Contour Optimization Theory)—BS公司（1985）
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返回图1－8
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• 可参数化的结构因素： （1）几何参数：内、 外轮廓形状的表示（目前一般将胎冠、胎 肩、胎侧和胎圈部分别研究）；胎体的形 状与位置，尤其是反包部位的形状和高度； 钢丝圈的位置；每一带束层的形状、宽度 及厚度方向的位置；帘线的排列方向和密 度 ；（2）材料参数： 应力与应变关系、 强度、疲劳性能；热学参数；老化性能； （3）工艺参数
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返回图1－9
原来结构
新带束层结构
大角度钢丝带束层 零度尼龙帘布层
图1－7 SEMT的带束层新结构
返回
其它设计理论
• 动态模拟最佳轮廓理论DSOC、DSOC-S （用于轿车）和动态稳定性最佳接地面理 论DSOC-T－东洋公司
【汽车理论-吴光强(第二版)】第一章
在同样的侧偏角值时增 加充气压力可降低回正 力矩。
第一节
轮胎力极其特性
轮胎侧偏特性及影响因素
影响轮胎侧偏特性的主要因素 (2)垂直力和切向力
一定侧偏角下，驱动力或 制动力增加时，侧向力逐 渐减少。
第一节
轮胎力极其特性
轮胎侧偏特性及影响因素
影响轮胎侧偏特性的主要因素 (2)垂直力和切向力 驱动时纵向力造成的侧偏力矩的 作用与回正力矩相同，制动时它 们的方向相反。 前轮驱动的汽车 加速转弯时会受到一个附加的回 正力矩；制动转弯时回正力矩不 仅会被减少，甚至成负值，这样 使车轮侧偏加大，形成过多转向。
当车速低于128km/h时，用上式预测f 之值，可得到 满意精度。
第一节
轮胎力极其特性
轮胎纵向力学特性
轮胎在特定工作条件下有一个临界速度，超过此临 界值将出现驻波现象。
第一节
②湿路面
轮胎力极其特性
轮胎纵向力学特性
在湿路面上，车轮必须排 挤水层，因此，相对干路 面来说，滚动阻力将要增 加，增量称为穿水阻力Ｆsch， 穿水阻力与车速va 和轮胎宽 度b有关： 总的滚动阻力应是干路面上滚 动阻力Ｆf 加上穿水阻力Ｆsch
影响轮胎侧偏特性的主要因素 (2) 路面有薄水层时对轮胎侧特性也有影响。
第一节
轮胎力极其特性
轮胎侧偏特性的数学模型
建立数学模型的目标： （1）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； （2）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。
第一节
轮胎力极其特性
（2）车速 在干燥路面上速度在20km/h以上时，对φs 的影响很 小，仅在v < 20km/h的低速时， φs 才略有上升，这 是因为低速时r 变小，轮胎接地面积变大。
01第一章 轮胎力学与汽车空气动力学
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、带束斜交 帘线胎、子午线轮胎
Tz
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：
a r
T
f
Fp1 r Fz a或 Fp1 Fz
令 f a
，考虑到
f
r
F W , F
z
F p1
从动轮受力情况
得
r
（1-1）
——车轮半径 ——滚动阻力
F W f
f
F
f
f
——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
， 由平衡条件可得：
2
lb m u lb F y1 F c L R L
式中， 故总的转弯阻力增量
la m u la F y2 F c L R L
2
L ，l a ，lb 分别为轴距，质心到前轴中心与后轴中心的距离
F
y1sin
F
1
F y 2 sin
m u (l b sin 2 RL
轮 胎 六 分 力
符号 名 称
纵向力 测向力
意
义
Fx Fy
地面对轮胎的反作用力眼坐标系x轴的分量 地面对轮胎的反作用力沿坐标系y轴的分量
Fz Tx
绪论《汽车理论》张文春主编
三、劳动保护性
劳动保护性是指驾驶员工作的安全性和使驾驶 员的身体健康不受损害的性能，主要评价指标 有：
1.舒适性（平顺性、噪声、空调、驾驶性、空间） 2.稳定性 （操纵稳定性） 3.制动性 4.驾驶室的牢固程度
汽车理论展望
各类模型的精确性和适用性 汽车理论虚拟试验 人对汽车性能要求的提高
本节课内容提要
本课程的结构、地位和要求； 汽车动力性等六大性能概念； 汽车理论学科发展情况。
汽车理论
绪论(通过性) 第一章:地面--轮胎力学 第二章:汽车动力学 第三章:汽车的燃油经济性 第四章:汽车发动机功率和传动系传动比选择 第五章:汽车的制动性 第六章:汽车的操纵稳定性 第七章:汽车行驶平顺性
（2）汽车几何通过性
纵向通过角:汽车前、后轮外缘作垂直于汽车纵向对称平面的切平面, 两切平面交于车体下部较低位置时所夹锐角。
3
1
2
h
γ 1－接近角；γ 2－离去角； γ 3－纵向通过角；h－最小离地间隙
满载还是空载？
间隙失效及其几何参数
间隙失效：汽车因离地间隙不足而被地 面托住无法通过的现象。顶起失效、触 头或托尾失效
本节小结：
汽车动力性 汽车的经济性 汽车的制动性 汽车的操纵稳定性 汽车平顺性 汽车通过性
思考题
计算通过性几何参数便性 直线 路不平 侧风 高速安全性 转弯 货物或乘客偏载
直线行驶性：去掉驾驶员意志，直线行驶，指 定距离，偏离原方向的角度
最小转弯半径：方向盘转至极限
二、技术经济性
汽车的技术经济性主要用生产率和燃油经济 性来表示，主要评价指标有：
1.生产率 2.油耗 3.可靠性与耐用性 4 维修保养方便性（维护费用）
轮胎性能力学基础及设计理论讲解
高分子科学与工程学院
2．子午胎临界速度的计算
Vc 2
T
2
EIKr
式中：μ ---行驶面单位长度的质量 EI----断面内的弯曲刚度 T----张力 Kr----胎体径向弹性常数
高分子科学与工程学院
四、临界速度的影响因素
1．充气压力
提高充气压力对提高临界速度有明显的效果，
影响接近直线正比关系。
试验证明，轮胎接地面积与下沉量的关系近似于线性关系， 与规格制造工艺关系不大。
§2-2 轮胎的耐磨性能 一、轮胎磨耗的形式
胎面磨耗过程较为复杂，一般可分疲劳磨耗、磨损磨耗和卷 曲磨耗三种。 疲劳磨耗:由于胎面胶反复受力变化而产生的； 磨损磨耗:因路面粗糙对胎面剪切所生成的； 卷曲磨耗:是轮胎在高温和高压时胎面胶在路面卷磨造成的。
二、轮胎的驻波和临界速度 驻波---当轮胎在高速下行驶，到达某一特定速度时， 在轮胎离地处呈现出观察完全静止的波形。 临界速度—-轮胎产生驻波时的速度。 达到临界速度时轮胎的特性： (1）滚动损失剧增（2）接地压力分 布不均（3）径向变形量增大 三、轮胎临界速度的近似计算 1．斜胶胎临界速度的计算 模型----假设轮胎是被拉伸的弹性环。
3.车辆的行驶速度对轮胎负荷能力的影响 车辆行驶速度对轮胎的负荷能力影响很大。降低行驶速度，可提高轮胎
的负荷标准，车速增加时，负荷标准应降低，但不得在任何条件下随意提 高负荷量。中国轮胎标准中规定的最高速度范围:重型载重轮胎为80km/h; 中型载重轮胎为90km/h;轻型载重轮胎为100km/h。最高速度是持续行驶速 度，并非平均速度。 轮胎使用速度与负荷对应关系
高分子科学与工程学院
2．胎冠行驶部分质量
《汽车理论(第3版)》试卷及参考答案
汽车理论（第三版）试卷绪论第一题填空1.汽车使用性能分为：对自然环境条件的适应性、技术经济性、劳动保护性。
2.汽车对自然环境条件的适应性包括：动力性、通过性、操纵性。
3.汽车的通过性包括：支承通过性、几何通过性，主要取决于地面的物理性质及汽车的几何参数和结构参数。
4. 汽车的技术经济性主要用生产率和燃油经济性来表示，主要评价指标有：生产率、油耗、可靠性与耐用性、维修保养方便性。
5. 劳动保护性的主要评价指标有：舒适性、稳定性（操纵稳定性）、制动性、驾驶室的牢固程度。
第二题名词解释1.动力性：指汽车在良好、平直的路面上行驶时所能达到的平均行驶速度。
2.通过性：汽车以足够高的平均车速通过各种坏路和无路地带(如松软地面、坎坷不平地段)和各种障碍（陡坡、侧坡、壕沟、台阶、灌木丛、水障）的能力。
3.纵向通过角: 汽车前、后轮外缘作垂直于汽车纵向对称平面的切平面,两切平面交于车体下部较低位置时所夹锐角。
4.汽车的操纵性：是指在驾驶员不感觉过分紧张、疲劳的条件下，汽车能按照驾驶员通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当受到外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。
5.最小转弯半径：方向盘转至极限位置时从转向中心到前外轮接地中心的距离，表征了汽车能够通过狭窄弯曲地带或绕过不可越过的障碍物的能力。
第三题应用题1.标出下图中汽车的主要通过性参数，说明其含义。
解：γ1－接近角；γ2－离去角；γ3－纵向通过角；h－最小离地间隙第四题简答题1.简述间隙失效的主要形式、几何参数及其含义。
答：1）间隙失效：汽车因离地间隙不足而被地面托住无法通过的现象。
2）顶起失效：车辆中间底部的零部件碰到地面而被顶住的现象。
3）触头或托尾失效：因车辆前端或尾部触及地面而不能通过的现象。
4）几何参数h：最小离地间隙、纵向通过角、接近角、离去角。
最小离地间隙h：汽车满载、静止时，支承平面与汽车上的中间区域最低点之间的距离，反映了汽车无碰撞地通过地面凸起的能力。
0313100500车辆理论
课程代码：0313100500车辆理论Vehicle Theory学分：2.5 总学时：40 理论学时：32 实验/实践学时：8/０一、课程作用与目的本课程是车辆工程专业的一门专业主干课程。
主要讲述车辆及其重要系统的运动学、动力学规律，以及车辆各种使用性能。
讲述地面-轮胎动力学、车辆动力性、车辆燃油经济性、车辆制动性、车辆操纵稳定性、车辆行驶平顺性、车辆通过性，以及车辆动力传动系参数匹配的基本原理。
学生学习本课程后应掌握车辆及其重要系统物理、数学模型的建模规律，掌握所建立的各种模型和各主要参量之间的数学关系，并以此获得车辆各种性能；能够综合应用这些基本理论，完成车辆设计、评价、试验和运用分析等相关工作。
二、课程基本要求1．熟悉车辆的主要性能，了解各种性能的评判指标；2．熟悉影响车辆各种性能的主要参量及参量变化对性能的影响；3．能将车辆基本理论与生产实践结合起来，即可将所学理论用于指导车辆整车与零部件设计、研究与改进实际车辆使用性能、分析与评价车辆性能的好坏、试验各项车辆性能指标、解释车辆运行过程中各种正常与不正常现象；4．以掌握汽车理论为基础，还应能举一反三，分析和研究自行车、摩托车、电动车、拖拉机、飞机、工程机械、特种车辆等相关地面行驶机械的基本性能；5．掌握一些车辆试验的基本方法与技能。
三、教材及主要参考书１.使用教材[1]张文春主编．汽车理论．第2版．北京：机械工业出版社，2010．２.主要参考书[1]余志生主编．汽车理论．第5版．北京：机械工业出版社，2009．[2]翁家昌、赵铨主编．拖拉机理论．第1版．北京：农业机械出版社，1988．四、课程内容绪论主要内容：介绍课程目的、先修课程、学习方法、参考资料等；课程在今后工作中的作用；介绍什么是车辆理论；车辆使用性能总述。
第一章地面-轮胎力学主要内容：软路面的物理机械特性，轮胎-路面相互作用的力与力矩，轮胎的纵向力学特性与侧偏力学特性。
重点难点：轮胎驱动力与滚动阻力的本质，轮胎、路面彼此不同刚度下的力学特性。
轮胎力学课件.ppt
➢带束层采用玻璃纤维、加强纤维或钢丝帘布制造，强度高、拉伸变 形小；
子午线轮胎的优点：
➢接地面积大，附着性能好，对地面的单位压力小，磨损少，寿 命长；
➢胎冠较厚，且有坚硬带束层不易刺穿，行驶时变形小，可降低 油耗； ➢帘布层少，胎侧薄，散热性好； ➢径向弹性大，缓冲性好、负荷能力大； ➢承受侧向力时，接地面积基本不变，行驶稳定性好。 子午线轮胎的缺点： ➢胎侧薄且软，胎冠厚，在二者的过渡区容易产生裂纹； ➢吸振能力差，胎面噪音大；制造技术要求高，成本高。
11.2 轮胎的坐标系与术语
图2-1 轮胎坐标系
❖ 轮胎坐标系中的概念
11.3 轮胎的滚动阻力
❖ 1 ) 轮胎滚动阻力的产生机理 ❖ 2 ) 轮胎滚动阻力的影响因素 ❖ 3）轮胎滚动阻力系数的经验计算
❖ 1）轮胎滚动阻力的产生机理
❖ 轮胎在硬路面上的滚动阻力 ❖ 从动轮在硬路面上滚动时的受力情况 ❖ 由路面变形和轮辙摩擦引起的附加滚动阻力 ❖ 不平路面造成的滚动阻力示意图
子午线轮胎的优点：
➢接地面积大，附着性能好，对地面的单位压力小，磨损少，寿 命长；
➢胎冠较厚，且有坚硬带束层不易刺穿，行驶时变形小，可降低 油耗； ➢帘布层少，胎侧薄，散热性好； ➢径向弹性大，缓冲性好、负荷能力大； ➢承受侧向力时，接地积基本不变，行驶稳定性好。 子午线轮胎的缺点： ➢胎侧薄且软，胎冠厚，在二者的过渡区容易产生裂纹； ➢吸振能力差，胎面噪音大；制造技术要求高，成本高。
发内部热量的设计。
带束层： 是位于胎面和胎体之间 的补强层 。缓冲冲击， 并可防止胎面产生的外 伤波及胎体，还可以防 止台面和胎体的剥离。
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k
FY
W
FY
FY
增加
胎压p
W
一定侧偏角下，驱动 力或制动力增加时，侧偏 力逐渐有所减小，这是由 于轮胎侧线弹性有所改变 F x 的关系。当纵向力相当大 时，侧偏力显著下降，接 近附着极限时，切向力已 耗去大部分附着力，而侧 向力能利用的附着力很小。
附着椭圆
FY
侧偏角
FY Fb 或Fx
滚动阻力系数
车轮在一定条件下，滚动所 需要推力Fp1与负荷力描述
在实际计算时，可不必考虑阻 力偶，而用滚动阻力替代
滚动阻力无法在受力图上画出，它是 一个数值，在受力图上它是切向反力。
滚动阻力系数的试验确定法 牵引法、滑行法和转鼓法
对 f 的影响因素
路面类型
滚动阻力系 数
路面类型
滚动阻力系 数
沥青或混凝土路面（新） 沥青或混凝土路面（磨旧） 碎石路面 卵石路面（平） 卵石路面（坑洼） 压实土路（干燥）
0.010~0.018 0.018~0.020 0.020~0.025 0.035~0.030 0.035~0.050 0.025~0.035
压实土路（雨后） 泥泞土路(雨季或解冻期) 干砂 湿砂 结冰路面 压实雪道
总结轮胎六分力形成机理及各自的影响因素
第四节 轮胎的纵向力学特性
一、滚动阻力
轮胎内部摩擦产生的迟滞损失。这种迟滞损失 表现为阻碍车轮运动的阻力偶。
F, KN
D
C
FZ
图1-9 轮胎径向变形曲线
h / mm
W1
ua
Fp1
Tf 1
图1－11
a
FZ 1
Fx1
滚动阻力系数 轮胎内部摩擦产生迟滞损失，这种 损失表现为阻碍车轮运动的阻力偶。
主要任务是建立精确实用的数学模型，描述轮胎的力学特性。
第三节 作用在车轮上的力和力矩
一、轮胎坐标系
Tz回 正 力 矩
y
Ty
滚动阻力矩
外倾角
Fy
FX
地面反作用力侧向分力
翻转力矩 x T
地面反作用力纵向分力
侧偏角
x
FZ
二、轮胎六分力
在轮胎坐标系中，地面作用在轮胎上的主要力和力矩 有：（在轮胎坐标系中已标注） 纵向力F x －地面切向反作用力沿x轴的分量； 侧向力F y －地面切向反作用力沿y轴的分量； 地面法向反作用力F z ； 翻转力矩 M x －地面反作用力绕x轴的力矩； 滚动阻力矩M y －地面反作用力绕y轴的力矩； 回正力矩M z －地面反作用力绕z轴的力矩。
四、纵向附着系数
纵向附着系数定义：纵向力与垂直载荷的比值 滑动率：（实际速度-理论速度）/实际速度 纯滚动、纯滑动(拖滑)、边滚边滑 纵向附着系数影响因素： 路面：材料、路面状况 轮胎：轮胎结构、材料、花纹、新旧程度、气压 轮胎与路面：受力、相互运动状态
路况好,则纵向附着系数大; 车速越低,则纵向附着系数大.
第一章 地面－轮胎力学
问题回顾
汽车六大性能:
1、计算汽车的通过性时，满载还是空载？ 2、发动机与轮胎的受力是什么关系？
第一节
概 述
轮胎是连接汽车车身与道路的唯一部件，其基本职能是支承车
辆重量、传递驱动和制动力矩，吸振以及保证转向稳定性。汽
车的运动依赖于轮胎所受的力。
轮胎力学是研究轮胎受力、变形和运动响应之间关系的，它的
Tx 2 Tt T f 2 Tt T f 2 Fx 2 Ft F f 2 r r
二、穿水阻力
排挤水层而增加的滚动阻力
Fw Cbu n
C为比例常数；b为轮胎的宽度；u为汽 车的行驶车速；n为幂指数，当水层厚度大于 0.5mm时，幂指数近似等于1.6
三、前束阻力
前束阻力：车轮的前束角造成 ，用以消除偶然外力冲击保 持直线行驶的一种能力。
Fb
Fb 或Fx FY
c a
Fy
FY
c
a
FY
c
a
c
a
e
Tz
FY FY
a c
u
a c
c a
a c
回正力矩 Z T
侧偏角
回正力矩 Z T
FY k y
FY FY FY
FY
W
O'
0
FY
0
0 0 0
0
本次课小节及课后思考题:
主要内容小节： 1轮胎的六分力（重点、需掌握） 2. 轮胎的纵向力学特性（重点、难点、需掌握） 3.掌握轮胎的侧偏特性（重点、难点、需掌握） 4. 轮胎阻力的形成（难点、了解） 课后思考题：
第五节 轮胎的侧偏特性 侧偏特性：侧偏力、回正力与侧偏角的关系
1 轮胎坐标系
z
Tz回 正 力 矩
y
Ty
外倾角
翻转力矩 x T
侧偏角
x
Fy
FX
FZ
FY
刚性轮
原因
概念
Fy
侧偏力FY 侧向力Fy 侧偏现象 侧偏角 FY＝k 侧偏刚度k
Fy
u
FY
Fy
C
u
u'
v
FY
C
FY
FY l Fz
FY l Fz
1. 速度ua对 f 的影响
u a 100km / h, f const . u a 200km / h, f 产生驻波现象，高温、 脱落和爆裂。
2. 轮胎的结构、材料、帘线对f 的影 响也很大。子午线轮胎 f 小，天然橡胶 f 低。
f 的经验公式
表2-5 车轮滚动阻力系数
弹性轮胎
Fy
Fy
FY
FY
v
FY
FY
FY k
FY 与k符号相反
Fy
u' u
k 28 ~ 80KN / rad
最大侧偏力的影响因素
附着条件及垂直载荷FZ 轮胎胎面花纹、材料、结构、充
气压力 路面材料、结构、潮湿程度 车轮外倾角
3. 轮胎结构、工作条件与侧偏特性
尺寸↑的轮胎，k ↑ ； 子午线轮胎接地面宽，k大； 钢丝比尼龙轮胎k大；
扁平率：轮胎断面高度与断面宽度之比H /B ↓， k ↑ ； 在一定范围内，载荷↑ （FZ ↑ ） ，k ↑ 。但载荷↑太大时， k↓； 轮胎充气压力 ↑，k ↑ ； 行驶车速对k影响较小； 潮湿特别在积水时，k ↓很大。
0.050~0.150 0.100~0.250 0.100~0.300 0.060~0.150 0.015~0.030 0.030~0.050
图1－12
ua
驱 动 轮 受 力 图
W2
Fp 2
Tt
a
Fx 2
FZ 2
真正驱动车轮前进的力是地面切
向反力Fx2。其在数值上等于汽车 驱动力Ft与滚动阻力Ff之差。