以车辆动力学和轮胎力学为基础的轮胎设计方法研究
汽车轮胎动态力学特性分析与优化设计研究
汽车轮胎动态力学特性分析与优化设计研究今天，汽车轮胎已经成为了现代汽车不可或缺的部件之一，正是它提供了车辆行驶所必需的牵引、制动和悬挂性能。
然而，随着汽车工业的不断发展壮大，对轮胎性能的要求也越来越高，如耐磨性、减少滚阻、降噪等，而动态力学特性自然成为了一个重要的研究方向。
本文将会对汽车轮胎的动态力学特性进行深入的分析，并针对性的提出优化设计的建议。
我们先来看看什么是轮胎的动态力学特性。
一般来说，动态力学特性是指轮胎在行驶过程中所产生的各种物理效应，范围涉及轮胎与路面的接触、轮胎自身的变形、各类物理力的作用等等。
其中，接触接触力、制动距离、侧向力以及悬挂系统的性能等都是我们需要考虑的因素。
接触力是指指轮胎与路面之间的摩擦力。
这个力直接影响到车辆的牵引和制动能力。
一般来说，轮胎与路面接触区域的面积越大，接触力就越大。
一个好的解决方案是选择更软的橡胶材料，这样可以提高轮胎与路面接触区域的面积，从而增加轮胎的抓地力。
同时，还要考虑轮胎的承受能力，不要使用过软的材料，否则轮胎的耐磨性和寿命将受到影响。
制动距离是指车辆在行驶中急刹车后所需要的距离。
考虑到这个问题，我们需要在设计轮胎时考虑轮胎的滑移和刹车力之间的关系。
一般而言，制动距离越短，轮胎所输出的制动力就必须越大。
这样的话，轮胎的耐久性可能会受到损害。
为了解决这个问题，我们可以选择使用更硬的橡胶材料，在增加制动力的同时，也能保证轮胎的寿命。
侧向力是指轮胎与路面之间的摩擦力产生的横向力。
这个力直接影响到车辆的转向能力。
为了保证车辆的稳定性，一个好的轮胎设计必须考虑到侧向力对车辆转向性的影响。
因此，我们可以考虑采用特殊的胎面纹理。
这种纹理能够增加轮胎与路面之间的摩擦力，同时还可以改善轮胎与路面的接触形态，使得车辆转向更加顺畅。
悬挂系统的性能也是影响轮胎动态力学特性的重要因素。
一般来说，悬挂系统的稳定性和舒适性直接影响到车辆的行驶稳定性和乘坐舒适度。
在轮胎设计中，要充分考虑悬挂系统的性能，这样可以减少由于路面起伏带来的对车辆稳定性和乘坐舒适性的影响。
基于有限元分析的车辆轮胎动力学性能研究
基于有限元分析的车辆轮胎动力学性能研究一、引言在当今社会中，车辆轮胎作为车辆的核心部件之一，其使用寿命、性能强弱直接影响着车辆在行驶过程中的性能。
因此，研究车辆轮胎的动力学性能，对于提高车辆的行驶安全性和性能具有重要意义。
随着计算机技术和有限元分析方法的发展，基于有限元分析的车辆轮胎动力学性能研究的方法日益成熟，不断得到完善。
本文将基于有限元分析方法，详细探讨车辆轮胎的动力学性能研究方法和实现。
二、车辆轮胎的动力学性能车辆轮胎的动力学性能主要包括轮胎的悬挂性能、路面适应性能以及制动性能等方面。
其中，轮胎悬挂性能对于车辆的稳定性和舒适性都有着重要的影响。
1、轮胎的悬挂性能轮胎的悬挂性能是指轮胎在行驶过程中，承受地面不平度和负荷作用下所发生的相对运动状态，主要有三个方面：纵向刚度、侧向刚度和垂向刚度。
轮胎的侧向刚度直接影响车辆的转向稳定性和操纵性，而轮胎的纵向刚度和垂向刚度则主要影响车辆的行驶稳定性和路面适应性能。
2、路面适应性能路面适应性能主要是指轮胎在行驶过程中，对于路面表面的不平度和纹理的适应能力，主要由轮胎的形变能力和接地面积等因素来决定。
其关键技术为轮胎有限元模型的建立，以及轮胎接地面的特征量的计算和分析。
3、制动性能轮胎的制动性能主要是指轮胎在制动时对于路面的抓地力和制动距离等方面的表现能力，因此最主要的课题是轮胎与路面之间的摩擦特性。
三、基于有限元分析的车辆轮胎动力学性能研究基于有限元分析的车辆轮胎动力学性能研究，主要包括轮胎有限元模型建立、轮胎动力学仿真分析和实验验证等几个方面。
1、轮胎有限元模型建立轮胎有限元模型的建立是基于有限元方法的轮胎动力学仿真研究的基础，直接影响着轮胎仿真分析的准确性和可靠性。
因此，在建立轮胎有限元模型时，需要考虑到轮胎的结构特性，如胎面花纹、胎壳结构和胎肩等，并考虑到胎内空气压力等因素对轮胎应力分布的影响。
2、轮胎动力学仿真分析轮胎动力学仿真分析主要是通过有限元仿真分析，模拟轮胎在不同工况下的变形和应力，得出其动力学性能和力学特性等重要参数，以便对轮胎设计进行探索和优化。
车辆系统动力学轮胎数学模型
•
2015-5-15
• 轮胎的环模型在 20 世纪 60 年代提出，在 20 世纪 70 年代加以改进。这些模型主要 用来研究轮胎本身的振动特性. 目前环模型已经成为轮胎力学 研究的热点，也是国际上仿真 轮胎在短波不平路面动特性的 主流模型。其中最具代表性的 是 SWIFT和FTIRE 模型。
直接模态参数模型
• 直接模态参数模型:该方法的基本思路是：轮胎的模态参数是其 本征特性，通过试验手段可以获得自由轮胎的模态参数，然后直接 利用它对轮胎进行建模。将路面对轮胎的作用看成外界输入，适用 于不同结构的轮胎(如子午胎和斜交胎)。在与车辆模型的综合时， 轮辋放在轮胎模型中.目前已成功建立了轮胎的稳态和动态纯侧偏 模型，稳态滚动模型和静态包容特性模型。
•
环模型
• 将轮胎简化为环模型有其结构上的背轮胎是由高强度周向布置的带束和子午线方向布置的胎 体构成。因此作为一种近似，可将其简化为弹性基础上的圆环进行分析。其中 环代表胎冠部分，弹性基础(由径向和周向弹簧代表)代表胎侧和充气效应。圆 环和刚性轮辋之间由弹簧连接。轮胎的面内动力学特性就可以借助这种模型来 进行分析。
有限元模型
• 有限元模型基于对轮胎结构的详细描述，使用时具 有很高的精度。这类模型具有相当多的自由度，计 算时间长且占用很大的计算资源。通常只用于轮胎 设计而不用于车辆动力学研究。 随着计算机硬件的发展，很多学者和公司展开了这 方面的研究；张威利用ABAQUS建立了300自由度的 有限元环模型，对轮胎的静态包容特性进行了深入 研究。密歇根大学和Ford汽车公司联合开发了三维 的用于车辆耐久性仿真的简化有限元轮胎模型。该 模型使用 ABAQUS 作为求解器，对于把有限元模型 用于车辆动力学仿真提出了新的思路。预先计算出 给定胎压下作用在胎侧上的力和力矩幵做成表格， 从而避免了轮胎分析时计算胎侧响应，大大提高了 计算效率。
轮胎动力学的研究与应用
轮胎动力学的研究与应用轮胎是汽车的重要组成部分，其性能直接影响到整个车辆的驾驶稳定性、制动距离、油耗等方面。
而轮胎动力学作为轮胎工程学科中重要的一个分支，研究轮胎的力学特性，以提高轮胎性能和安全性。
本文将从轮胎动力学的基本概念、轮胎动力学模型、轮胎动力学的应用等方面展开论述。
一、轮胎动力学的基本概念轮胎动力学指的是轮胎与地面之间的相互作用力学问题。
一般来说，轮胎与地面的接触面积很小，只有车轮接触地面的一小部分，因此这个问题也被看作是一个点接触问题。
轮胎动力学的研究主要涉及轮胎力学、轮胎动力、轮胎与地面之间的相互作用力等方面。
轮胎力学是研究轮胎变形、刚度和耗能等性能的学科。
轮胎动力是指轮胎的运动学和动力学特性。
而轮胎与地面之间的相互作用力包括接触力、摩擦力、支撑力等。
二、轮胎动力学模型轮胎动力学模型是轮胎动力学研究中重要的工具。
它是对轮胎与地面之间的相互作用力进行模拟分析的数学模型。
其中最基本的轮胎动力学模型是布洛赫模型，它认为轮胎承受的负载力可以分解为切向力和法向力两个方向的力。
接下来，我们简单介绍一些常用的轮胎动力学模型。
1. 符号模型符号模型是一种用符号和代数表达式描述轮胎动态行为的模型。
它不考虑轮胎和地面之间的接触条件，只考虑负载和受力之间的平衡关系。
因为它不涉及精细的接触性质，所以计算速度比较快，适用于轮胎的基本特性研究。
2. 模态模型模态模型是一种基于振动模态分析的轮胎动力学模型。
它主要考虑了轮胎的弹性变形和刚性形变，还考虑了轮胎和地面之间的接触强度和形状。
模态模型适用于轮胎垂向动力学特性的研究。
3. 有限元模型有限元模型是一种用于计算物体形变和应力分布的数学模型。
它可以很好地模拟轮胎与地面之间的接触力，能够更精细地分析轮胎变形、刚度和耗能性能等方面。
有限元模型适用于轮胎在车速较高时的动力学分析。
三、轮胎动力学的应用轮胎动力学的应用非常广泛，不仅可以在汽车工程领域中得到应用，还可以在航空、船舶等领域中得到应用。
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
根据车辆动力学和轮胎结构力学进行的轮胎设计方法研究
计参数之间 的关系。本研究根据 车辆动力学和轮胎结构力学 发展了轮胎 设计方 法。本轮胎 设计方 法可 以阐明车辆性 能、 轮
胎 特性 、 胎 部 件 和 设 计 参数 之 间 的 关 系 。 利 用 本 方 法设 计轮 胎 是 有 益 的 。 轮 ．
美键词 ： 汽车模型 ； 轮胎模型 ； 带束层模型 ； 直行稳定性； 转弯特性 ； 轮胎设计参数
１ 前 言
２ ２ 车 辆 运 动 性 能 与 轮 胎 特 性 的 关 系 ．
关 于 车 辆 运 动 特 性 的 动 力 学 研 究 始 于 九
十 年 代 的 上 半 期 ， 要 研 究 了 转 向 特 性 。 另 主
首 先 研 究 可 以 表 现 车 辆 直 行 性 能 与讨 论 在 面 内 以 一 定 速
偏 离 垂 直 轴 的偏 行 运 动 的 双 自 由 度 以 及 沿 转
向销 运 动 的 单 自 由 度 。 为 了 追 踪 目 标 线 路 ， 采 用 了 简 单 的 通 常 向 前 方 预 测 的 驾 驶 员 模
型 。 图 ２所 示 的 向前 方 预 测 的 驾 驶 员 模 型 由 于 在 第 一 次 预 测 中 有 外 界 干 扰 而 产 生 正 常 的 偏 差 ， 以 要 考 虑 第 二 次 预 测 项 。 如 果 考 虑 所
能 的设 计 方 法 的 研 究 ， 究 清 楚 了 悬 挂 系 统 研
和转 向 等 的 影 响 。 近 年 来 ， 着 车 辆 开 发 的 随
计 算 机 辅 助 工 程 （ ＡＥ） ， 行 了 许 多 转 弯 Ｃ 化 进
侧 向力 和 自 回正 力 矩 等 的 轮 胎 特 性 模 型 化 研
外 在 五 十 年 代 ， 有 关 飞 机 操 纵 稳 定 性 的 论 以 述 作 为 参 考 ， 始 进 行 了 车 辆 运 动 模 型 化 的 开 尝 试 。 其 后 进 行 了许 多 为 了 提 高 车 辆 运 动 性
汽车轮胎的建模与力学分析专题文档资料集锦(一)
三维非线性有限元分析模型。针对185/70R14C半钢子午线轮胎使用的各种橡胶
材料的拉伸测试结果,选用Yeoh模型来表征橡胶材料,并在MARC大型通用有限元 分析软件中对材料参数进行拟合;
用钢丝帘线等效拉伸应力-应变曲线确定帘线的材料模型和参数。根据轮胎的 建模过程,首先模拟了轮胎与轮辋接触的装配过程,然后分析了充气过程,据此 预测了轮胎充气后的构形,得到了充气断面宽B’和充气断面直径D’,并与测
案例概览：
ห้องสมุดไป่ตู้
更多案例：
1.滚动状态下轮胎漏气过程的有限元模拟.pdf 在考虑轮胎与轮辋及地面接触的情况下,借助ABAQUS有限元分析软件,建立了 轮胎的平面轴对称模型和三维有限元分析模型。首先,利用平面模型分析了轮 胎与轮辋的装配过程和充气过程;然后,利用轴对称到三维的分析方法,分析了
轮胎在垂直载荷作用下的接地问题和在低速滚动下轮胎的漏气过程。给出了
布,在速度为80km/h时，分析了不同摩擦系数下自由滚动半径、接触应力的变
化。在自由滚动分析的基础上，建立了模拟轮胎侧偏的模型，研究了轮胎的
侧偏特性，通过改变侧偏角得到了不同侧偏角下轮胎的最低断面的变形情况
、接地印痕分布以及侧向力、回正力矩与侧偏角的关系。根据轮胎的有限元
分析模型，研究了不同充气压力下的子午线轮胎硬度系数，验证了轮胎硬度
▶F1赛事中的轮胎
1.解读F1赛车专用轮胎
2.大话F1赛车轮胎不起眼却起至关重要作用
3.改装轮胎，先从认识开始
案例：基于 rebar 单元的载重子午线轮胎模型建立及验证 方案亮点： 采用 ABAQUS有限元商业软件并基于rebar单元建立12100R20载重子午线 轮胎的有限元模型。对比轮胎载荷 -下沉量仿真模拟和试验结果, 确定该建 模方法的可行性。
汽车轮胎动力学模型的研究方法及发展
汽车轮胎动力学模型的研究摘要：在我们研究汽车轮胎的动力学方面的问题时，对轮胎的动力学进行建模成为了至关重要的一部。
本论文主要是对汽车动力学仿真中的轮胎数学模型现状进行了分析，简要说明了轮胎动力学建模的新方法并进行了展望。
Abstract：When we studied the kinetic aspects of the automobile tire, the tire dyn amics modeli ng has become a crucial part. I n this thesis, tire mathematical model of vehicle dynamics simulation of the status quo analysis, a brief description of the tire dynamics modeling and prospects.关键词：车辆轮胎动力学动力学模型轮胎是汽车上最重要的组成部件之一，它支持车辆的全部重量，传送牵引和制动的扭力，保证车轮与路面的附着力，减轻和吸收汽车在行驶时的震动和冲击力，保证行驶的安全性、操纵稳定性、舒适性和节能经济性。
因此，轮胎动力学特性的研究，对研究车辆性能来说是非常必要的。
车辆运动依赖于轮胎所受的力，如纵向制动力和驱动力、侧向力和侧倾力、回正力矩和侧翻力矩等。
所有这些力都是滑转率、侧偏角、外倾角、垂直载荷、道路摩擦系数和车辆运动速度的函数，如何有效地表达这种函数关系，即建立精确的轮胎动力学数学模型，一直是轮胎动力学研究人员所关心的问题。
轮胎的动力学特性对车辆的动力学特性起着至关重要的作用，特别是对车辆的操纵稳定性、制动安全性、行驶平顺性具有重要的影响1轮胎侧偏特性研究由于轮胎的结构十分复杂，在侧偏和纵滑时其受力和变形难于确定，另外，轮胎和路面之间的摩擦耦合特性也具有不稳定的多变性。
在目前阶段，很难根据轮胎的物理特性和真实的边界条件来精确地计算轮胎的偏滑特性。
Magic_Formula轮胎模型
模型分类
理论模型
经验模型
半经验模型
自适应模型
模型分类
理论模型
经验模型
半经验模型
自适应模型
在简化的轮胎物 理模型的基础上 建立的对轮胎力 学特性的一种数 学描述,一般形式 较为复杂,模型精 度和计算效率较 低.如Fiala模型 、Pacejka弦模
型和Gim模型
根据实验数据和 经验建立起来的 模型。精度较高 ，与理论模型相 比预测能力较
MF模型简介
Magic Formula 模型：
用特殊正弦函数建立的轮胎纵向力、侧向力和自回正力矩模型。
用一个通过拟合实验数据而得到的三角函数公式来与轮胎实验数 据相吻合, 完全能够表达不同驱动情况时的轮胎特性。
只用一套公式就完整地表达了纯工况下轮胎的力学特性,故称为 魔术公式。
可对轮胎模型的特性进行良好描述,不但可以用函数表述轮胎的 转向力、回复力矩和驱动/制动力,也可以直接利用轮胎实验数据。
MF模型简介
2.纯转向条件下侧向滑移情况： 轮胎只存在侧向滑移，忽略轮胎的回 正力矩，轮胎侧向力可由侧偏角、垂 直载荷求得。
Fy0 D2 sin{C2 arctan[B2x E2(B2x arctan B2x)]} Sv
x Sh
MF模型简介
3.联合工况（制动/驱动转向）下联合滑移 情况
输出量：纵向力Fx 侧向力Fy 翻转力 矩Mx 滚动阻力矩My 回正力矩Mz
对于给定的B、C、D 和E，曲线相 对于原点表现为非对称形状。为了 使曲线相对于原点产生一个偏移量， 引入水平偏移和垂直偏移。其中D 为峰值因子；C为形状因子；BCD 代表原点处的斜率；在D和C一定 的情况下，B决定了原点处的斜率， 所以B叫做刚度因子；E为曲率因 子。
有助于轮胎设计和制造的材料学和力学研究
有助于轮胎设计和制造的材料学和力学研究轮胎是一种非常重要的机械结构，它连接着车辆和道路，承受着车辆和地面之间的摩擦力和负荷。
因此，轮胎的设计和制造必须充分考虑材料学和力学原理。
本文将探讨一些有助于轮胎设计和制造的材料学和力学研究进展。
1. 胶料的研究胶料是轮胎中最重要的材料之一，它的性能直接影响轮胎的使用寿命和性能。
近年来，许多研究团队都在探究如何改进轮胎胶料的性能。
其中一个关键的因素是填料的选择和添加量的确定。
填料是胶料中的一种辅助材料，可以增加轮胎的硬度、强度和耐磨性。
常见的填料有炭黑和二氧化硅等。
不同类型和添加量的填料会对轮胎的性能产生不同的影响。
例如，炭黑是一种常见的填料，可以增加轮胎的硬度和耐磨性。
但是，过量的炭黑会导致轮胎的抗拉强度和弯曲刚度降低，从而影响轮胎的操控性和舒适性。
因此，研究人员需要平衡填料的添加量和轮胎性能之间的关系，以实现最佳的性能表现。
2. 轮胎的结构设计轮胎的结构设计也是轮胎制造中的一个重要方面。
它包括轮胎层次结构、内垫和骨架材料等。
轮胎层次结构是轮胎的组成部分，它包括胎面、肩部、侧壁和内部结构等。
每个部分都有不同的形状和材料，以实现特定的功能。
例如，肩部和侧壁可以提高轮胎的抗侧倾性能，内部结构可以增加轮胎的耐用性和负荷能力。
内垫是轮胎的一层软质材料，位于内部结构和骨架层之间。
它可以起到缓冲和减震的作用，以提高轮胎的舒适性和操控性。
骨架材料是轮胎的主要支撑部分，它负责承载轮胎的负荷和提高轮胎的稳定性。
不同的骨架材料可以实现不同的性能，如尼龙和钢铁。
3. 轮胎的力学研究轮胎的力学研究主要关注的是轮胎和地面之间的接触情况以及轮胎在行驶中受到的应力和变形情况。
轮胎和地面之间的接触是轮胎行驶中最关键的问题之一。
轮胎必须能够提供足够的摩擦力来保证车辆在弯道和湿滑路面上的稳定性。
专业的轮胎测试设备可以帮助研究人员模拟不同路面和环境下的轮胎接触情况，以评估轮胎性能和设计。
轮胎在行驶过程中会受到不同方向和大小的应力和变形。
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以车辆动力学和轮胎力学为基础的轮胎设计方法研究田中克则1,景山一郎2(1.日产汽车,日本;2.日本大学,日本)中图分类号:TQ336.1+1;O241.82 文献标识码:B 文章编号:1006 8171(2009)09 0529 06车辆动力学特性研究始于20世纪初期,研究重点是车辆驾驶的力学特性。
到20世纪50年代,参照飞机的操纵性和稳定性,开始建立车辆运动模型,对提高车辆运动性能设计做了很多研究,如车辆浮动及转向等的影响。
近年随着车辆设计计算机辅助工程(CAE)化,建立了很多关于轮胎转向力和回正力矩等轮胎特性的模型,但为提高车辆运动性能而对轮胎设计方法的研究却很少。
车辆运动性能主要采用直进、回转和变线等行驶条件评价。
近年由于高速公路的发展而把提高车辆的直进性能作为一项重要的研究课题。
本研究以减少驾驶时对直进性能的修正度为目标,建立能够探讨车辆运动性能、轮胎特性、轮胎结构部件和轮胎设计参数相关性的轮胎设计方法。
由于计算机技术的进步,目前已能够建立高精度的大型模型,但本研究的主要目的在于理解问题的本质,因此仅着重建立简要的模型。
1 轮胎设计方法的建立1 1 轮胎设计流程本研究建立的轮胎设计流程如图1所示。
首先用车辆模型讨论评价指标与转向特性的关系;其次用轮胎模型讨论轮胎结构部件与转向特性的关系;最后用带束层模型讨论胎面、带束层和胎侧刚度与轮胎结构设计的关系。
1 2 车辆运动性能与轮胎特性的关系首先分析能表征车辆直进性能与轮胎特性相关性的车辆模型。
在追寻目标的时候,使用简单常用的注视前方的驾驶模型。
图2所示的注视前图1 轮胎设计流程方的驾驶模型在第1次预测时有一定的偏差,因此需考虑做第2次预测。
考虑到从加力到开始启动之间有一段无效时间( ),因此在时间t时,操舵角( w)与前方注视点偏差[(t)]的关系可用下式表示:d wd t=K h(t- )(1)式中,K h为操舵增量。
(t)可用下式表示:(t)=Y a-[Y+(!+ )vt y+12(d!d t+dd t)vt2y](2)式中 Y a 注视点的目标位置;Y 汽车重心点的横向位移;! 车辆侧滑角;操舵偏角;v 车辆速度;t y 预见时间(注视点距离除以车速)。
同时该式把受风力、路面、轮胎不均匀度等影响的随机干扰作为车辆重心点的横向力矩考虑在图2 标准驾驶模型内。
这些给定的外因干扰并没有特定频率的峰值。
(t)减小,则驾车操舵修正值(d w /d t)也随之减小。
因此,把前方注视偏差平方和作为车辆直进性能的评价指标(100s 内每0.01s 计算1次的累计平方和)。
计算实例如下。
车辆的基本数据为:前轴负荷 920kg ,后轴负荷 740kg ,轮距 2.83m,转向传动比 14.5,转向轴惯性力矩 1.57(N m s 2) rad -1,前轴制动系数 3.9(N m s) r ad -1,前轴弹性系数 15200(N m s) r ad -1,前轮转向后倾角 0.02rad,前轮静负荷半径 0.3m,车速 90km h -1,标准操舵转向增大 0.1rad (s m)-1,标准操舵预备时间 2.0s,标准操舵滞后时间 0.2s,失控最大横向加速度 0.02g,前轮校正力矩刚度 2250(N m) rad -1,前轮转向刚度 60800N rad -1,后轮转向刚度 53400N rad -1。
变化前后车轮的转向(横向)刚度,计算前方注视偏差平方和,结果如图3所示。
当后轮转向刚度增大时,前轮转向刚度减小,前方注视偏差平方和也随之减小,则可以认为能提高汽车的直进性能。
1 3 轮胎特性与轮胎部件的关系分析一个能表征轮胎特性与轮胎部件相关性的轮胎模型,如图4所示。
轮胎分为胎面、带束层和胎侧,则转向刚度(C s )与接地长度(L )的关系可用下式表示:1C s =1C 0 2L 2+∀3k L 6+H (3)式中 C 0 胎面刚度;k 胎侧刚度;∀ 与带束层和胎侧刚度相关的系数;H 校正常数。
式(3)是与接地长度相关的多项式,很容易求出回归系数。
其次,如果胎面变形小于胎侧变形,则横向弹性系数(K L )等于横向力与接地中心处横向变形之比,因此,带束层刚度(E I )及胎侧刚度可用下式求出:E I =18K L (∀3/k)3(4)k =K 3L (∀3/k)8(5)举例给出轮胎模型参数:C 0 1.087!107N m-2,E I 1.401!102N m -2,k 1.913!105N m -2,H -2.900!10-6rad N -1。
计算轮胎各部件刚度和接地长度变化时的转向刚度,结果如图5所示。
由图5可以看出,胎面刚度增大,转向刚度也随之增大;带束层刚度减小,转向刚度在高负荷时随之减小;胎侧刚度减小,转向刚度在高负荷时随之减小,但其影响比带束层刚度小;接地长度增大,转向刚度在低负荷时随之增大。
因此,可以认图5 模型参数对转向刚度的影响为减小带束层刚度和增大接地长度可以提高车辆的直进性能。
1 4 轮胎结构部件与轮胎设计的关系最后分析能表征轮胎结构与各部件设计关系的带束层模型,如图6所示。
图6 受弯曲力矩的带束层示意图6(a)所示的带束层面内弯曲刚度相当于Fiala 模型的带束层刚度,而图6(b)所示的带束层面外弯曲刚度与接地特性有密切关系,即面外刚度减小时,接地长度增大。
轿车轮胎带束层有2层帘布,层间有胶层,设第i 带束层的x ,y 方向的变形分别为u i 和v i,则各层的本构方程式如下:N i x N iy N i xy=A i xxA i xy A i xs A ixy Ai yyAi ysA i xsA i ys A i ssu i ,x v i,yu i ,y +v i ,x(6)式中 {N } 面内膜力矢量;{u } 面内变形矢量;下角,x 和y 分别表示对x 和y 求偏导数;[A ] 刚度矩阵,可用下式表示:[A ]=A xx =A L co s 4#+A T A yy =A L sin 4#+A TA xs =A L sin #cos 3#A xy =A L sin 2#co s 2#+A T /2A ys =A L sin 3#cos #A ss =A L sin 2#co s 2#+A T /4(7)式中 A L ,A T 分别为与帘布层平行、垂直方向的伸张刚度;# 带束层角度。
举例给出带束层参数:帘线弹性模量(A)14000MPa,橡胶弹性模量(B) 6.2M Pa,帘线泊松比(C) 0.30,橡胶泊松比(D) 0.49,帘线直径(E) 0.5mm,带束层厚度(F) 1.0mm,带束层宽度(G) 150m m,50mm 帘线根数(H ) 40,带束层角度(J) 20∀。
分别按上述给定参数值减小10%(水平1)或增大10%(水平2)计算带束层面内和面外弯曲刚度,结果如图7所示。
图7 带束层刚度计算值# 面内;∃ 面外。
由图7可以看出,带束层宽度减小(G1)或带束层角度增大(J2),则面内弯曲刚度减小;带束层厚度减小(F1)或带束层角度增大(J2),则面外弯曲刚度减小。
1 5 概述用车辆模型分析的结果是增大后轮转向刚度、减小前轮转向刚度可提高车辆的直进性能。
用标准轮胎模型分析的结果是减小轮胎带束层刚度、增大轮胎接地长度可提高车辆的直进性能。
同时,用带束层模型分析的结果是增大带束层角度可提高车辆的直进性能。
2 轮胎设计方法的检验2 1 试验方法用车辆试验和轮胎试验来验证轮胎的设计方法。
试验车辆为前轮驱动的旅行车,在高速公路直线区段上行驶,测量记录操舵角等车辆数据。
车辆行驶速度基本在90km h-1时,操舵偏角变化最大为4∀,这样基本可以达到直线行驶。
为了研究1H z 以下频率区,从测量记录数据中取出100s 内的操舵角数值进行分析。
试验轮胎为205/65R15规格A 和B 两种结构轮胎,前胎充气压力分别为220和180kPa,后胎充气压力均为220kPa 。
下述试验即以轮胎结构/前胎充气压力组合(如A/220)来表示设计方案。
轮胎试验与车辆试验相同,都采用205/65R15规格的A 和B 两种结构轮胎。
轮辋型号为6JJ !15,测定转向特性、接地特性和横向弹性系数,从而计算胎面、带束层和胎侧刚度。
2 2 车辆运动性能与轮胎特性的关系举例分析操舵角的计算值和测量值,如图8所示。
由图8可以看出,操舵角峰值均在0.25H z 附近,即使在直线行驶时,驾驶员也要每4s 校正1次操舵角。
图8 操舵角频谱其次,由图8操舵角频率分析结果计算包括0.25H z 的0.1~0.4H z 范围的域平方和(以下简称为操舵角带域平方和),然后将其与前方注视偏差平方和的计算结果进行比较,如图9所示。
由此可以证明前方注视偏差平方和的计算结果与操舵角带域平方和的试验结果有相关性。
B/180设计方案的操舵角带域平方和较小,因此车辆的直进性能较好。
图9 操舵角带域平方和与前方注视偏差平方和的关系2 3 轮胎特性与轮胎结构部件的关系将车辆直进性能好(B/180)与不好(A/220)的设计方案进行比较,分析验证车辆直进性能与轮胎结构设计的关系。
前后轮在负荷下转向刚度实测结果如图10所示。
由图10可以看出,直进性能良好的B 结构轮胎与直进性能不好的A 结构轮胎相比,其前后轮的转向刚度均较大。
另外,前胎充气压力180kPa 的车辆直进性能比220kPa 时好,其前轮转向刚度较小。
由此可见,后轮转向刚度增大而前轮转向刚度减小时,车辆直进性能提高。
这与用车辆模型分析的结果是一致的。
图10 转向刚度实测结果2 4 轮胎结构部件与轮胎设计参数的关系轮胎结构和充气压力对胎面、带束层和胎侧刚度及接地长度的影响如图11所示。
由图11可以看出,当胎面和胎侧刚度及接地长度增大而带束层刚度减小时,车辆直进性能提高。
由此可以认为降低带束层刚度、增大接地长度有益于提高车辆直进性能。
这与用轮胎模型检验的结果是一致的。
2 5 轮胎设计参数的验证比较带束层角度对带束层刚度和接地长度的图11 轮胎结构和充气压力对轮胎刚度及接地长度的影响B 结构轮胎和前胎充气压力180kPa 对车辆直进性能贡献大者。
影响。
A 结构轮胎的带束层角度为23∀,B 结构轮胎为26∀。
实测带束层刚度和接地长度与带束层角度的关系如图12所示。
由图12可以看出,带束层角度较大的B 结构轮胎带束层刚度较低、接图12 带束层角度对带束层刚度和接地长度的影响地长度较大。
由此可知,带束层角度增大而刚度减小能增大接地长度。
这与用带束层模型分析的结果是一致的。
2 6 概述根据车辆试验和轮胎试验明确了对车辆直进性能有影响的轮胎设计参数,本研究提出的轮胎设计方法与试验结果是一致的。
3 结语根据车辆动力学和轮胎结构力学提出轮胎设计方法,采用车辆模型、轮胎模型和带束层模型验证轮胎设计方法的有效性,并阐明对车辆直进性能有影响的轮胎部件。