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第三章充气轮胎动力学汽车系统动力学

第一节概述o轮胎是车辆重要的组成部分，直接与地面接触。其作用包括：o1.支撑整车质量，与悬架共同缓冲激励，以保证车辆具有良好的乘坐舒适性与行驶平顺性。o2.保证车辆与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，并为车辆提供充足的转向力。o由于现代轮胎是一个复杂的粘弹性结构，具有明显的非线性特性，同时轮胎动力学特性对车辆动力学有重要影响，因此在讨论整车动力性之前，我们先介绍轮胎结构、轮胎模型及力学特性。汽车系统动力学

1、轮胎运动坐标系O点：轮胎接地印迹中心；X轴：车轮平面与地面的交线，前进方向为正；Y轴：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。汽车系统动力学

2、车轮运动参数1）滑动率so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。o考虑为驱动与被驱动两种情况。o滑转率----驱动工况车轮的滑动率o滑移率----被驱动工况汽车系统动力学

o若车轮滚动半径为，轮心前进速度（等于车辆行驶速度）为，车轮角速度为，则车轮滑动率定义如下：o驱动时：o制动时：o车轮的滑动率数值在0-1之间变化。当车轮作纯滚动时，即，此时于纯滑动状态时，。；当被驱动轮处汽车系统动力学

2）轮胎侧偏角o车轮平面与车轮中心运动方向的夹角，顺时针方向为正，用表示，SAE标准轮胎运动坐标系中规定，分别用和表示车轮的前进速度与侧向速度，则轮胎侧偏角可表示为：o在下图的标准轮胎运动坐标系中，负的侧偏角将产生正的轮胎侧向力。汽车系统动力学

3）轮胎径向变形o轮胎径向变形是车辆行驶过程中遇到路面不平度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与负载时的轮胎半径之差，表达式为：o正的轮胎径向变形产生正的轮胎法向力。汽车系统动力学

第二节轮胎功能、结构及发展1.轮胎的基本功能：o传递垂向力：支撑车重，衰减振动与冲击；o传递纵向力：以实现驱动和制动；o传递侧向力：保证车辆转向和行驶稳定。2.轮胎的基本结构：任何充气轮胎必须具备以下结构：（1）胎体（2）胎圈（3）胎面汽车系统动力学

o胎体：轮胎最重要的部分，其结构决定了轮胎的基本性能。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。o胎圈：保证胎体从轮辋上装卸，具有高弹性模量的卷边胎圈包容；胎圈内含胎圈芯，有多股高强度钢丝组成。胎圈须有一定刚度，以保证与轮辋紧密结合。o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、排污，以保证轮胎与路面具有良好的附着力胎肩—用于散热胎侧—用于帘布层侧壁，免受潮湿和机械损失汽车系统动力学

3.常用充气轮胎种类：两种o斜交轮胎胎体帘线角度不同o子午线轮胎o帘线角：胎体帘布层单线与车轮中心线形成的夹角o子午线轮胎帘线角o斜交轮胎的帘线角教材中列出了典型轮胎中各种材料所占的比例。o轮胎结构很大程度上影响了其物理特性，包括前进方向滚动阻力、车轮垂向减振与缓冲，车辆侧向转向力的能力。现代车辆设计中对轮胎的要求很高。汽车系统动力学

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，如左图所示：汽车系统动力学

根据车辆动力学的研究内容，轮胎模型可分为：o轮胎纵滑模型o轮胎侧偏模型和侧倾模型o轮胎垂向振动模型此外，轮胎模型还可以分为经验模型和物理模型几种典型的常用的轮胎模型o幂指数统一轮胎模型o“魔术公式”轮胎模型(MagicFormulaTireModel)oSWIFT轮胎模型汽车系统动力学

1.幂指数统一轮胎模型o一种半经验模型，由郭孔辉院士提出，用于预测轮胎的稳定特性。o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。o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：汽车系统动力学

1.幂指数统一轮胎模型o稳态纵滑侧偏联合工况时，轮胎的纵向力、侧向力与回正力矩的表达式：—无量纲总切向力，—相对总滑移率，—轮胎的侧向偏矩，—侧向刚度，式中均由试验数据拟合得到。汽车系统动力学

幂指数统一轮胎模型的特点：o无量纲表达式，纯工况下的1次台架试验得到的数据可用于各种不同的路面；o无论是纯工况还是联合工况，其表达式统一；o可表达各种垂向载荷下的轮胎特性；o可较少参数建立全域模型，参数拟合计算量小；o幂指数统一轮胎模型能拟合原点刚度。汽车系统动力学

2.“魔术公式”轮胎模型（MagicFormul