浅析轮胎在汽车系统动力学研究中的重要性

浅析轮胎在汽车系统动力学研究中的重要性

肖阳钟赛君王伟伟

（1-中国石油天然气运输公司西南分公司设备科2-云南工商学院）

摘要：汽车在现代高速路上行驶，其所受的主要控制力和扰动力，除了空气动力以外，其余均来自轮胎与地面的接触区。所以研究轮胎的结构、性能及其与地面接触区内的力和力矩关系，对深入研究车辆系统动力学是非常必要的。

关键词：轮胎；汽车性能；车辆系统动力学

1轮胎的基本知识

1.1轮胎的结构及分类

轮胎的基本构成是：最外层为胎冠，由橡胶材料制成，它与路面直接接触。内层为帘布层。帘布层承受来自路面的各种冲击，它由浸胶的人造丝、尼龙丝、聚酯纤维、钢丝等材料制成。在帘布层和胎面之间还有带束层。胎圈是胎体的根基，轮胎靠胎圈嵌装在轮彀上。

轮胎按照不同的分类标准有不同的分类。

比如，按轮胎用途来分：（1）轿车轮胎；（2）轻型载重汽车轮胎；（3）载重和公共汽车轮胎；（4）工程机械轮胎；（5）越野汽车轮胎；（6）农业和林业机械轮胎。

2轮胎在汽车行驶系中的作用

轮辋和轮胎是汽车行驶系中重要的部件，其作用是：支撑整车质量；缓冲由路面传来的振动和冲击；通过轮胎与地面的附着力(轮胎抓着力)来传递驱动力和制动力；产生横向力和回正力矩来平衡汽车转向行驶时的离心力；保证汽车正常转向后车轮直线行驶；翻越障碍，提高通过性。轮胎安装在轮辋上，直接与路面接触,其基本功能如下：

（1）承受汽车负荷；

（2）为传递驱动力和制动力提供足够的附着力；

（3）为改变和保持汽车行驶方向提供足够的转向操纵性能和方向稳定性能；

（4）与汽车悬架系统共同缓冲来自路面的冲击，并衰减由冲击产生的振动,以保证汽车良好的行驶平顺性和乘坐舒适性。

3轮胎动态力学性能对车辆性能的影响

3.1对动力性能的影响

轮胎与路面的附着性能、轮胎的速度性能及滚动阻力是影响汽车动力性能的主要因素，轮胎的附着性能直接影响汽车的驱动、加速和减速性能，配用附着性能好的轮胎有利于提高汽车的加速性能。

3.2对燃料经济性的影响

轮胎的滚动阻力是影响汽车燃料经济性的主要因素之一。统计表明，在发达国家，汽车的燃料消耗量约占总燃料消耗量的25%，而轮胎克服滚动阻力的燃料消耗量约占车辆燃料消耗量的20%，故即使轮胎燃料消耗量稍有减小，对国家总燃料消耗量的减小也是一个很大的贡献。滚动阻力是轮胎在行驶过程中与路面接触发生变形而产生的阻碍轮胎滚动的力。轮胎的滚动阻力越大，汽车驱动时输出的驱动力矩也越大，这样才能使轮胎的受力趋于平衡或使轮胎产生加速度，但这必然会导致汽车燃料消耗量增大。在相同条件下，不同轮胎产生的滚动阻力不同。

3.3对汽车制动性能的影响

轮胎的滑动摩擦性能对汽车制动性能影响很大。轮胎车轮系统的纵向附着特性决定制动性能和制动距离。峰值摩擦系数，决定车轮在不抱死时的制动极限。由于减速时的重量转移，因此除恶制动系统的设计足够精细，能够保证前后轮之间制动力的分配能够跟随载荷动态变化外，一般情况下，各个车轮不可能同时达到各自的峰值附着力。当一个或多个车轮抱死后，制动所能提供的摩擦力就由滑动摩擦系数决定。传统的制动系统的设计实际上不可能做到在载荷状态不同、重心位置不同、路面状况不同时仍能保证精确的比例分配。显然，汽车的制动性能与轮胎与路面的摩擦力密切相关,而轮胎与路面的摩擦力取决于轮胎与路面的接触状况。轮胎与路面的摩擦力过小，会导致汽车制动性能下降。因此，对轮胎摩擦性能的研究是轮胎工业的重要课题。

3.4对汽车操纵稳定性的影响

汽车通过操纵系来操纵轮胎。轮胎的侧偏特性(主要指侧偏力、回正力矩和侧偏角间的相关性)是轮胎重要的力学性能,直接影响汽车的操纵稳定性。轮胎侧偏特性及其与汽车悬架系统的协同配合是影响汽车转向性的主要因素,通过改善轮胎侧偏特性可以解决汽车转向不足或过大的问题。

3.5行驶平顺性

轮胎的均匀性、振动性、包封性及汽车悬架系统的刚度、柔度是影响汽车行驶平顺性的主要因素。轮胎的均匀性、振动性和包封性差会导致汽车行驶，尤其是在不平路面上行驶时不稳或颠簸，即汽车的乘坐舒适性差。可以看出，提高汽车的行驶性能必须注重轮胎性能与汽车性能的协同配合，轮胎的研究、开发与汽车的性能要求密切相关。

4汽车行驶性能与轮胎性能之间的制约关系

从汽车、轮胎力学行为分析得出，汽车表现出的各项行驶性能最终取决于路面对其的激励,而这种激励又是借助于轮胎与路面之间的相互作用表现出来的。合适的轮胎匹配，汽车良好的性能才能发挥出来。汽车行驶性能与轮胎性能之间的主要制约关系为：

（1）汽车的动力性能与轮胎与路面的附着性能、压力分布和轮胎的滚动阻力等密切相关；

（2）汽车的燃料经济性与轮胎的滚动阻力关系较大；

（3）汽车的制动性能主要取决于轮胎与路面的摩擦因数，尤其是最大静摩擦因数；

（4）汽车的操纵稳定性与轮胎的侧偏特性关系最大，与轮胎与路面的压力分布和轮胎的垂直特性等有很大关系；

（5）汽车的行驶平顺性与轮胎的均匀性、振动性、包封性和垂直特性关系较大，高速行驶时轮胎的驻波特性也是影响汽车行驶平顺性的主要因素之一；

（6）汽车的加速跑偏性与轮胎的均匀性、花纹导向关系较大。

5轮胎研究与汽车系统动力学研究的契合点

轮胎是胎面、胎侧等变形大、强度低的柔性橡胶部件与模量大、强度高的刚性骨架与橡胶复合部件组成的结构体，轮胎及其部件的主要技术参数及其与汽车相关配件的匹配在某种程度上决定着汽车的整体性能。

轮胎的结构和尺寸，如胎圈着合直径、轮胎断面高宽比和接地宽度等直接影响汽车的操纵稳定性、动力性能、制动性能和燃料经济性等，轮胎结构和尺寸是否合理与车辆设计成功与否关系极大。

6小结

总之，研究轮胎的特性对汽车系统动力学的研究有着至关重要的作用。做好汽车轮胎与汽车车辆系统的整体综合性能的考虑综合。完美的汽车性能才会展现，才能给予汽车用户最好的心梗。然而制约汽车行驶性能的因素很多，而轮胎的某一特性也可能影响诸多汽车行驶性能，如轮胎的垂直特性不仅影响汽车的操纵稳定性，而且会影响汽车的行驶平顺性，这些影响有时还是矛盾的。因此，综合考虑轮胎在汽车系统动力学中的作用，是一项大工程。

参考文献：

[1]庄继德.汽车轮胎学[M].北京：北京理工大学出版社.1996

[2]许洪国，马彬，许言.考虑轮胎和路面特性的车辆稳定性分析[J].合肥工业大学：自然科学版.2007.30(7).

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