輪胎側偏特性

輪胎側偏特性主要是指側偏力、回正力矩與側偏角間的關係。汽車動力學的研究中必須考慮輪胎模型,輪胎側偏特性是輪胎極其重要的特性,它是研究汽車操縱穩定性的基礎。

基本介紹

  • 中文名:輪胎側偏特性
  • 外文名:Cornering behaviors
  • 領域:汽車
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側偏力產生原因

汽車在行駛過程中,由於路面的傾斜、側向風或曲線行駛時的離心力等的作用,車輪中心沿Y軸方向將作用有側向力Fy,相應地在地面上產生地面側向反作用力,也稱為側偏力。當有地面反作用力時,若車輪是剛性的,則可能發生兩種情況(如圖1):
(1) 當地面側向反作用力Fy未超過車輪與地面間的附著極限時,車輪與地面間沒有滑動,車輪仍在其自身平面cc沒運動。
(2)當地面側向反作用力Fy達到車輪與地面間的附著極限時,車輪發生側向滑動,若滑動速度為∆u,車輪便沿合成速度u^‘的方向行駛,偏離cc平面。
圖1圖1

側偏角

當車輪有側向彈性時,即使FY沒有達到附著極限,車輪行駛方向亦將偏離車輪平面cc,值就是輪胎的側偏現象。為了說明側偏現象,我們討論具有側向彈性的車輪在垂直載荷為W的條件下,車輪中心受到側向力Fy,地面相應的有側偏力FY時的兩種情況(圖2)。一是車輪靜止不滾動。由於車輪有側向彈性,輪胎髮生側向變形,輪胎胎面接地印跡的中心線aa與車輪平面cc不重合,錯開∆h,但aa仍平行於cc。二是車輪滾動。接觸印跡的中心線aa不只是和車輪平面錯開一定距離,而且不再與車輪平面cc平行,aa與cc的夾角α,即為側偏角。此時,車輪就是沿著aa方向滾動的。
圖2圖2

側偏角產生原因

為了說清楚出現側偏角α的原因,下面具體分析車輪的滾動過程(圖3)。在輪胎胎面中心線上標出A1、A2、A3…各點,隨著車輪向前滾動,各點將依次落於地面上相應的A1^、A2^、A3^…各點上。在主視圖上可以看出,靠近地面的胎面上,A1、A2、A3…各點連線在靠近地面時逐漸變為一條斜線,因此他們落在地面相應各點A1^、A2^、A3^…的連線並不垂直於車輪旋轉軸線,即與車輪平面cc有夾角α。當輪胎與地面沒有側向滑動時,A1^、A2^、A3^…的連線就是接地印跡的中心線,當然也是車輪滾動時在地面上留下的痕跡,即車輪並沒有在車輪平面cc內向前滾動,而是沿著側偏角α的方向滾動。顯然,側偏角α的數值是與側向力Fy的大小有關;換言之,側偏角α的數值與側偏力Fy的大小有關。
圖3圖3

側偏力與側偏角關係

圖4給出了一條由試驗測出的側偏力-側偏角曲線。曲線表明,側偏角不超過5°時,與α成線性關係。汽車正常行駛時,側向加速度不超過0.4g,側偏角不超過4°~5°,可以認為側偏角與側偏力成線性關係。FY-α曲線在α=0°處的斜率稱為側偏剛度k,由輪胎坐標系有關符號規定可知,負的側偏力產生正的側偏角,因此側偏剛度為負值。側偏角不超過4°~5°FY與α的關係式可寫作,FY=ka。
圖4圖4

回正力矩與側偏角關係

回正力矩是由接地面內分布的微元側向反力產生的。車輪在靜止時受到側向力時,印跡長軸線aa與車輪平面cc平行,錯開∆h,故可認為地面側向反作用力沿aa線是均勻分布的(如圖5)。
圖5圖5
而車輪滾動時,印跡長軸線aa不僅與車輪平面錯開了一定距離,而且轉動了α角,因而印跡前端離車輪平面近,側向變形小;印跡後端離車輪平面遠,側向變形大。可以認為,地面微元側向反作用力的分布與變形成正比,故地面微元側向反作用力的分布情況如圖6所示,其合力就是側偏力FY,但其作用點必然在接地印跡幾何中心的後方,偏移某一距離e。e稱為輪胎拖距,FYe就是回正力矩Tz。
圖6圖6
在FY增加到一定程度時,接地印跡後部的某些部分便達到附著極限,隨著FY的進一步加大,將有更多的部分達到附著極限,知道整個接地印跡發生側滑,因而輪胎拖距會隨著側向力的增大而逐漸變小。
實驗結果表明,回正力矩開始時隨著側偏角的增大而逐步變大,側偏角在4°~6°時達到最大值;側偏角在增大,回正力矩下降;在10°~16°時回正力矩為零;側偏角再大,回正力矩成為負值。

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