工程轮胎静力学特性.doc

工程轮胎静力学特性实验研究与参数识别 作者：吉林大学 张子达 赵丁选 刘刚 正确描述滚动轮胎的力学特性是正确分析轮胎式车辆各种动态性能的关键环节。在一般情况下，地面作用于轮胎接地印迹处有3个方向的力Ｐｘ、Ｐｙ、Ｐｚ 和3个方向的力矩Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ称为六分力，如图1所示。 力Ｐｘ、Ｐｙ、Ｐｚ分别称为纵向力、侧向力和垂直载荷，力矩Ｍｘ 、Ｍｙ、Ｍｚ分别称为侧倾力矩、滚动阻矩和回正力矩。在工程机械领域中，大多数有关轮胎的研究都是对于纵向力和滚动阻矩进行的，因为纵向力和滚动阻矩揭示车辆的牵引性能，而牵引性能是工程机械设计人员关心的首要问题。相对而言， 对于其它物理量的研究则很少。据已查阅到的文献看来，国外对越野轮胎的侧向力和回正力矩已有一些研究[ 1，2 ] ，国内有关内容的研究还未见到。而在汽车领域里，国内、外对于轮胎的力学特性（包括静态、 动态特性）已有了十分深入的研究。文章借鉴汽车领域中有关轮胎力学特性研究成果，对描述轮胎侧向力学特性的2个最重要的物理量——侧向力和回正力矩进行了实验研究；在前人对工程轮胎研究成果的基础上[3]，对工程轮胎的径向力学特性进行了进一步深入研究。 1 基本概念 １．１ 轮胎的侧偏特性 轮胎的侧偏特性是对侧向力和回正力矩的统称，是对轮胎侧偏现象的定量描述。所谓轮胎的侧偏现象是指轮胎速度方向并非永远位于旋转平面内，而是与旋转平面成一定角度，即所谓侧偏角。又由于轮胎侧向弹性和轮胎滚动时与地面接触点的侧向变形是逐渐增加的，因此，轮胎接地印迹上的侧向力并非均匀分布的，印迹上侧向力的合力Ｐｙ并不通过印迹中心，而是偏后一个距离Ｄｘ所谓“拖距”，侧向力Ｐｙ对印迹中心构成一附加力偶ＰｙＤｘ，即轮胎的回正力矩。当车辆改变行驶方向或受有侧向风等侧向力时， 轮胎上就作用有侧向力和回正力矩。 在侧向力小的情况下，可以认为 Ｐｙ＝Ｋβ （１） 系数Ｋ称为轮胎侧偏刚度，β为侧偏角；在侧向力大的情况下，印迹后部已产生局部侧滑，式（１）已不成立，Ｐｙ与β是非线性关系。显然，最大侧向力就是轮胎与地面的最大摩擦力μＰｚ，μ是侧向附着系数，Ｐｚ是轮胎垂直载荷；当Ｐｚ是静载荷时，μＰｚ就是一个常量，此时对应的轮胎力学特性即所谓轮胎静力学特性。 回正力矩与侧偏角的关系通常也是非线性的，即回正力矩先是随着侧偏角的增加而增加，但这种增加不是无限的，当侧偏角越来越大导致印迹完全侧滑时，Ｄｚ变为零，回正力矩也随之变为零。 实际应用时，通常都设为小侧向力情况，此时侧向力与侧偏角成正比，而侧偏角可通过轮胎侧向运动速度ｖｙ与纵向运动速度ｖｘ之比得到，即 β≈tanβ＝≈ （２） 其中Ｖ是车速。故侧向力可以表示为 Ｐ＝ｖ 这表明侧向力的实质是一种阻尼力。 对轮胎侧偏特性已有许多研究，有学者还建立了一些数学模型，但这种特性的认识主要还是依靠实验求得。有关轮胎侧偏特性已有了大量实验，并总结出侧向力半经验公式[ 4 ] =1－exp（－－Ｅｙ３） （3） 这里无量纲因子＝一般情形下，Ｅｙ是与垂直载荷有关的。回正力矩半经验公式为 Ｍｚ＝ＰｙＤｘ （4） 式中Ｐｙ由式（3）得到，Ｄｘ则由下式得到 Ｄｘ＝Ｄｍｅｘｐ（－Ｄ1－Ｄ2２）＋Ｄｅ０（5） 一般情形下，上式各项系数都是垂直载荷的函数。 １．２ 轮胎的径向力学特性 轮胎的径向变形是与垂直载荷密切相关的。若记轮胎垂直载荷为f，轮胎径向变形为ｘ，则轮胎的径向刚度Ｋｒ可表示为 Ｋｒ＝ （6） 特别是当垂直载荷为常量时，径向变形和径向刚度也为常量。 2 轮胎侧偏特性实验 轮胎侧偏特性实验测试是在长春汽车研究所轮胎静特性试验台上进行的。 如图2所示，所测试的轮胎为吉林大学工程机械实验室ZL10装载机10.00—20轮胎。 长春汽车研究所轮胎静特性试验台是低速平台式轮胎试验台，结构简图如图3。 试验台滑台为干水泥台面，以20cm/s速度往复运动，并且滑台可以转过一定角度（模拟侧偏角），上、下导向臂测力环的每个环上贴有2组应变片，横拉杆测力棒上贴有1组应变片，应变片输出的电压信号进入YD15动态应变仪，再经模数转换输入计算机。记上、下导向臂测力环和横拉杆测得的力分别为Ｆd、Ｆf和Ｆe，则侧向力 Ｐｙ＝Ｆｄ＋Ｆｅ＋Ｆｆ 回正力矩 Ｍｚ＝ＦｅＬｅ 其中Ｌｅ为横拉杆至导臂平面的距离。 测试前，在应变仪上将各应变片的输出调整为零。分别测量了560 kPa、680 kPa 二种胎压下的侧向力和回正力矩。对560 kPa胎压， 载荷块所加载荷分别取为3.11 kN、5.93 kN、10.31 kN、11.18 kN和13. 03 kN；对680 kPa胎压，载荷块所加载荷分别取为3.11 kN