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1、 毕 业 设 计分析轮胎性能对汽车行驶的影响系 别 汽车工程系 专 业 汽车检测与维修_班 级 汽检3142 姓 名 学 号 摘 要本文介绍了轮胎在汽车整车系统中的作用,分析轮胎性能对汽车行驶性能的影响。汽车的行驶性能(动力性能、燃料经济性、制动性能、操纵稳定性、行驶平顺性和通过性等) 与轮胎的与路面附着性能、滚动阻力、侧偏特性、垂直特性、包封性、振动性等动态力学性能及结构和尺寸密切相关。轮胎性能与汽车性能合理匹配,汽车的行驶性能好论文关键词：轮胎性能 汽车的行驶性能 匹配1目录引言 第一章 轮胎的构造及在汽车中的作用 . 11轮胎的基本组成 12轮胎的分类 . 121充气压力分类 . 122
2、胎面花纹分类 . 123组成结构分类. 124胎体帘线排列方向分类. 13轮胎在汽车中的作用 .第二章 轮胎的规格参数及表示方法 .21轮胎基本术语 .211轮胎的主要尺寸212轮胎的高宽比213轮胎最高速度214轮胎的层级215轮胎的负荷指数22轮胎规格表示方法第三章 轮胎与汽车生产的相关性 .第四章 轮胎动态力学性能对汽车行驶性能的影响 . 41动力性能 . . 42燃料经济性 . . 43制动性能 . . . 44操纵稳定性. . 45行驶平顺性 . . 第五章 轮胎部件及其主要技术参数对汽车的行驶影响 . 5.1轮胎 5.2部件 .第六章 轮胎性能对汽车行驶的影响分析 .总结 参考文献
3、 .引 言现代汽车，尤其是高档轿车对轮胎的性能要求越来越高。我们都知道，轮胎是汽车的重要安全部件，关系到汽车的操纵稳定性和发动机功率的有效传递。脱离汽车研究轮胎性能没有实际意义。轮胎的性能不仅取决于轮胎本身，更取决于轮胎与汽车的匹配，目前，对轮胎与汽车性能的匹配要求日益提高。本文就轮胎性能对汽车行驶的影响进行探讨。第一章 轮胎的构造及在汽车中的作用 汽车轮胎按胎体结构不同可分为充气轮胎和实心轮胎，现代汽车大部分采用充气轮胎，充气轮胎按组成结构不同分为内胎轮胎和无内胎轮胎，一般来说，轮胎由胎面、胎肩、胎侧、胎缘、帘布层和带束层等部分组成。目前汽车上大多使用帘布层与台面中心线成90或接近90的子午
4、线轮胎，相比帘布层与台面中心线呈小于90的普通斜交轮胎，具有自重轻、耐磨性好、滚动阻力小、附着性能好、承载能力强等特点，缺点是胎侧易裂口、成本高。子午线轮胎比普通斜交轮胎节油10%，以轿车一年行驶1.5 万公里每百公里综合耗油10 公升为例，按每公升6.87 元的93 号汽油计算，使用节能型子午线轮胎比使用普通的子午线轮胎，每年至少能节约油耗1000 元多元，而轿车用子午线轮胎价格比普通斜交轮胎平均只高200 元左右。如果按国家统计局公布的2009 年年底全国轿车保有量2605 万辆来计算，使用子午线轮胎一年就能节约汽油390 亿公升，相当于中石化2008 年一年的汽油产量，并且子午线轮胎的寿
5、命约8 万公里以上，比普通斜交轮胎行驶里程长50%，经济性能显著。轮胎在汽车中起着安全性、舒适性、动力性和经济性等重要作用。1.1 轮胎的基本组成普通轮胎由外胎，内胎与垫带组成（如图1所示）图1 充气轮胎的组成外胎是用以保护内胎不受外来损伤和冲入压缩空气后不致过分膨胀的外壳，是轮胎的主体，具有承担车重和变形、缓和汽车振动和冲击的作用，一般要求其具有较高的强度，并具有一定的弹性。轮胎外胎一般构造包括胎面（胎冠和胎肩）、胎侧、胎体（帘布层和缓冲层）和胎圈等部分。内胎是一个环形橡胶管，橡胶管内充满压缩空气，装入外胎后，使轮胎可保持一定的内压，从而获得缓冲性能和承载能力。垫带放在内胎与轮辋之间，是一个
6、具有一定形状和断面的环形胶带，其边缘较薄，表面光滑，具有耐热性，上有供内胎气门嘴通过的圆孔。垫带的作用是防止内胎被轮辋及外胎的轮圈擦伤和磨损，并能防止尘土，水侵入胎内。深式轮辋上使用的内胎轮胎没有垫带，而无内胎的轮胎及无内胎，又无垫带（如图2所示）图2 无内胎轮胎 1.2 轮胎的分类1.2.1 充气压力分类（1）高压轮胎：充气压力为0.50.7MPa的轮胎为高压轮胎。高压轮胎的滚动阻力小，油耗低，但缓冲性能差，与路面的附着能力低，因此在汽车上很少使用。（2）低压轮胎：充气压力为0.150.45MPa的轮胎为低压轮胎。低压轮胎由于具有弹性好、断面宽，与道路接触面积大，壁薄而散热性好等优点，所以被
7、广泛使用。目前，轿车、载货汽车几乎全部采用低压轮胎。（3）超低压轮胎：充气压力低于0.15MPa的轮胎为超低压轮胎。超低压轮胎的断面宽度比低压轮胎的宽，其与道路接触的面积也比低压轮胎的大，所以超低压轮胎在道路松软路面上的通过能力比较好，所以适合泥泞路、雪地、沙漠等地带使用。目前，超低压轮胎多用于越野汽车和少数特种汽车上。（4）调压轮胎：充气压力可根据路面条件不同进行调节的轮胎为调压轮胎。轮胎的气压变化会改变轮胎与路面的接触面积和压强，也将改变汽车的滚动阻力系数与附着系数。1.2.2 胎面花纹分类汽车轮胎按胎面花纹不同，可分为普通花纹轮胎、越野花纹轮胎和混合花纹轮胎三种（如图3所示）。图3 轮胎
8、花纹a b 普通花纹 、 c 混合花纹 、 d e 越野花纹1.2.3 组成结构分类汽车轮胎按组成结构不同，可分为有内胎轮胎和无内胎轮胎两种。有内胎轮胎构造特点上一章我们已经介绍，在此主要介绍下无内胎轮胎的构造和特点。无内胎轮胎在外观上和有内胎轮胎相近，但其组成结构上少了内胎和垫带，而在外胎内壁上多了一层厚度23mm的专门用来封气的橡胶密封层。1.2.4 胎体帘线排列方向分类汽车轮胎按胎体帘线排列方向不同，可分为普通斜交轮胎和子午线轮胎两种汽车轮胎胎体帘线的排列都与轮胎的子午断面成一定角度，这个角度称为胎冠角。胎冠角对轮胎的特性影响很大。如胎冠角增大，将使轮胎的侧向刚性径向刚性等增大。侧向刚性
9、增大，将改善汽车的行驶稳定性；径向刚性增大将降低轮胎的缓冲性能。（1）普通斜交轮胎：普通斜交轮胎（如图4所示）。其结构特点是胎体帘布层帘线排列方向与轮胎子午断面成一定夹角，帘线是由一侧胎边穿过胎面到另一侧胎边，并且由这种斜置帘线组成的多层（层数通常为偶数）帘布交错叠合，呈斜交方式排列。为了兼顾轮胎的侧向刚性和缓冲性能，一般取胎冠角为50度52度。图4 普通斜交轮胎1- 胎面 2-轮胎断面中心线 3-帘布层 4-缓冲层（2）子午线轮胎：子午线轮胎的胎体帘布层帘线排列方向与轮胎子午断面一致，呈环形排列，帘线也是由一侧胎边穿过胎面到另一侧胎边，同时在圆周方向有一带束层。图5 子午线轮胎1-胎面 2-
10、轮胎断面中心线 3-帘布层 4-带束层子午线轮胎的结构特点，比起普通斜交轮胎有诸多的优越性能：使用寿命长缓冲性能好滚动阻力小胎温低，散热快承载能力大附着性能好转向行驶稳定性好轮胎质量轻1.3 轮胎在汽车中的作用轮辋和轮胎是汽车行驶系中重要的部分，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
11、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。第二章 轮胎的规格参数及表示方法选择好轮胎的规格尺寸，不但能提高轮胎的使用寿命，还能提高汽车的安全性、舒适性、动力性和经济性，在高速公路上行驶时更显著。汽车轮胎正确选型，必须了解轮胎规格和标记的含义。如轿车轮胎规格为205/55/R16 91V：205 标示轮胎宽度为205，55 代表轮胎扁平比，即断面高除以断面宽100；R 指子午线轮胎，16 是指轮辋直径是16 英寸；91 是表示负荷指数，代表该负荷指数的轮胎最大可承重615kg；V 是表示速
12、度级别，该级别轮胎最高速度为240km/h。据统计，高速公路46%的交通事故是由于轮胎发生故障引起的，轮胎选型不当、胎压过高、胎面磨损过度等，都是容易引发交通事故，其原因除驾驶员操作不当和路面情况等因素外，主要是轮胎选型和使用不当。2.1 轮胎基本术语2.1.1 轮胎的主要尺寸图6 轮胎的主要尺寸D-轮胎外径 d-胎圈内径或轮辋直径 B-轮胎断面宽度 H-轮胎断面高度2.1.2 轮胎的高宽比轮胎的高宽比是指轮胎断面高度H与轮胎断面宽度B的比值，以百分数形式表示，即H/B。轮胎的高宽比又称扁平率。轮胎通常根据扁平率划分系列。目前汽车轮胎常见扁平率为80、75、70、65、60、55、50、45等
13、。图7 具有相同承受能力的普通轮胎和宽断面轮胎的轴心高度比较2.1.3 轮胎最高速度2.1.4 轮胎的层级轮胎的层级是描述轮胎负荷能力的相对指数，用PR表示，主要用于区别尺寸相同但结构和承载能力不同的轮胎。轮胎的层技数并不代表轮胎帘布层的实际层数，而是表示载质量与棉帘线相当的棉帘线的层数。如9.00R20-14PR的全钢子午线轮胎，其实际胎体钢丝帘线只有一层，但它的载质量却相当于14层棉帘线的9.00-20斜交轮胎，所以它的层数为14PR。2.1.5 轮胎的负荷指数轮胎负荷指数是描述轮胎在最高速度、最大充气压等规定使用条件下负荷能力的参数，以数字表示。轮胎负荷指数目前有280个，从0一直到27
14、9，有关情况如下表所示。轮胎负荷指数与负荷能力对应关系表1.2 轮胎规格表示方法我国轮胎现执行的标准为GB9743-1997轿车轮胎、GB/T2978-1997轿车轮胎系列、GB9744-1997载重汽车轮胎及GB/T2977-1997载重汽车轮胎系列等。如图10 轿车轮胎规格表示方法如图11 载货汽车轮胎规格表示方法第三章 轮胎与汽车生产的相关性单纯讨论轮胎的某项性能意义不大，轮胎性能的研究应该结合轮胎匹配的汽车性能，更确切的地说是汽车悬架系统（如图1所示）性能来进行。轮胎与汽车悬架系统匹配所构成的集成系统的刚度、柔度及动力学性能是影响汽车行驶性能的主要因素。同一条轮胎匹配于不同汽车表现出的
15、动态力学性能可能会有较大差异，即一条轮胎与某一汽车匹配可能表现出良好的动态力学性能，而与另一汽车匹配则可能 表现出个别动态力学性能极差。 图1 轮胎与汽车悬架系统示意在国外,为达到轮胎与汽车性能匹配,在进行汽车设计时,轮胎生产商一般会与汽车生产商密切合作,由汽车生产商提出轮胎与汽车匹配的动态力学性能要求或由轮胎生产商为汽车生产商提供轮胎的动态力学模型,以便汽车生产厂家进行悬架系统设计和整车性能模拟仿真计算。这就要求轮胎生产商不仅能够设计、生产出满足汽车性能要求的轮胎,同时也能够提供用于悬架系统设计或整车性能模拟仿真计算的轮胎动态力学模型。国内轮胎生产企业必须深入了解并逐渐适应高档轿车原配市场在
16、这方面苛刻的要求。第四章 轮胎动态力学性能对汽车行驶性能的影响4.1 动力性能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。4.2 燃料经济性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
17、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。4.3 制动性能轮胎的滑动摩擦性能对汽车制动性能影响很大。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。4.4 操纵稳定性 汽车通过操纵系来操纵轮胎(如图2 所示) 。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
18、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。图2 轮胎与汽车操纵系的关系4.5 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。第五章 轮胎部件及其主要技术参数对汽车的行驶影响轮胎是胎面、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2橡胶复合部件组成的结
19、构体,轮胎及其部件的主要技术参数在某种程度上决定着轮胎与汽车性能的匹配性。5.1轮胎轮胎的结构和尺寸,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。5.2部件结构和尺寸对汽车性能影响较大的轮胎部件有胎面、冠带层和三角胶等。(1) 胎面汽车最终通过胎面与路面之间的反作用力来获得行驶动力,胎面的花纹形式(纵向、横向或混合块状花纹) 、沟槽空隙比、沟槽宽度及角度、沟槽深度、块大小、钢片设置和肩块刀槽形式决定或影响车辆的牵引力、制动性能和操纵稳定性等。另外,胎面花纹形式和结构也是影响车辆噪声的关键
20、因素。(2) 冠带层刚性带束层与柔性胎面之间设置纤维帘布冠带层使得轮胎与路面之间的接地压力分布更加均匀,从而改善了车辆的操纵稳定性能和响应灵敏度,但冠带层的结构或尺寸不当,会降低车辆的行驶平顺性和操纵稳定性。(3) 三角胶在非直线行驶状态下,三角胶在承受胎圈部位垂直负荷的同时,还将通过转向机构施加给轮轴的侧向力传递给胎冠花纹,从而达到操控的目的。因此,三角胶的结构、尺寸及胶料的物理性能对轮胎的侧偏特性影响很大。与不同车辆配合时,轮胎的三角胶结构、尺寸及胶料性能需要根据路试结果来调整。另外,反包胎体对汽车行驶性能的影响与三角胶相似,但由于胎体帘布反包端点处存在应力2应变突变,因此必须使反包胎体帘
21、布的端点位置与三角胶、胎侧、胎圈结构匹配;在胎圈对应轮缘位置处设置周向保护胶棱不仅可以保护轮辋,使之免受外力冲击,同时可以改善车辆的操纵性能。该技术在高性能轮胎及越野轮胎中已应用得越来越多。第六章 轮胎性能对汽车行驶的影响分析由于市场对汽车行驶性能要求逐步提高,相应地对轮胎性能要求也不断提高。对轮胎性能的评价已不只停留在对其基本性能的评价上,而更多地转移到对轮胎匹配的汽车各项行驶性能的评价上。因此,对轮胎与汽车性能匹配的研究既是一个新的课题,又是一个亟待解决、意义重大的课题。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
22、作用表现出来的。如果没有合适的轮胎匹配,汽车良好的性能也发挥不出来。轮胎与汽车性能匹配,在汽车方面,有赖于汽车的传动系统、转向系统和悬架系统;在轮胎方面,有赖于轮胎本身所固有的刚性系统和性能。影响轮胎与汽车性能匹配的因素之间存在着直接或间接的联系及制约关系,这些因素及相关条件构成了一个紧密联系的系统,即对某一性能或因素的研究往往会涉及其它许多因素,且这些因素之间还可能存在矛盾。对轮胎与汽车性能匹配的研究就是要寻求这些因素与轮胎性能、汽车行驶性能之间相互作用的关系。轮胎与汽车性能匹配研究的关键在于“匹配”,轮胎性能与汽车性能的匹配是轮胎性能与汽车系统性能的合理配合,不同的汽车应选用不同性能的轮胎
23、。同一条轮胎安装在不同车辆上可能会表现出截然不同的动态力学性能,而同一辆车上装配不同规格,甚至是相同规格、不同品牌的轮胎也会表现出不同的行驶性能,因而轮胎与汽车性能匹配的研究是一个综合诸多方面因素的复杂系统工程。总的说来,影响汽车行驶性能的轮胎动态力学性能主要为与路面的附着性能、滚动阻力、侧偏特性、垂直特性、包封性和振动性等,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
24、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。可以看出,轮胎性能对汽车行驶有着重要的影响,轮胎的某一特性就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,轮胎与汽车的性能匹配一般是各性能和各因素之间的相互协调、平衡。总 结以上叙述不难看出轮胎是汽车最重要的运行材料之一。轮胎性能对汽车行驶有着重要的影响，
25、轮胎的某一特性就可能影响诸多汽车行驶性能。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。如果没有合适的轮胎匹配,汽车良好的性能也发挥不出来。,轮胎性能对汽车性能的影响是轮胎性能与汽车系统性能的合理配合。总的说来,影响汽车行驶性能的轮胎动态力学性能主要为与路面的附着性能、滚动阻力、侧偏特性、垂直特性、包封性和振动性等。从而我们知道轮胎在汽车中的重要作用，正确选型、合理装配使用轮胎，对延长轮胎的使用寿命、提高汽车使用性能和降低汽车故障率，尤其是提高汽车安全性能有着十分重要的意义。致 谢本论文在选题及研究过程中
26、得到程瑞老师的悉心指导，多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。程老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神授我以文。在此衷心的感谢程老师对我无私的指导教育，祝愿老师身体健康，合家幸福。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,2007 2 陈家瑞. 汽车构造下册(第3 版) M . 北京:人民交通出版社20093 王吉忠.轮胎与路面之间的摩擦和附着J.轮胎工业, 2005 4 俞淇. 充气轮胎的性能与结构M . 广州:华南理工大学, 20081 谢辞在本文撰写的过程中，我的指导老师不辞辛苦，给予了严谨的指导及全力的帮助，老师
27、们在具体实践中非常注重培养学生独立工作能力和分析能力，学识渊博、视野宽阔、治学严谨，有着求实、创新的作风。这些使我终生受益。借此机会，要向老师们表示衷心的感谢和深深的敬意。感谢山东劳动职业技术学院校长以及导师的大力支持，在他们的帮助下我完成了四轮定位仪的实验，另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识，这也是论文得以完成的基础。一个人的成长绝不是一件孤立的事，没有别人的支持与帮助绝不可能办到。我感谢可以有这样一个空间，让我对所有给予我关心、帮助的人说声“谢谢”！今后，我会继续努力，好好工作！好好学习！好好生活！最后，衷心感谢在百忙之中评阅论文和参加论文答辩的各位专家。