汽车转向时纯滚动轮胎侧向摩擦力分析研究.docx

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汽车转向时纯滚动轮胎侧向摩擦力分析研究

汽车转向时纯滚动轮胎侧向摩擦力分析研究

冯永伟

【摘要】普通汽车转弯时,至少有一只车轮有滑动现象,地面对汽车侧向摩擦力下降,致使产生整体侧滑而发生危险.纯滚动汽车能很好地解决这一问题,使汽车在弯道上行驶时更加安全.

【期刊名称】《机械制造与自动化》

【年（卷）,期】2003（000）006

【总页数】3页（P40-41,45）

【关键词】汽车;轮胎;摩擦力;转向

【作者】冯永伟

【作者单位】南京工程学院,机械工程系,江苏,南京,210013

【正文语种】中文

【中图分类】工业技术

·机械制造与研究冯永伟，汽车转向时纯滚动轮胎侧向摩擦力分析研究汽车转向时纯滚动轮胎侧向摩擦力分析研究冯永伟（南京工程学院机械工程系，江苏南京210013）摘要：

普通汽车转弯时，至少有一只车轮有滑动现象，地面对汽车侧向摩擦力下降，致使产生整体侧滑而发生危险。

纯滚动汽车能很好地解决这一问题，使汽车在弯道上行驶时更加安全。

关键词：

汽车；轮胎；摩擦力；转向中图分类号：

U463：

0313.5文献标识码：

A文章编号：

1671-5276（2003）06-0040-02TheResearchoftheMotorTurningTimePureRollingTyreSideFrictionFENGYong-wei（NanjingInstituteofTechnology,JSNanjing,210013,China）Abstract:

Whenpopularcarmakesaturn,thereisonewheelatleast,whichhasslidingphenomenon,thefric-tionofgroundversusautomoilewoulddecrease,andwholecarmayslidesidewiselythepurerollingtyreisabletosolvethisproblemtoprotectcarsfromside-slidingonturningway.Keywords:

automobile;tyre;frictionalforce;turn0前言随着现代汽车工业的蓬勃发展，现代汽车的行驶速度越来越快。

现代化道路交通的修建，汽车价格的大众化趋势，使汽专消费一族的队伍不断扩大，人们越来越依赖汽车作为代步工具，人们对汽车的消费又进一步拉动汽车工业的进一步发展。

人们在对汽车产生青睐的同时，对汽车行驶的安全性要求也越来越高。

汽车转向行驶或换道行驶中，方向轮打滑使汽车运行失去控制是事故发生的主要原因，而车轮打滑又主要表现在车轮的侧向滑动，因此汽车车轮与地面的总体侧向滑动摩擦力的大小直接影响汽车行驶的安全性。

19汽车在不同行驶状态下车轮与地面的摩擦情况首先，当汽车在硬质路面上直行时，汽车各车轮与地面保持纯滚动，此时轮胎与地面的摩擦状态是：

主动车轮受到的是地面提供的直向静滑动摩擦力，该摩擦力是驱动整车前进的动力；其他从动轮受到的是地面对车轮的滚动摩擦力，它是阻碍汽车前进的一种摩擦力，它要远小于轮胎与地面的滑动摩擦力。

汽车直行时，在没有受到侧向外力（如侧向风力等）作用时，车轮不受侧向静滑动摩擦力的收稿日期：

2003-09-Ol·40．作用，因为它没有侧向运动趋势。

其次，当汽车在弯道上行驶时，对于前轮为转向轮的四轮汽车而言，主动后轮受到的是地面提供的静滑动摩擦力（沿圆弧切线方向向前），与此同时，车轮还受到轮轴方向的滑动摩擦力即侧向滑动摩擦力，方向指向弯道圆弧中心。

两转向前轮除受到运动圆弧轨迹切线方向的滚动摩擦力以外，还受到轮轴方向的侧向滑动摩擦力。

使汽车能转向行驶而不打滑的主要原因是依靠各轮的侧向静滑动摩擦力。

2普通汽车转向时各轮所受的摩擦力分析四轮汽车转向时，由于现行的转向机构均为梯形四杆机构或六杆机构等，此类机构都不能精确实现任意运动规律，因此，对于这类转向机构在转向运动时，实际特征线与转向理论特征线．不重合…，如图1所示。

所以，汽车至少有一只车轮的运动是向前滚动的同时伴有沿轮轴方向的滑动存在[2]，其轮胎对地面产生的摩擦力是动滑动摩擦力。

现假定一辆普通四轮汽车在左转弯时，汽车前桥右前轮发生轴向滑动，两前轮所受垂直方向载荷均为N]，两后轮受到载荷均为N2，轮胎与地面的滑动摩擦系数为fi，静摩擦系数为fo，滚动摩擦系数为http:

//ZZHI）E-mai!

:

UHD@《机械制造与自动化》要：

普通汽车转弯时，至少有一只车轮有滑动现象，地面对汽车侧向摩擦力下降，致使产生整体侧滑而发生危险。

纯滚动汽车能很好地解决这一问题，使汽车在弯道上行驶时更加安全。

关键词：

汽车；轮胎；摩擦力；转向TheResearchoftheMotorTurningTimePureRollingTyreSideFrictionFENGYong-wei（NanjingInstituteofTechnology,JSNanjing,210013,China）Abstract:

Whenpopularcarmakesaturn,thereisonewheelatleast,whichhasslidingphenomenon,thefric-tionofgroundversusautomoilewoulddecrease,andwholecarmayslidesidewiselythepurerollingtyreisabletosolvethisproblemtoprotectcarsfromside-slidingonturningway.words:

automobile;tyre;frictionalforce;turn0前言随着现代汽车工业的蓬勃发展，现代汽车的行驶速度越来越快。

现代化道路交通的修建，汽车价格的大众化趋势，使汽专消费一族的队伍不断扩大，人们越来越依赖汽车作为代步工具，人们对汽车的消费又进一步拉动汽车工业的进一步发展。

人们在对汽车产生青睐的同时，对汽车行驶的安全性要求也越来越高。

汽车转向行驶或换道行驶中，方向轮打滑使汽车运行失去控制是事故发生的主要原因，而车轮打滑又主要表现在车轮的侧向滑动，因此汽车车轮与地面的总体侧向滑动摩擦力的大小直接影响汽车行驶的安全性。

19汽车在不同行驶状态下车轮与地首先，当汽车在硬质路面上直行时，汽车各车轮与地面保持纯滚动，此时轮胎与地面的摩擦状态是：

主动车轮受到的是地面提供的直向静滑动摩擦力，该摩擦力是驱动整车前进的动力；其他从动轮受到的是地面对车轮的滚动摩擦力，它是阻碍汽车前进的一种摩擦力，它要远小于轮胎与地面的滑动摩擦力。

汽车直行时，在没有受到侧向外力（如侧向风力等）作用时，车轮不受侧向静滑动摩擦力的收稿日期：

2003-09-Ol40．其次，当汽车在弯道上行驶时，对于前轮为转向轮的四轮汽车而言，主动后轮受到的是地面提供的静滑动摩擦力（沿圆弧切线方向向前），与此同时，车轮还受到轮轴方向的滑动摩擦力即侧向滑动摩擦力，方向指向弯道圆弧中心。

两转向前轮除受到运动圆弧轨迹切线方向的滚动摩擦力以外，还受到轮轴方向的侧向滑动摩擦力。

使汽车能转向行驶而不打滑的主要原因是依靠各轮的侧向静滑动摩擦力。

四轮汽车转向时，由于现行的转向机构均为梯形四杆机构或六杆机构等，此类机构都不能精确实现任意运动规律，因此，对于这类转向机构在转向运动时，实际特征线与转向理论特征线．不重合…，如图1所示。

所以，汽车至少有一只车轮的运动是向前滚动的同时伴有沿轮轴方向的滑动存在[2]其轮胎对地面产生的摩擦力是动滑动摩擦力。

现假定一辆普通四轮汽车在左转弯时，汽车前桥右前轮发生轴向滑动，两前轮所受垂直方向载荷均为N]，两后轮受到载荷均为N2，轮胎与地面的滑动摩擦系数为fi，静摩擦系数为fo，滚动摩擦系数为http:

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UHD@《机械制造与自动化》冯永伟，汽车转向时纯滚动轮胎侧向摩擦力分析研究图l转向特性线f2，现以汽车作为示力体，汽车以匀速钞，绕半径为R的弯道行驶，其产生的离心力F，作用在汽车的质心S处，假定汽车的质心位于四轮的几何中心点。

建立如图2所示的坐标系.roy，各轮所受摩擦力如图2所示，轮1、2为转向轮，受与轴垂直的滚动摩擦力Fi，、F2，的作用，同时受侧向滑动摩擦力Fi。

、F2。

的作用，轮2、4为驱动轮，受与轴垂直的滑动摩擦力F3：

、F4，的作用，同时受侧向滑动摩擦力F3。

、F4。

的作用，其中轮2轴线与轮3、4轴线交点为04，与o点不重合，在图示坐标系中，用动静法对汽车进行受力分析。

图2普通汽车转向摩擦力分析由∑F.=0,有Fi+F2t.sin（a2-a）+Fitsina+F4t.sina-Fi“．cos（at-口）-F2。

．cos（a2-cosa-F4a．cosa=0其中Flt=F2t=Ni．f2，F3t=F4￡Fla=Ni’fo,F3a=F4a=N2.fo整理化简后得F'i=2F3a.cosa+F7a.cos（alF2acos（a2-a）Flt.sin（a,-o）-F2t.sin（a22F3t.sina=N

2．fo,MachineBuilding日Autcrmation.&e2003,（6）:

40-41,453纯滚动汽车转向时各，轮摩擦力分析比较纯滚动汽车转向时，四轮轴线汇交于一点，在转向行驶中，所有车轮与地面均无侧向滑动，其四个轮子所受摩擦力如图3所示，参照普通汽车转向图3纯滚动汽车转向摩擦力分析时各轮受到的摩擦力情况，同样可以推得下式Fi=2F3廿．cosa+Fia．ccxs（ai-口）+F2以cos（a2-口）-Flt．sin（al-口）一F2t.sin（a2-口）-2F3，．sma

（2）根据上海帕萨特SVW7183AGi型轿车的尺寸参数，轴距为2803mm，轮距为1500mm，最小转弯直径为11.2m，可知方向轮的最大偏转角ai≤arctg2.8：

26.560，假定质心在四轮的几何中心，则在最小转向直径时的角口=arctg5忑{0.75-12.4。

，那么，式

（1）与式

（2）中的cos（ai-a）、cos（a2-口）、cos（a2-口）、cosa数值的大小均相差不大，sin（ai-口）、sin（a2-口）、sin（a2-口）、sma数值的大小也相差不大，再由于各轮垂直载荷也基本相等，故在相同摩擦状态下，四轮提供的侧向地面摩擦力大小也应相差无几。

由于普通汽车与纯滚动汽车的滚动摩擦力以及后轮驱动力是一样的，所以，可以令W=Fifsin（ai-口）+F2tsin（a2-口）+2F3tsinaw-F1fsin（口1-口）+F2tsin（a2-a）+2F3tsin口则式

（1）与式

（2）可以进一步简化成。

．cosa+Fi。

cos（ai-口）+F2。

．cos（a2-口）-W（3）比较式（3）和式（4）的异同，两式中F3。

与F3。

同为驱动轮与地面产生的侧向静滑（下转第45页）·4

1．-f+1.---+-.口oo‰'~II--.+1--/_-.图l转向特性线质心S处假定汽车的质心位于四轮的几何中心点。

建立如图2所示的坐标系.roy，各轮所受摩擦力如图2所示，轮1、2为转向轮，受与轴垂直的滚动摩擦力Fi，、F2，的作用，同时受侧向滑动摩擦力Fi。

、F2。

的作用，轮2、4为驱动轮，受与轴垂直的滑动摩擦力F3：

、F4，的作用，同时受侧向滑动摩擦力F3。

、F4的作用，其中轮2轴线与轮3、4轴线交点为04，与o点不重合，在图示坐标系中，用动静法2普通汽车转向摩擦力分析∑F.=0,有Fi+F2t.sin（a2-a）+Fitsina+F4tsinaFi“cos（at-口）-F2。

cos（a2cosaF4acosa=0其中Flt=F2t=Nif2F3t=F4￡整理化简后得F'i=2F3a+F7acos（alF2acos（a2-a）Fltsin（a,-o）-F2tsin（a22F3t=N2fo,MachineBuilding日Autcrmation.&e2003,（6）:

40-41,45纯滚动汽车转向时，四轮轴线汇交于一点，在转向行驶中，所有车轮与地面均无侧向滑动，其四个轮子所受摩擦力如图3所示，参照普通汽车转向3纯滚动汽车转向摩擦力分析廿cosa+Fiaccxs（ai口）+F2以cos（a2-口）-Fltsin（al）一）-2F3，sma

（2）根据上海帕萨特SVW7183AGi型轿车的尺寸参数，轴距为2803mm，轮距为1500mm，最小转弯直径为11.2m，可知方向轮的最大偏转角ai≤arctg2.8：

26.560假定质心在四轮的几何中心，12.4那么，式

（1）与式

（2）中的cos（ai-a）、cos（a2）、cos（a2-口）、cosa数值的大小均相差不大，sin（ai-口）、sin（a2-口）、sin（a2-口）、sma数值的大小也相差不大，再由于各轮垂直载荷也基本相等，故在相同摩擦状态下，四轮提供的侧向地面摩擦力大小也应相差无几。

由于普通汽车与纯滚动汽车的滚动摩擦力以及后轮驱动力是一样的，所以，可以令W=Fifsin（ai-口）+F2tsin（a2-口）+2F3tsinawF1fsin（口1-）+F2tsin（a2-a）+2F3tsin口cosa+Ficos（ai-口）+F2。

cos（a2-口）-W比较式（3）和式（4）的异同，两式中F3。

与F3。

同为驱动轮与地面产生的侧向静滑（下转第45页）41-f---+-oo‰'~II--.--/_-.秦东炜，刀具对胶粘带产品加工品质的影响┏━┳━┳━┳━┳━┳━┳━┳━┳━┳━┳━┓┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┣━╋━╋━╋━╋━╋━╋━╋━╋━╋━╋━┫┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┗━┻━┻━┻━┻━┻━┻━┻━┻━┻━┻━┛图10刀具的组装削川对齐是影响分切效果的重要原因。

在安装时，上刀刀口进入下刀刀缝中的深度必须适当，一般在1—1.5mm之间，太深了容易使切边上产生压痕（尤其像分条较硬的牛皮纸胶带等），影响分条品质；而太浅了又容易使上刀在分条时，一旦受到某种外力就很可能从下刀中分离出来，使刀口损坏。

由于分条的过程就是上下刀之间对胶带进行剪切的过程，因此上下刀之间需要有一定的压紧力，在安装时必须调整合适，若太松可能会切不断，太紧了又会使上刀的弹性变形过大，刀口向后翘，反而与下刀的刀口贴合不良，也不易切断，同时会加速刀口的磨损。

对于分切机上用的单片圆刀，在安装时主要是调整刀口部分的端面跳动量，根据实际使用，一般在±l5肚m以内时即可保证加工品质。

，但对于某些要求高的产品，最好能调整到±10tim以内，如有些产品需要切到2.5mm或者3mm宽，其偏差只能在±0.05mm之内，由于胶带本身在旋转时也有一定的跳动量，因此对刀的跳动量要求就比较高，一般在生产时调整到±SUm以内，使切出的产品总误差不超过0.05mm。

在使用时还要注意刀口的磨损状况，尤其对于一些切面要求较高或容易断裂的产品，若刀口i：

有一些细微的缺口，切出来的产品就很容易在切面I：

出现粘胶或出现“毛边”现象，比如在切聚亚酰胺胶带时，如果有“毛边”的话，在解卷时就很容易断裂，造成无法使用。

由于客户对产品的要求越来越高，因此在使用刀具时，应当做到合理选用，精心保养，根据不同的产品和工序选用合适的刀具，并在使用中尽量维持良好的刀具状况，使加工出来的产品尺寸准，外观美，品质有保证，这不仅是提高产品档次，也是减少原材料损失、提高生产效率的有效途径。

园园盈墨耍至碉园圈园园豳园曰JE:

IFTTlOITKT园园I园园园圜园盈园盈园圜口盈园园目要耍蔓亚墅霹】圜园口要潍焉rrn圈园盈墨耍面砸噩疆捆因丑园目园园LIILLr_Lr_L.;L;LL}上接第41页）动摩擦力，Fi。

与F1。

同为前桥左轮与地面产生的侧向静滑动摩擦力。

式（3）中的F2。

为前桥右轮与地面产生的侧向动滑动摩擦力，该轮与地面产生侧向滑动现象。

式（4）中的F2。

为前桥右轮与地面产生的侧向静滑动摩擦力，它与Fi。

的大小相同，该轮与地面无侧向滑动现象，因此，F2。

在数值上要比F2。

大很多，因为，轮胎一旦与地面产生滑动，尤其是在雨雪天气，地面对轮胎的摩擦力将变得很小，几乎为零，此时，若前桥左轮也出现滑动，则汽车将失去控制方向的能力而造成危险；再由于W与W中的F3，与F3：

同为驱动轮与地面产生的直向静滑动摩擦力，Fl。

与Fi，同为前桥左轮与地面产生的滚动摩擦力，而Ⅱ2与a2也相差很小，则W≈W。

所以，式（3）所求得的Fi要小于式（4）所求得的Fi。

由于小汽车四只轮胎各自提供的地面侧向静滑动摩擦力大小相近，所以，纯滚动汽车在转向时，可以获得比普通汽车大近1/4的侧向静滑动摩擦力。

由离心惯性力的计算公式F，=MR可知，纯滚动汽车在转向时，可以用比普通汽车更快MachiwBuilding8Aummation,n,2《Hl3,（6）:

42-45的速度行驶，并保证汽车不会出现侧滑现象。

4结束语随着我国汽车工业的大力发展，城市道路及四通八达的省际间高速公路网的快速建设，加上人们对生活与工作高品质、高效率的追求，人们越来越多地使用汽车作为代步、休闲及显示身份的工具，越来越多的人对汽车的舒适、安全性能倍加关注？

汽车ABS的使用，只能使汽车在直道行驶状态下，遇紧急情况能快速停车或减速，纯滚动汽车在直线行驶时，与普通汽车没有什么不同，但汽车在换道与转向时，由于纯滚动的原因，汽车不易打滑，从而提高汽车行驶的安全性，同时也可以延长路面的使用寿命。

参考文献：

[l]陈家瑞，汽车构造[M]吉林：

占林-业大学if{版社．2l删）．[2]冯永伟，纯滚动汽车转向机构设计[J]机械设计tj制造I‘科·45·┏━┳┓┃┣╋┫┗┻┛10刀具的组装削川对齐是影响分切效果的重要原因。

在安装时，上刀刀口进入下刀刀缝中的深度必须适当，一般在1—1.5mm之间，太深了容易使切边上产生压痕（尤其像分条较硬的牛皮纸胶带等），影响分条品质；而太浅了又容易使上刀在分条时，一旦受到某种外力就很可能从下刀中分离出来，使刀口损坏。

由于分条的过程就是上下刀之间对胶带进行剪切的过程，因此上下刀之间需要有一定的压紧力，在安装时必须调整合适，若太松可能会切不断，太紧了又会使上刀的弹性变形过大，刀口向后翘，反而与下刀的刀口贴合不良，也不易切断，同时会加速刀口的磨损。

对于分切机上用的单片圆刀，在安装时主要是调整刀口部分的端面跳动量，根据实际使用，一般在±l5肚m以内时即可保证加工品质。

，但对于某些要求高的产品，最好能调整到±10tim以内，如有些产品需要切到2.5mm或者3mm宽，其偏差只能在±0.05mm一定的跳动量，因此对刀的跳动量要求就比较高，一般在生产时调整到±SUm以内，使切出的产品总误差不超过0.05mm。

在使用时还要注意刀口的磨损状况，尤其对于一些切面要求较高或容易断裂的产品，若刀口i：

有一些细微的缺口，切出来的产品就很容易在切面I：

出现粘胶或出现“毛边”现象，比如在切聚亚酰胺的话，在解卷时就很容易断由于客户对产品的要求越来越高，因此在使用刀具时，应当做到合理选用，精心保养，根据不同的产品和工序选用合适的刀具，并在使用中尽量维持良好的刀具状况，使加工出来的产品尺寸准，外观美，品质有保证，这不仅是提高产品档次，也是减少原材料损失、提高生产效率的有效途径。

动摩擦力，Fi。

与F1。

同为前桥左轮与地面产生的侧向静滑动摩擦力。

式（3）中的F2。

为前桥右轮与地面产生的侧向动滑动摩擦力，该轮与地面产生侧向滑动现象。

式（4）中的F2。

为前桥右轮与地面产生的侧向静滑动摩擦力，它与Fi。

的大小相同，该轮与地面无侧向滑动现象，因此，F2。

在数值上要比F2。

大很多，因为，轮胎一旦与地面产生滑动，尤其是在雨雪天气，地面对轮胎的摩擦力将变得很小，几乎为零，此时，若前桥左轮也出现滑动，则汽车将失去控制方向的能力而造成危险；再由于W与W中的F3，与F3：

同为驱动轮与地面产生的直向静滑动摩擦力，Fl。

与Fi，同为前桥左轮与地面产生的滚动摩擦力，而Ⅱ2与a2也相差很小，则W≈W所以，式（3）所求得的Fi要小于式（4）所求得的Fi。

由于小汽车四只轮胎各自提供的地面侧向静滑动摩擦力大小相近，所以，纯滚动汽车在转向时，可以获得比普通汽车大近1/4的侧向静滑动摩擦力。

由离心惯性力的计算公式F，=MR可知，纯滚动汽车在转向时，可以用比普通汽车更快MachiwBuilding8Aummation,n,2《Hl3,（6）:

42-45结束语随着我国汽车工业的大力发展，城市道路及四通八达的省际间高速公路网的快速建设，加上人们对生活与工作高品质