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第二章 轮胎力学

第二节 轮胎侧向力的产生

2.2.1 轮胎和侧偏角

    一般来说,当车辆直线行驶时,车轮的旋转平面(其航向)与其行驶方向是一致的。换言之,车轮的行驶方向位于其旋转平面内。然而,当车辆产生侧向运动或/和横摆运动时,车轮的行驶方向就可能会跑出其旋转平面。

    图2.1为车轮的俯视图,其中图a表示车轮的行驶方向位于其旋转平面内的情况;而图b表示车轮的行驶方向不在其旋转平面内的情况,也就是所谓的伴有侧向滑动的情况。车轮的行驶方向与车轮旋转平面(即车轮的航向)之间的夹角被称为侧偏角。

运动中的车轮

图2.1 运动中的车轮

a)车轮的行驶方向位于其旋转平面内b)车轮的行驶方向不在其旋转平面内

    车辆在行驶过程中,其车轮受到沿行驶方向作用的驱动力、制动时产生的制动力以及一直存在着的滚动阻力。如果车轮发生如图2.1b所示的侧滑时,将会产生垂直于车轮旋转平面的力,我们可以将其视为车轮发生侧向滑动时抵抗侧滑的反作用力,这也是车辆实现独立运动所必须依赖的、非常重要的力,我们通常称之为侧向力。而在垂直于车轮旋转平面的分力被称为侧偏力。当侧偏角很小时,可以认为侧偏力与侧向力相同。

    上述侧向力可由图2.2所示的流体动力学中的升力给予解释,侧向力对应于在流体中以迎面角前进的物体所受到的升力。

物体所受到的升力

图2.2 物体所受到的升力

    尽管轮胎有很多种,但在做伴有侧滑的转动时,都会产生垂直于车轮旋转面的力。图2.3比较了在小侧偏角情况下,充气橡胶轮胎车轮、实心橡胶轮胎车轮和铁车轮分别产生的侧向力。

不同车轮的侧向力比较

图2.3 不同车轮的侧向力比较

    由图可见,由于车轮的种类不同,所产生的侧向力大小显著不同。尤其是铁车轮,所能产生的最大侧向力还不到橡胶轮胎的三分之一。而且,充气橡胶轮胎车轮所能产生的侧向力大于实心橡胶轮胎车轮。对独立运动的车辆而言,伴有侧滑的车轮所能产生的侧向力越大越好。因此,可在无约束的平面上自由运动的车辆通常都装有充气橡胶轮胎。原因就是,它不仅有利于车辆的乘坐舒适性,而且还有利于获得操纵车辆所需的侧向力。

    以下章节中,我们将充气橡胶轮胎简称为轮胎,并介绍伴有侧滑的轮胎所受到的力的产生机理及其特性。