雷达天线半挂车结构设计与计算分析外文翻译资料

 2022-09-19 10:09

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功率和能量需求

运动中的汽车的功率和能量需求是被所控制的路面阻力决定的。这些阻力被分为局限于不变驾驶状态的路面阻力,以恒定速度行驶和被车辆加速所引起的路面阻力。

以不变的速度行驶车辆的阻力可以分为三类:车轮阻滞力、空气阻力、坡道阻力。

在非恒定驾驶状态下,有一种额外的行驶阻力称为加速阻力。

  1. 车轮阻滞力

车轮阻滞力是由产生于旋转车轮的阻力所组成的。所有的阻滞力都是由如下的阻力成份组成的:

  1. 来自于轮胎的阻力成份;
  2. 来自于路面的阻力成份;
  3. 来自于轮胎滑动的阻力成份;
  4. 来自于轴承摩擦的阻力成份。

来自于轴承摩擦的阻力成份相对较少,因此不需要明确考虑。

1.1来自于轮胎的阻力成份

当一个充气轮胎在一条理想道路上(平坦和干燥)沿着一条直路行驶时,当其圆周线和滚动方向一致时,与滚动方向相反的阻力便产生了。

这种阻力主要依靠于轮胎的结构。它能被更深层次地划分为不同种类:

  1. 抗挠曲阻力;
  2. 摩擦阻力;
  3. 风阻。

1.1.1抗挠曲阻力

充气轮胎的变形(挠曲)是由于在内部摩擦的作用下的静态压缩或扩张导致的无效功。如果轮胎在路面上滚动,压缩或扩张的进程会持续的在轮胎的每一个和任何一个周缘点上。这是依靠于一个周缘点放置在合适位置而不是线性弹簧阻尼单元的轮胎类似模型(图1-1)。此外,胎面能被想象成是由单元化的弹簧阻尼单元组成的。当轮胎接触运行通过时(在路面上有轮胎印迹),这些弹簧阻尼单元变得有效。作为这种情况的结果,需要被归结于挠曲阻力的额外摩擦影响就被创造了。轮胎胎面的弹簧阻尼特征也对在路面上的轮胎牵引力有影响。低阻尼带的混合的选择同时也会引起牵引摩擦力的衰退。

当类似模型旋转时,在每一个“基本的振动减震器”上做的功就被装换成热了。挠曲阻力结果就等于完成的阻尼功除以覆盖距离的商。

(1-1)

经验显示当相比较的轮胎有同样厚度的材料时(看图1-2),层数更多的轮胎有更大的阻尼,因为层数间相对移动会产生阻尼功。斜交胎和子午线胎有很大的区别。所谓的帘线角,定义为单一的胎体组织单一的帘线层和轮胎周缘的中心线的角度,起了决定性的作用。子午线轮胎的帘线角的范围为85°-90°,而斜交轮胎的范围是20°-40°。图1-2显示了客车轮胎的设计和它的每一部分的功能。

子午线轮胎在胎面位置被一个合适的轮胎带强化了,而对于斜交轮胎来说,使胎体变硬或是增加包括载荷运送轮胎壁在内的胎体帘线层数是必要的。这解释了斜交胎更大的弹簧硬度的原因。这反过来会同时增加内部摩擦,更强的阻尼和更大的抗挠曲阻力。轮胎在不同的旋转速度的阻尼显示随着速度的增加,阻尼会减少。

而以更快的速度行驶时,降低抗挠曲阻力的影响会以一个相反的方向叠加上升:随着速度的增加,由于惯性力的增加,载荷状态下在轮胎印迹上行驶的轮胎旋转的挠曲会导致在轮胎圆周振动。这种振动的阻尼力会产生热量,会导致增加抗挠曲阻力。

这个变形过程也就是所谓的在接触点后面的应变波(图1-4)主要决定着依靠速度的抗挠曲阻力特征所减少的阻尼的影响。基于轮胎设计,抗挠曲阻力随着速度缓慢增长到35m/s而呈现线性增长,相应的典型特征会变得渐进式增长。

为了强调它的意义,我们能说抗挠曲阻力通常是轮胎阻力中最重要的。

1.1.2摩擦阻力

在图1-1中的轮胎类似模型显示,行驶带的弹簧阻尼单元通过轮胎接触点。在这个特别的过渡点,轮胎周长被压缩成和它的胎面炫宽一样的长度,命名为轮胎接触长度。这会导致在接触点位置路面和轮胎的相对移动,这种所谓的滑移在横向和纵向都会发生。

滑移会导致磨损。在这种情况下,本来应该被传动系以额外阻力形式客服的能量就被转化了。

1.1.3风阻

轮胎的旋转会导致包括在整车周围的气流在内的流动损失。因此,这个阻力大部分情况下是被添加到空气阻力(看2-2章)。这个阻力将不会被深化讲解。

1.1.4滚动阻力系数

总的来说,来自于轮胎的车轮阻力组成部分也就是抗挠曲阻力FR flex,摩擦阻力FR frict,和风阻FR fan的和,这个和也被称为滚动阻力。

(1-2)

这确实更加实际,因为实际上抗挠曲阻力和摩擦阻力中某一组成部分是不能被分开的。

图1-5显示了一个商务车的轮胎随着车轮载荷的变化它的滚动阻力的变化特征。

由于随着轮胎载荷变化滚动阻力或多或少线性变化特征,一个关于载荷的指数能够被定义,称作滚动阻力系数fR roll,一个无量纲量:

(1-3)

正如上述所示,滚动阻力的出现是来自于轮胎壁和胎面弹簧的移动的帮助。然而,在轮胎接触点处纵向和横向压力分配测量值显示了不对称的压力配置。

(图1-6)。

如果只有在轮胎中心区域纵向部分被考虑的话,压力分配结果就如图1-7所示。

图1-8显示了作用在轮子,车体和路面的力和力矩。需要提醒的是一个从动轮被考虑了。

如果作用在轮胎接触点处的单独的垂向力相加的话,结果会等于作用在轮子上的载荷力。由于在接触点处非对称的压力分配,这个力作用在轮轴前面的偏心距附近。这个反作用力矩会阻碍轮子旋转。

(1-4)

因此,为了使轮子运转,一个当和动态轮子半径相乘后与垂向力矩相等的水平力是需要的。这个力,和旋转阻力大小相等:

(1-5)

为了简便,滚动阻力系数能用如下的公式计算:

(1-6)

又据 (1-7)

结果 (1-8)

在没有典型的汽车计算公式之前,假定随着轮胎载荷和行驶速度的变化,滚动阻力是不变的。当载荷被更加精确地考虑时(图1-5),滚动阻力增长的趋势会逐渐减小。正如图1-9中一个卡车子午线轮胎所示,随着轮胎载荷地增加,滚动阻力系数会逐渐减小。

而且,图1-9显示了轮胎压力对于滚动阻力系数的影响。随着轮胎气压增加,滚动阻力系数会逐渐减小。因为内部压力地增加会导致轮胎更加硬化,当轮胎载荷不变时,偏移距离会减小。这会导致挠曲能量地增加,并且由于接触面积变小,阻力中地摩擦阻力成分会变小。

图1-10显示了速度对于滚动阻力的影响。最开始逐渐增加的滚动阻力系数在一个波动的速度范围内会以一个渐进的速度上涨,这是由于弯曲阻力中变形波的叠加。这个效果会随着速度增加而增加。

至于H牌(最高速210km/h(131mile/h))和v牌(最高速240km/h(149km/h))轮胎,轮胎的硬度增加会弱化变形波形成的影响。因此,以一个很高的速度行驶的滚动阻力不会很大。

对于滚动阻力的电脑仿真来说,依据速度的滚动阻力的计算能用接下来的经验公式估计:

(1-9)

在这个公式里面,特制轮胎的价值就在于常数,。参照速度100km/h(62mile/h)以及HR牌轮胎,其恒定值大约为如下所示:

(1-10)

总结上述,做出如下阐述:除了外部速度影响,轮胎载荷和轮胎压力,滚动阻力依靠于轮胎设计,材料和橡胶混合的使用。因此子午线轮胎相比于斜交轮胎来说,通常具有较小的滚动阻力。此外,胎面的结构也会影响滚动阻力。胎面深度越小,胎面结构越好会减少阻力,然而随着速度的增加,这种补偿性的影响会减小。

单独的阻力成分,抗挠曲阻力,摩擦阻力和空气阻力是不可能被精确测量的。只能说抗挠曲阻力是滚动阻力中最大的组成成分。为了测量全部的滚动阻力,基本上只有两种可行的办法。路面测试是具有优势性的因为它提供了具有真实路面和基本条件的可能性。尽管它很难保证测试的外部条件设施的完全一致例如天气条件,不同意或是随时改变的路面状态和交通状况,所有的这些对于可以重复的轮胎测试都是必须的。

当测试在固定的轮胎测试台上进行时,这些问题都不会出现。在这种情况下,被固定的轮胎和可移动的滚动表面接触。依靠安装在轮胎上面的功率传感器获取数据。三种滚动接触表面用于这种应用目的:

  1. 一个有外部接触表面的滚筒;
  2. 一个有内部接触表面的滚筒;
  3. 被两个轮子移动的光顺带。

测试轮胎经常使用并且比较经济的一种方法是一个有外部接触表面的滚筒。除了能承受高载荷和结构紧实,这个大的区域要允许各种各样的轮子导向概念和轮胎位置以及便捷的轮胎安装。

由于离心力的影响,将不同的路面状况在滚筒上显示出来是很困难的。潮湿的胎面测试只有部分可行。

离心力影响的另外一个方面使在试验台上的内部接触表面会正常安装。因此,对于有着不同路面表面和决定着轮胎在潮湿路面上的表现的试验,台架试验尤其适合。然而在有限的区域内轮胎的安装和控制会变得复杂。

由于接触区域圆柱形的轮廓,所有的滚筒台架试验都会出现错误。不同于平坦路面,轮胎的接触区域和偏向都会延伸相同的载荷。这会导致摩擦阻力和抗挠曲阻力的增加。这个错误能被缩小通过相对轮胎半径而增大滚子半径。对于平坦路面来说,为了使测试结果可应用,因数校正是需要的。

台架试验在很大程度上拥有一个光滑的滚动表面。此外,它们对于轮胎的控制和移动以及轮胎安装还提供无限的空间。至于路面波段变化,不断变化的道路表面能够在没有特定限制的情况下被实现。相似的是潮湿路面也是可能的。使用滚筒的皮带滚槽需要更高的技术花费,因为接触表面的振动能够产生测量错误。并且皮带的磨损增加了修复它的费用。

图1-11显示了三种最重要的测试方法以及它们的优缺点。

图1-12显示了亚琛汽车工程学院摩托车和轿车轮胎在有着外部摩擦表面的滚筒表面。

随着速度变化的滚动阻力系数的特性曲线基本依靠测试条件。有两种可能的测试方法:

  1. 对于静止以及以恒定速度滚动的的轮胎的名义上的压力。随后每一个测试点都是在没有空气压力控制的情况下开始的。由于轮胎的抗挠曲能量,轮胎内部空气温度会增加。空气压力肯定会上升。
  2. 在剩余的运转时间内轮胎内部压力会持续被控制以及它会适应名以上的压力。

第二种方法消除了不同参数也就是轮胎压力的影响,然而前一种方法更加接近于车辆的实际应用。但是例如冷却气流的影响没考虑。

对比两种测试结果(图1-13),以轮胎内部压力无规律行驶的汽车的滚动阻力系数要小于以恒定压力行驶的汽车。这是因为在轮胎内部随着温度的上升压力上升从而导致滚动阻力的下降。

从之前的讨论,轮胎的阻力是被轮胎特性影响变得很明显。此外,在轮胎侧面和垂向整车的动力性方面轮胎起了很大的作用(弹簧以及侧向力的传送)。橡胶混合(图1-14),胎面花纹以及其内部结构的混合在决定轮胎质量方面是决定性的因素。

最后,在现代轮胎以及在轮胎发展区域的进展方面基本被呈现。

图1-15显示了在1960,1970和1992年制作轮胎各种不同的实现目标。能够看出在早些时候,斜交胎很方便但是相关轮胎动力性方面,它不能有效的实现。对于子午线轮胎来说,它刚好相反;但是现在的轮胎在关于实现所有的要求方面展示了很好的妥协性。同时,一些结构提供了允许驾驶员设定它的主要关注功能各种不同设置(舒适性或是动力性)。

在卡车轮胎的发展过程中经济型是最优先的。减小滚动阻力占了很大成分因为它减少了燃油消耗。最近的发展已经将实现滚动阻力系数为0.005()变为现实(图1-16)。

1.2来自于路面的组成部分

不均衡的是塑料和潮湿路面也会增加滚动阻力。

1.2.1不平坦路面

较小的路面不平坦会被轮胎和车内坐垫所吸收。此外,剩下的和弹簧阻尼单元相关的结构的轮胎移动了。在这种情况下,动力能量不仅在轮胎,而且在车辆弹簧上被转化成热量。这意味着在弹簧工作后它恢复了但是它弹回的长度相比于它一开始压缩时的长度变短了。图1-17用一个没有轮胎的轮子的简单例子解释了这个概念。

由于这个恢复能量,弹簧工作对于轮胎阻力没有任何影响,然而由于不平坦路面,和相应的距离相关的阻尼成为了轮胎阻力的额外组成部分。

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