应用力学揭示轮胎侧偏现象

1.侧偏角

（1）侧偏力 汽车在行驶中，由于路面的侧向倾斜、侧向风或曲线行驶时所产生的离心力等的作用，车轮中心沿Y轴方向将作用有侧向力F_y，地面上也相应产生了地面侧向反作用力F_Y。这个地面侧向反作用力F_Y称为侧偏力。在没有产生侧滑的条件下，F_Y和F_y大小相等方向相反，形成一对力偶。

（2）侧偏现象和侧偏角 当汽车受到如上的侧向力F_y作用时，如果地面侧向反作用力F_Y尚未超过车轮与地面间的附着极限，车轮与地面间没有发生滑动。当车轮具有侧向弹性时，尽管地面侧向反作用力尚未达到车轮与地面间的附着极限，车轮的行驶方向也将偏离车轮平面方向，这就是车轮的侧偏现象；车轮行驶方向与车轮平面方向之夹角称为侧偏角α（图1-27）。

为了说明车轮的侧偏现象，我们通过图1-27来阐述。

车轮静止不滚动时：由于车轮具有侧向弹性，轮胎发生侧向变形，胎面接地印痕的中心线aa与车轮平面cc不重合，错开了一个距离Δh，但aa仍然平行cc，如图1-27a所示。

车轮滚动时：胎面接地印痕的中心线aa不只是和车轮平面cc错开一个距离，而且不再与车轮平面cc平行而相交。aa与cc的夹角α则称为侧偏角。此时，车轮就沿着aa方向滚动，如图1-27b所示。

胎面接地印痕中心线aa与车轮平面cc错开并相交的过程是：胎面中心线上标出的A₁、A₂、A3…各点在车轮向前滚动中在接近地面时已逐渐变为一条斜线，因此它们接地后的对应点A₁′、A₂′、A₃′…的连线并不垂直于车轮旋转轴线，而是与车轮平面cc有一个夹角α（即侧偏角）。当轮胎与地面间没有发生侧滑时，A₁′、A₂′、A₃′…的连线就是接地印痕的中心线，它表明车轮是沿着侧偏角α的方向滚动。侧偏角α数值与侧向力F_y的大小有关，亦即与侧偏力F_Y的大小有关。

图1-27 轮胎的侧偏现象

a）静止 b）滚动(www.xing528.com)

2.侧偏回正力矩

车轮发生侧偏的同时地面会产生一个绕Z轴的力矩T_Z（见车轮坐标图1-26）。汽车在作圆周行驶时，T_Z是使转向车轮恢复到直线行驶位置的主要恢复力矩之一，故也称之为回正力矩。这个回正力矩是由接地印痕内分布的微元侧向反作用力产生的。为了更好地理解回正力矩T_Z的形成，现将它的形成过程分述如下：

当车轮在静止时，车轮受到侧向力F_y后，接地印痕长轴线aa与车轮平面cc平行，但错开一个距离Δh，即接地印痕长轴线上各点的横向变形（相对于cc平面）均为Δh，因此可以认为地面侧向反作用力沿接地印痕长轴线aa是均匀分布的，如图1-28a所示。

当车轮滚动时，接地印痕长轴线aa不仅与车轮平面cc错开了一个距离Δh，而且转动了一个角度α（侧偏角），使得接地印痕前端离车轮平面cc近些，侧向变形小些；接地印痕后端离车轮平面cc远些，侧向变形大些。可以认为地面微元侧向反作用力的分布与侧向变形成正比，故地面侧向反作用力的分布状况就如图1-28b所示的那样，其合力就是侧偏力F_Y，但其作用点必然落在接地印痕几何中心点后面，偏移了一个距离e，这个距离e称为轮胎拖距，F_Ye相乘所得就是回正力矩T_Z。

图1-28 车轮侧偏时接地印痕内地面侧向反力的分布及回正力矩的产生

a）静态侧偏 b）滚动侧偏 c）增大侧向力的侧偏 d）存在部分滑移的侧偏

当侧偏力F_Y增加时，接地印痕内的地面微元侧向反作用力的分布状况如图1-28c所示，表明后部侧向反作用力的增大较明显。当侧偏力F_Z增大到一定值时，接地印痕后部的某些微元便达到附着极限，其反作用力将沿③④⑤轮廓线分布，如图1-28d所示。随着侧偏力F_Z的进一步加大，将有更多的微元达到附着极限，直至整个接地印痕发生侧滑，因而轮胎拖距e会随着侧偏力的增大而逐渐减小。