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技术领域

本发明涉及一种汽车低行驶阻力的车轮系统结构及其设置方法，属汽车 工程技术领域。

背景技术

申请人自2012年起从事汽车车轮系统结构的研究与发明，涉及的专利 为：实用新型CN201220274739.8、CN201220274769.9、CN201320337579.1； 发明专利CN20121019825.7、CN201210191870.2。

这些专利的技术方案多为以车轮半径与滚动阻力的关联及驱动力的关联 为技术理念依据，追求实现从动轮滚动阻力小，驱动轮驱动力强的技术目标； 其技术措施主要是采用“复合车轮”的结构，有小半径的驱动轮伴随大半径 从动轮的结构特征，且车轮中心侧向垂直同轴。由于这些研究与技术开发缺 乏车轮系统结构机械效率的理论研究支撑，有节能效率不高之虞；加之“复 合车轮”的结构方式，在行驶方面还存一些不足之处，不能充分体现车轮系 统结构研究的技术目标，目前还达不到到预期的社会价值与经济价值水平。

为了开拓汽车能够大幅节能的新途径，申请人长期进行了关于汽车车轮 系统结构的行驶效率的系统研究，发现近一百二十年来，汽车技术领域从未 涉及过车轮系统结构的行驶效率的研究，《汽车理论》在驱动轮运动阻力研 究方面存在遗漏或误判，致使传统汽车的车轮系统结构存在行驶阻力大、能 源消耗过高的重大弊端。

《汽车理论》认为驱动轮也有滚动阻力，于是将车轮系统的运动阻力认 定为就是从动轮的滚动阻力，因此，《汽车理论》中的汽车行驶方程式为：

F_t＝F_f+F_i+F_w+F_j

式中：F_t为驱动力；F_f为车轮的滚动阻力；F_i为坡度阻力；F_w为空气阻 力；F_j为加速阻力。

从动轮的滚动阻力仅与车辆载荷、车轮滚动阻力系数相关，而驱动轮的 运动阻力不仅与车轮载荷相关，还与驱动力系数、附着系数及轮胎摩擦力相 关，所以驱动轮的运动阻力与从动轮的阻力是不相等的。酒井先生的研究成 果表明：当驱动力系数大于0.75，车轮使用子午线轮胎(轮胎气压大于 240MPa)，其运动阻力是从动轮的2倍以上，车轮使用斜交轮胎，其运动阻 力是从动轮的3倍以上。基于驱动轮的运动阻力大于从动轮滚动阻力的客观 存在，《汽车理论》中的汽车行驶方程式是错误的。

本发明研究根据从动轮与驱动轮的运动阻力特性及车轮载荷存在分配差 异的特征，建立“车轮载荷系数”的新概念(即车轮载荷系数为车轮载荷/车 辆总质量，《汽车理论》中没有这个概念)，由此，推导了汽车车轮系统结构 的行驶阻力公式：

F_f＝ɑWf+XβWf

式中，ɑ为从动轮的车轮载荷系数，β为驱动轮的车轮载荷系数，f为滚 动阻力系数，驱动轮使用子午线轮胎时X≧2，使用斜交轮胎时X≧3。

根据这个正确的车轮系统行驶阻力的公式，汽车行驶方程式正确的表述 方式应该勘误为：

F_t＝ɑWf+XβWf+F_i+F_w+F_j

汽车行驶遵循(附着力)≧Ft(驱动力)的必要条件，本发明研究将产 生驱动轮附着力的载荷定义为附着载荷。传统车轮系统中驱动轮分担的车辆 载荷就是驱动轮的附着载荷，这种载荷分配方式致使该结构中驱动轮的附着 载荷远远高于其理论附着载荷，这是造成传统车辆普遍存在能耗过高的重要 原因之一。

根据驱动轮的载荷可以计算出驱动轮的附着力，反之，当车辆所需驱动 力确定后，根据有关公式也可以计算出驱动轮合理的附着载荷，例如：

设汽车总质量为6000kg，驱动轮载荷系数为0.65，此时驱动轮实际附着 载荷为3900kg；若车辆所需驱动力为3684N，其理论附着力为4000N即可； 设附着系数φ为0.75；依下列公式计算理论附着载荷:

(附着力关系公式)

F_z＝W(合力与法向载荷关系)

G＝W/9.8(质量与载荷关系)

经计算，上述驱动轮理论附着载荷仅为408kg(W＝3998N)，就能够满 足附着力条件，仅为实际附着载荷(3900kg)的9.55％；此时，驱动轮的载 荷系数仅为0.1，由此可知，通过减小驱动轮的载荷系数，车轮系统的行驶 阻力就可以减小1369N(子午线轮胎)或2053N(斜交轮胎)。因此可以认 为：一般情况下，驱动轮载荷系数小于0.25的车轮系统结构，可以不考虑驱 动轮附着力的问题。

综上所述，汽车低行驶阻力的车轮系统的结构特征是：从动轮承担车辆 载荷，驱动轮承担附着载荷；传统汽车车轮系统的结构特征为，从动轮与驱 动轮共同承担车辆载荷。车轮系统结构的行驶效率与车轮系统结构载荷比系 数(μ＝ɑ/β)成反比(《汽车理论》中没有这个概念)，汽车低行驶阻力的 车轮系统结构的行驶效率高，传统汽车的车轮系统结构有行驶效率低下的重 大缺陷。

这一技术理论的研究成果，提供了一种用汽车低行驶阻力的车轮系统结 构更新传统汽车车轮系统结构的新方法，填补了汽车车轮系统结构的行驶效 率研究的技术空白，为汽车能够大幅节能开拓了新的途径。

发明内容

本发明旨在提供一种汽车低行驶阻力的车轮系统结构及其设置方法，该 车轮系统结构相对于传统车辆其机械效率提高50％以上，节能至少30％。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种汽车低行驶阻力的车轮系统结构，包括从动轮和驱动轮；其结构特 点是，所述从动轮的轮胎为子午线轮胎，且驱动轮的轮胎为斜交轮胎。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后 形成的技术方案：

所述驱动轮的载荷系数为0.1—0.25。

所述从动轮有多个，多个从动轮之间的连线形成的几何区域内设有所述 驱动轮。更优选地，所述从动轮有四个，四个从动轮安装在传统车辆的车轮 位置处，四个从动轮之间形成一个几何区域，所述驱动轮设置在所述几何区 域内。

所述从动轮的直径大于驱动轮直径。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种汽车低行驶阻力的车轮系统 结构的设置方法，其包括如下步骤：

S1、选择车轮系统结构载荷比系数μ＝ɑ/β

汽车车轮系统的运动阻力公式为：F_f＝ɑWf+XβWf，式中，ɑ为从动轮 的车轮载荷系数，β为驱动轮的车轮载荷系数，f为滚动阻力系数，W为载荷 重力，驱动轮使用子午线轮胎时X≧2，驱动轮使用斜交轮胎时X≧3；

S2、驱动轮设置在从动轮之间，且从动轮的弹簧系统的力学强度高于驱 动轮的弹簧系统；

S3、建立驱动轮附着载荷自动控制系统，使车辆保持附着力≧驱动力的 行驶状态；

S4、选择车轮系统的车胎：从动轮轮胎选用子午线轮胎，驱动轮轮胎选 用斜交轮胎；

S5、确定车辆所需驱动力，车轮系统的驱动力F_t＝ɑWf+XβWf+F_w，车轮 系统运动阻力为F_f＝ɑWf+XβWf，空气阻力F_w＝1/2C_DApu_r²，式中C_D为空气 阻力系数，A为迎风面积，p为空气密度，u_r为相对速度，ɑWf为从动轮的 滚动阻力，XβWf为驱动轮的滚动阻力，W为载荷重力，f为滚动阻力系数；

S6、确定车辆所需驱动力后，校验由驱动轮载荷系数确定的附着力是否 满足附着力≥驱动力F_t的条件，驱动轮的附着力在驱动轮载荷系数0.1— 0.25产生的范围内，如果不满足则返回步骤S1。

所述驱动轮附着载荷自动控制系统包括附着载荷控制器、液压油缸、压 力传感器、车辆速度传感器、油门开度传感器；所述附着载荷控制器用于根 据车辆速度传感器和油门开度传感器反馈的信号确定车辆行驶状态，计算出 相应的驱动轮所需的载荷压力量，并通过液压油缸将该压力加载于驱动轮， 同时压力传感器检测加载于驱动轮的压力后反馈给附着载荷控制器。

优选地，所述从动轮的直径大于驱动轮直径。

藉由上述结构，汽车低行驶阻力的车轮系统结构的设置方法分为六个步 骤进行：

第一步骤用车轮系统结构载荷比系数确定汽车车轮系统的结构

车轮载荷系数是车轮系统结构的重要特性，车轮系统结构载荷比系数是 车轮系统结构的重要标志，其定义是：μ＝ɑ/β(式中μ为车轮系统结构载荷 比系数)；传统汽车的车轮系统结构载荷比系数小于1；汽车低行驶阻力的 车轮系统结构的车轮系统结构载荷比系数大于3。

汽车车轮系统结构的载荷比系数与车轮载荷系数比对照表表1

第二步骤低行驶阻力的车轮系统为多弹簧系统原理结构

传统汽车的车轮系统车轮的安装位置是低行驶阻力的车轮系统结构中从 动轮的安装位置；在这种由从动轮安装位置形成的几何区域内，原则上都可 以安装驱动轮。

低行驶阻力的车轮系统为多弹簧系统原理结构，从动轮弹簧系统调节平 衡ɑW运动质量，驱动轮弹簧系统调节平衡βW运动质量。

这种多弹簧系统结构在车辆纵向、横向均形成并联结构；驱动轮弹簧在 由从动轮多弹簧系统结构形成的几何区域内形成并联结构。

从动轮弹簧系统力学强度高于驱动轮弹簧系统，根据车辆总质量配比调 节弹簧系统力学强度，使之能够符合车辆系统结构选择的车轮系统结构载荷 系数比。

本发明的多弹簧系统原理结构可以参照多轴车辆的弹簧系统设定。

第三步骤建立驱动轮附着载荷自动控制系统

驱动轮附着载荷自动控制系统由附着载荷控制器、液压油缸、压力传感 器、车辆速度传感器、油门开度传感器等构成。以附着载荷控制器为系统核 心部件；液压油缸、压力传感器组成系统压力输出执行部件；压力传感器、 车辆速度传感器、油门开度传感器组成系统模式及控制量输入部件。

附着载荷控制器由专用单片计算机构成，储存有驱动轮载荷控制的数学 模型，由车辆速度传感器、油门开度传感器、单片计算机计时器提供汽车行 驶模式识别标志，单片计算机通过分析汽车行驶模式识别标志，确定汽车行 驶状态，给出相应的驱动轮载荷压力量，经液压油缸将这个压力加载于驱动 轮；这个经液压油缸加载于驱动轮的压力，由压力传感器检测后反馈给附着 载荷控制器，附着载荷控制器进行监控这个压力，使车辆保持附着力≧驱动 力的行驶状态。

第四步骤选择车轮系统的轮胎

一般车辆选择日常轮胎，不必使用专业轮胎。日常轮胎有子午线轮胎与 斜交轮胎两种类型；子午线轮胎的滚动阻力系数为0.016左右(与充气压力 关联)，斜交轮胎的滚动阻力系数为0.02以上(与充气压力关联)，用车轮 系统结构的行驶效率的比对方法，选择轮胎的使用类别。

车轮系统的轮胎全部使用子午线轮胎的方案，无疑是一种系统效率最高 的方案，有经济条件时可以采用子午线轮胎，此时，还应考虑到经济因素及 附着力因素。由于在低行驶阻力的车轮系统结构中，驱动轮载荷系数很小， 本发明提供一种从动轮使用子午线轮胎，而驱动轮用斜交轮胎的技术方案， 在能够大幅提高车轮系统结构的行驶效率的情况下，实现降低车轮系统造价 的目标。

车轮系统全子午线轮胎与从动轮使用子午线轮胎的效率比对表表2

本发明汽车低行驶阻力的车轮系统结构，从动轮使用子午线轮胎，驱动轮 使用斜交轮胎。

第五步骤确定车辆所需的驱动力

《汽车理论》中的汽车行驶方程式F_t＝F_f+F_i+F_w+F_j，基于驱动轮的运动 阻力大于从动轮滚动阻力的客观存在，这个公式是错误的。

本发明计算的车轮系统结构的行驶阻力为从动轮滚动阻力(ɑWf)与驱 动轮运动阻力(XβWf)之和；当驱动轮使用子午线轮胎时，X为2，使用斜 交轮胎时，X为3。

计算车辆所需的驱动力时，暂不考虑坡度阻力与加速阻力，汽车行驶方 程式简化为：F_t＝ɑWf+XβWf+F_w；计算依下列公式进行：

车轮系统运动阻力公式：F_f＝ɑWf+XβWf(本发明推导)；

空气阻力公式计算车辆的空气阻力：F_w＝1/2C_DApu_r²(《汽车理论》提供) 式中，CD为空气阻力系数，A为迎风面积，p为空气密度，ur为相对速度。

空气阻力与车轮系统结构的运动阻力之和，就是车辆行驶的运动阻力， 也是车辆所需要的驱动力。

第六步骤校验驱动轮附着力

由经上述计算后确定车辆所需驱动力后，校验由驱动轮载荷系数确定的 附着力，是否满足(附着力)≧F_t(驱动力)的必要条件，驱动轮的附着力 在驱动轮载荷系数0.1—0.25产生的范围内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

a.建立了汽车低行驶阻力的车轮系数结构的新模式；

b.建立了新的关键技术新概念：车轮载荷系数；车轮载荷系数比；车轮 系统结构载荷比系数；驱动轮附着载荷；

c.推导了车轮系统的运动阻力公式(F_f＝ɑWf+XβWf)；勘误了汽车行驶 方程式(F_t＝ɑWf+XβWf+F_i+F_w+F_j)；

d.界定了汽车车轮系统结构的车轮系统结构载荷比系数范围(3—9的 范围)与车轮系统结构的车轮载荷系数比的范围(0.75/0.25—0.90/0.10的范 围)；

e.提出了车轮系统从动轮使用子午线轮胎，驱动轮使用斜交轮胎的新方 案；

f.提出了车轮系统结构使用调节多弹簧系统力学指标，实现车轮系统结 构载荷比系数的技术方案；

g.界定了驱动轮附着力限制范围(驱动轮的附着力在驱动轮载荷系数 0.1—0.25产生的范围内)；

h.相对于传统车辆，本发明车轮系统机械效率提高50％以上，节能至少 30％。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

附图说明

图1为本发明所述车轮系统结构布局示意图；

图2为本发明所述车轮弹簧系统结构示意图；

图3为在从动轮几何区域内，驱动轮弹簧调节作用结构示意图；

图4为驱动轮弹簧力学指标自动调节系统的原理框图。

图中：1，2，3，4为从动轮；5为从动轮形成的几何区域；6，7为驱动 轮；8为从动轮弹簧；9为驱动轮弹簧；10为驱动轮的附着载荷控制器；12 为液压油缸；11为压力传感；13为速度传感器；14为油门开度传感器。

具体实施方式

本实施例所述的设置汽车低行驶阻力的车轮系统结构的方法分五个步骤 进行。

1、根据车辆用途、行驶特性选择车轮系统结构的车轮系统结构载荷比 系数

汽车车轮系统的运动阻力公式为：F_f＝ɑWf+XβWf，式中，ɑ为从动轮的 车轮载荷系数，β为驱动轮的车轮载荷系数，f为滚动阻力系数，驱动轮使用 子午线轮胎时X≧2，使用斜交轮胎时X≧3。由公式可知，降低车轮系统运 动阻力唯一有效的方法就是减小驱动轮的载荷系数。由于技术理论研究证明 驱动轮载荷系数为0.25就能够满足车辆附着力的要求，因此，低行驶阻力的 车轮系统结构驱动轮载荷系数的下限设定为0.25，上限为0.1。选择低行驶阻 力的车轮系统结构的简便方法是，通过车轮系统结构载荷比系数进行选择。

低行驶阻力的车轮系统结构的车轮系统结构载荷比系数(μ)是车辆从 动轮载荷系数(ɑ)与驱动轮载荷系数(β)之比，车辆车轮系统结构载荷比 系数越大车轮系统的行驶阻力越小，其节能效率就越高。

本发明的车轮系统结构载荷比系数在3—9的范围内，相当于车轮载荷系 数比在0.75/0.25—0.90/0.10的范围内；而传统汽车的车轮系统结构载荷比系 数≦1。

车轮系统结构载荷比系数与车轮载荷系数比的关系参见表1。

车轮系统结构载荷比系数为3左右的结构，驱动轮附着力大，适应于驱动 力需求相对较大的高风阻车辆；

车轮系统结构载荷比系数为4左右的结构，驱动轮附着力相应较大，适应 于驱动力需求相对较大的高速车辆；

车轮系统结构载荷比系数为5.67左右的结构，驱动轮附着力适中，适应 于驱动力需求相对适中的中速车辆；

车轮系统结构载荷比系数为9左右的结构，驱动轮附着力相应较小，适应 于驱动力需求相对较小的轻型车辆。

2、建立汽车低行驶阻力车轮系统的多弹簧系统原理结构

传统车轮系统车轮的安装位置是低行驶阻力的车轮系统结构中从动轮的 安装位置；在这种从动轮安装位置形成的几何区域内，原则上都可以安装驱 动轮。

如图1所示：从动轮1、2、3、4安装在传统车辆车轮位置，形成一个几何 区域5；驱动轮6、7安装在几何区域5内；

这种多弹簧系统结构在车辆纵向、横向均形成并联结构；驱动轮弹簧在 从动轮多弹簧系统结构形成的几何区域内形成并联结构。

如图2所示：从动轮弹簧8与驱动轮弹簧9构成多弹簧系统；在这个弹簧系 统中，从动轮1、3与2、4的弹簧8形成车辆纵向并联系结构，从动轮1、2与3、 4的弹簧8形成车辆横向并联结构，驱动轮6、7的弹簧9形成车辆横向并联结 构。

低行驶阻力的车轮系统结构类似多轴汽车的多弹簧系统原理结构，且从 动轮弹簧系统力学强度高于驱动轮弹簧系统；从动轮弹簧系统调节平衡ɑW 运动质量，驱动轮弹簧系统调节平衡βW运动质量；根据车辆总质量配比调 节驱动轮弹簧力学指标，实现车辆系统结构选择的车轮系统结构载荷系数比。

如图3所示：从动轮弹簧8形成一对承担车辆载荷的受力支撑点，驱动轮 弹簧9安装在从动轮弹簧8形成的受力支撑点中；调节驱动轮弹簧9或从动轮 弹簧8的力学强度，实现从动轮与驱动轮的载荷比系数。

3、建立驱动轮附着载荷自动控制系统

驱动轮弹簧在从动轮多弹簧系统结构形成的几何区域内,从动轮弹簧系统 承担了车辆载荷，自动调节驱动轮弹簧力学指标就能实现驱动轮附着力的调 节；用自动控制技术调节驱动轮弹簧的力学指标，就能实现驱动轮附着力的 自动调节，实现提高车辆行驶效率的技术目标。

如图4所示：驱动轮附着载荷控制器10由专用单片计算机构成，储存有驱 动轮载荷控制的数学模型，由车辆速度传感器13、油门开度传感器14、单片 计算机计时器提供汽车行驶模式的识别分析标志；驱动轮附着载荷控制器10， 通过分析汽车行驶模式识别标志的数据，确定汽车行驶状态，给出相应的驱 动轮载荷压力量，经液压油缸12将这个压力加载于驱动轮；这个经液压油缸 加载于驱动轮的压力，由压力传感器11检测后反馈给驱动轮附着载荷控制器 10，保障汽车行驶时驱动轮附着力≧驱动力的必要条件。

车辆行驶驶模式识别器的这种识别的标志具体为：

注：上述状态描述词语主要表示“变量取向性”

4、通过比对轮胎对行驶效率影响的方法选择轮胎质地

除了车辆载荷是影响车辆节能效率的主要因素外，在车辆结构内在因素 中，车轮系统的车轮系统结构载荷系数比与轮胎质地也是影响车辆节能效率 的主要因素。本方法介绍了选择低行驶阻力的车轮系统结构的车轮系统结构 载荷系数比的方法，选择车轮系统轮胎质地使用子午线轮胎与斜交轮胎的效 率比较方法。

需要重点关注的是，虽然子午线轮胎具有滚动阻力系数小的特点，业内 公认汽车使用子午线轮胎有节能的效果，但是申请人经过长期研究发现，由 于驱动轮有附着力有轮胎与地面接触强度的要求，当驱动轮载荷系数大幅降 低时，使用阻力系数小的轮胎是不恰当的，汽车低行驶阻力的车轮系统结构 要求驱动轮摩擦强度大。

车轮系统全子午线轮胎与从动轮使用子午线轮胎的效率比参见表2。

对于原使用子午线轮胎的车辆，改用低行驶阻力的车轮系统结构后，仍 然使用子午线轮胎，其节能效率增长比远不如原使用斜交轮胎的车辆，改用 从动轮使用子午线轮胎的车辆。

本发明汽车低行驶阻力的车轮系统结构，从动轮使用子午线轮胎，驱动 轮使用斜交轮胎。

5、确定车辆所需的驱动力

由于技术研究认为《汽车理论》中的汽车行驶方程式F_t＝F_f+F_i+F_w+F_j， 基于驱动轮的运动阻力大于从动轮滚动阻力的客观存在，这个公式是错误的。

本发明计算的车轮系统结构的行驶阻力为从动轮滚动阻力(ɑWf)与驱 动轮运动阻力(XβWf)之和；当驱动轮使用子午线轮胎时，X为2，使用斜 交轮胎时，X为3。

计算车辆所需的驱动力时暂不考虑坡度阻力与加速阻力，计算使用简化 的汽车行驶方程式：F_t＝ɑWf+XβWf+F_w。计算依下列公式进行：

车轮系统运动阻力公式：F_f＝ɑWf+XβWf(本发明推导)；

空气阻力公式计算车辆的空气阻力：F_w＝1/2C_DApu_r²(《汽车理论》提供) 式中，C_D为空气阻力系数，A为迎风面积，p为空气密度，u_r为相对速度。

空气阻力与车轮系统结构的运动阻力之和，就是车辆行驶的运动阻力， 也是车辆所需要的驱动力。

6、校验驱动轮附着力

用经上述计算后确定的车辆所需驱动力，校验由驱动轮载荷系数确定的 附着力，是否满足(附着力)≧F_t(驱动力)的必要条件，本发明驱动轮的 附着力在驱动轮载荷系数0.1—0.25产生的范围内。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发 明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对 本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。