轮胎力学特性对车辆行驶稳定性、平顺性以及安全性等均有重大影响。而轮胎-路面摩擦特性是研究轮胎力学特性的关键,复杂环境工况和行驶工况下,不同速度、路面及环境因素等条件下轮胎力学特性的变化都与摩擦特性密切相关。由于橡胶摩擦特性研究为交叉学科,包含了橡胶物理特性材料学、路面特征统计学、接触理论以及工程力学等等,诸多的因素使得橡胶摩擦机理的研究一直是当前轮胎工程界与学术界的难点,亦是亟需解决、极具有挑战性的课题。然而,目前典型的轮胎模型尚只能表达单一环境工况(如单一路面、单一速度等),针对复杂环境和行驶工况下的轮胎力学特性的研究和建模还很不充分。主要体现在以下因素:(1)复杂工况因素颇多,包含了汽车行驶时的路面条件、气候等环境因素和承载、行驶速度等客观条件;(2)试验测试的客观因素,如试验难度大、周期长、成本高,完全考虑各种影响因素的轮胎试验几乎是做不到的;(3)轮胎力学特性研究为交叉学科,受材料学、摩擦学等影响,这些因素均加大了轮胎力学特性深入研究的难度。因此研究胎面橡胶的摩擦机理,并建立考虑轮胎滚动速度及路面等复杂因素影响、具有表达精度高、参数物理意义明确,并具有合理预测能力的轮胎模型,具有重要的理论和现实意义。因此本文利用分形几何与接触力学等理论,研究胎面橡胶摩擦机理,并结合柔性胎体离散胎面建模理论和半经验建模方法,针对不同速度、路面等复杂工况轮胎力学特性进行相关理论和试验研究。主要研究内容如下:首先,研究橡胶摩擦机理,建立胎面橡胶微观解析摩擦模型。将橡胶的摩擦分别从滞后摩擦和粘性摩擦两部分进行剖析,利用橡胶变形中能量守恒以及分子的表面能相关机理,分析研究了粘性、滞后摩擦产生机理,建立了简化的摩擦模型,并研究了滞后、粘性摩擦与橡胶复合模量等的关系;在此基础上,利用Persson接触理论,进一步建立了胎面橡胶微观解析的一般摩擦理论模型,该模型中,包括橡胶的超弹性、粘弹性、时温转换等物理参数以及路面的功率谱、分形理论等因素;最后,进行了相关试验研究与理论模型验证,该模型中各参数具有明确的物理意义,便于准确把握橡胶摩擦力学特性的宏观规律,对湿滑、冷冰路面同样具有较好的表达效果,为后文分析轮胎不同速度、路面等因素下的复杂工况轮胎力学特性分析提供基础。其次,建立了考虑微观橡胶摩擦特性和胎体弹性的复杂工况下轮胎侧偏精细理论模型。重点从轮胎路面接触印迹内摩擦应力分布的机理上来分析讨论印迹内复杂的胎体胎面的应力应变、滑移速度、摩擦等分布情况,及对不同速度、路面等因素下轮胎力学差异的影响分析。根据轮胎刷子接触印迹内变形机理,建立了简化的理论模型,实现了其力学特性解析表达,结果表明简化的理论模型在不同速度、路面等复杂工况下的力学表达有所欠缺。基于此,本文建立了考虑橡胶摩擦特性、胎体弹性的稳态精细理论刷子模型,分析讨论了印迹内复杂的胎体胎面的应力、应变、滑移速度、摩擦等分布情况,针对印迹内的分析,解释并剖析了几种典型复杂工况下轮胎力学特性的诸多现象,结果表明该考虑了接触印迹内摩擦特性的精细理论模型能够表达不同速度、路面及冰面不同温度等复杂因素对轮胎关键力学特性的影响。然后,以理论模型为基础,建立了能够反映车辆复杂运行工况的Uni Tire实用半经验模型。基于前文所以建立的考虑摩擦分布的理论基础上,引入等效压力分布与平均摩擦系数概念,证明了考虑一般摩擦特性的轮胎模型具有与常摩擦系数时相同的无量纲形式,从而保证了Uni Tire半经验模型中理论框架的正确性;推导并证明了其同样具有高阶理论边界条件。建立了考虑微观解析摩擦模型的不同复杂工况下Uni Tire扩展模型,并通过台架测试获取的试验数据对所建立的扩展模型进行验证,结果显示模型具有很好的表达能力和精度。最后,分析Uni Tire复杂工况预测能力以及轮胎试验设备研究。首先分析实现复杂工况轮胎力学特性预测的必要前提条件,然后详细介绍了复杂工况的预测流程,并从两部分进行了轮胎力学复杂工况的预测,包含可以和难以试验获取的复杂工况预测。结果表明以理论模型为框架的Uni Tire复杂工况的半经验模型具有良好的力学延展性和预测能力,在大幅度降低试验工作量的同时,依然具有较高的预测精度,另外可以实现台架难以获取的、但实际中经常遇到的复杂工况下轮胎力学特性的预测表达,具有重要的工程意义。其次,分析了国内外轮胎台架的情况,阐述目前使用较多的A字架结构复合姿态运动耦合的现象,基于此采用了新型六自由度结构,该结构没有复合姿态运动耦合,并且具有较高的姿态控制精度。另外,本文探索性分析了高速轮胎试验台的核心技术,对钢带的主、被动跑偏进行了相关机理分析,以及相关规律研究,并初步应用于实际中,获得了较好的控制结果。为该具有国际前沿的科学技术设备进行了一定的理论和实践探索,为获取更准确的轮胎力学特性提供了试验物质条件。本文主要创新点如下:(1)系统深入揭示了橡胶滞后、粘性摩擦的微观机理,提出了能够表达复杂因素影响的胎面橡胶微观解析摩擦模型;(2)建立了考虑接触印迹内摩擦分布的复杂工况下轮胎精细的理论模型,从机理角度解释并剖析了轮胎在不同速度、路面等复杂工况下力学差异性的原因;(3)建立了满足高阶理论边界条件的变摩擦系数下Uni Tire无量纲理论扩展模型,完善了Uni Tire半经验模型在复杂工况下的高精度表达和预测能力。