轻型货车悬架系统的设计_轻型货车悬架设计

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第1章 绪 论

1.1 汽车悬架概述

悬架由弹性元件、导向装置、减振器、缓冲块和横向稳定器等组成。导向装置由导向杆系组成，用来决定车轮相对对于车架(或车身)的运动特性，并传递除弹性元件传递的垂直力以外的各种力和力矩。当用纵置钢板弹簧作弹性元件时，它兼起导向装置作用。缓冲块用来减轻车轴对车架(或车身)的直接冲撞，防止弹性元件产生过大的变形。装有横向稳定器的汽车，能减少转弯行驶时车身的侧倾角和横向角振动。

根据导向机构的结构特点，汽车悬架可分为非独立悬架和独立悬架两大类。非独立悬架的鲜明特色是左、右车轮之间由一刚性梁或非断开式车桥联接，当单边车轮驶过凸起时，会直接影响另一侧车轮[1]。独立悬架中没有这样的刚性梁，左右车轮各自“独立”地与车架或车身相连或构成断开式车桥，按结构特点又可细分为横臂式、纵臂式、斜臂式等等，它的主要功用如下：缓和、抑制由于不平路面所引起的振动和冲击，以保证汽车的行驶平顺性； 2 迅速衰减车身和车桥(或车轮)的振动；传递作用在车轮和车架(或车身)之间的各种力(驱动力、制动力、横向力)和力矩(制动力矩和反作用力矩)；保证汽车行驶稳定性。

为了完成1、2项功能，悬架使用了弹簧和减震器。汽车悬架常用的弹性元件有钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、橡胶弹簧及空气弹簧等。减震器有多种形式，现在最常用的是筒式减震器。

为了完成3、4项功能，悬架采用了适当的导向干系把车架(车身)与车轴(车轮)联接起来。导向杆系有多种新式，可单独用其中的一种，也可将几种配合起来使用。钢板弹簧悬架中的钢板弹簧不仅用作弹性元件而且兼起导向的作用。

为了减轻车轴对车架(或车身)的直接冲撞，采用了缓冲块。为了减小车身的侧倾角，有的汽车还装有横向稳定杆[2]。

钢板弹簧简介

电子器件，可使悬架的稳定性得到保证因此，主动悬架的平顺性和操纵稳定性是最好的，是汽车悬架必然的发展方向。由于种种原因，我国的汽车绝大部分采用被动悬架。被动式悬架汽车姿态（状态）只能被动地取决于路面及行驶状况和汽车的弹性元件，导向机构以及减振器这些机械零件[4]。1934年世界上出现了第一个由螺旋弹簧组成的被动悬架。被动悬架的参数根据经验或优化设计的方法确定，在行驶过程中保持不变，它是一系列路况的折中，很难适应各种复杂路况，减振的效果较差。为了克服这种缺陷，采用了非线性刚度弹簧和车身高度调节的方法，虽然有一定成效，但无法根除被动悬架的弊端。被动悬架主要应用于中低档轿车上，现代轿车的前悬架一般采用带有横向稳定杆的麦弗逊式悬架，比如桑塔纳、夏利、等车，后悬架的选择较多，主要有复合式纵摆臂悬架和多连杆悬架。被动悬架是传统的机械结构，刚度和阻尼都是不可调的，依照随机振动理论，它只能保证在特定的路况下达到较好效果。但它的理论成熟、结构简单、性能可靠，成本相对低廉且不需额外能量，因而应用最为广泛[5]。在我国现阶段，仍然有较高的研究价值。被动悬架性能的研究主要集中在三个方面:①通过对汽车进行受力分析后，建立数学模型，然后再用计算机仿真技术或有限元法寻找悬架的最优参数;②研究可变刚度弹簧和可变阻尼的减振器，使悬架在绝大部分路况上保持良好的运行状态;③研究导向机构，使汽车悬架在满足平顺性的前提下，稳定性有大的提高。

1.3 研究的背景及意义

自主开发是中国汽车产业持续发展的保障。我国汽车产业在经过半个世纪的发展，已经初具规模，但是面临着能源紧张、技术落后、自主品牌严重缺乏以及国际竞争加剧带来的压力[6]。我国的汽车产业要加速、持续和健康的发展，并成为我国国民经济的支柱产业，必须坚持产业创新，选择面向自主发展具有中国特色的产业创新模式，推动汽车产业结构的升级、技术的进步、以及民族品牌的崛起。

轻型货车在我国应用较广，其中悬架是轻型货车的的主要部件，其设计的成功与否决定着车辆的行驶平顺性和操纵稳定性、舒适性等多方面的设计要求。设计出结构简单、工作可靠、造价低廉的悬架系统，能大大降低整车生产的总成本，推动汽车经济的发展。所以本题设计一款结构优良的轻型货车悬架系统具有一定的实际意义。

第2章 悬架的结构形式分析及选择

2.1 非独立悬架和独立悬架

汽车的悬挂系统分为非独立悬挂和独立悬挂两种，非独立悬挂的车轮装在一根整体车轴的两端，当一边车轮跳动时，另一侧车轮也相应跳动，使整个车身振动或倾斜；独立悬挂的车轴分成两段，每只车轮由螺旋弹簧独立安装在车架下面，当一边车轮发生跳动时，另一边车轮不受影响，两边的车轮可以独立运动，提高了汽车的平稳性和舒适性。（如图2.1）

图2.1悬架的结构形式简图

非独立悬架以纵置式钢板弹簧为弹性元件兼起导向装置，其主要特点是：结构简单，制造容易，维修方便，工作可靠。缺点是：由于整车布置上的限制，钢板弹簧不可能有足够的长度（特别是前悬架），使之刚度较大，所以汽车平顺性较差；簧下质量大；在不平路面上行驶时，左、右车轮相互影响，并使车轴和车身倾斜；当两侧车轮不同步跳动时，车轮会左、右摇摆，使前轮容易产生摆振。当轮跳动时，悬架易于转向传动机构产生运动干涉；当汽车直线行驶在凹凸不平的路段上时，由于左右两侧车轮反向跳动或只有一侧车轮跳动时，不仅车轮外倾角有变化，还会产生不利的轴转向特性；汽车转弯行驶时，离心力也会产生不利的轴转向性；所以汽车高速行驶时操作稳定性差。非独立悬架常用在货车，大客车的前，后悬架以及某些轿车的后悬架[1]。

独立悬架的结构特点是两侧的车轮各自独立地与车架或车身弹性连接。与非独立悬架相反，独立悬架很少用钢板弹簧作为弹性元件，而多采用螺旋弹簧和扭杆弹簧作为弹性元件，因而具有导向机构。与非独立悬架相比，独立悬架具有更多优点：①悬架弹性元件的变形在一定的范围内，两侧车轮可以单独运动而互不影响，这样可减少车架和车身在不平道路上行驶时的振动，而且有助于消除转向

c的条件下，增大悬架的倾斜角刚度。

缓冲块: 有些由橡胶制造（如图a），通过硫化将橡胶与钢板连接为一体，再经焊在钢板上的螺钉将缓冲块固定到车架（车身）或其它部位上，起到限制悬架最大行程的作用, 还有些由多孔聚氨指制成（如图b），它兼有辅助弹性元件的作用。这种材料起泡时就形成了致密的耐磨外层，它保护内部的发泡部分不受损伤。由于在该材料中有封闭的气泡，在载荷作用下弹性元件被压缩，但其外廓尺寸增加却不大，这点与橡胶不同。有些汽车的缓冲块装在减振器上[1]。

图2.3橡胶缓冲块

图2.4由多空聚氨酯制成的辅助弹性元件形状

本设计采用的缓冲块为图a，用螺钉固定在车架上，限制悬架的最大行程。

2.4 本章小结

在第本章中主要是对悬架进行了介绍，并确立了前后悬架的选择形式：前悬架 麦弗逊式独立悬架；后悬架钢板弹簧式非独立悬架。对辅助元件进行了介绍和选择。

3.2 悬架静挠度fc

静挠度：汽车满载静止时悬架上的载荷

Fw

与此时悬架刚度c之比，即fcFw/c由已知参数可知，频率n1=1.15Hz.载簧质量m1=463Kg 由公式

n1c1/m1/2可知

（3.1）

c12n1m123.141.154632414.8N/cm（3.2）fcFw/cmg/c4639.8/6372mm（3.3）3.3悬架的动挠度fd

动挠度：从满载静平衡位置开始悬架压缩到结构允许的最大变形（通常指缓冲块压缩到其自由高度的1/2或2/3）时，车轮中心相对车回（或车身）的垂直位移 对乘用车，fd取7~9cm;对客车，fd取5~8cm；对货车，fd取6~9cm 这里取fd=7cm.3.4悬架弹性特性

悬架受到的垂直外力F与由此所引起的车轮中心相对于车身位移厂(即悬架的变形)的关系曲线称为悬架的弹性特性。其切线的斜率是悬架的刚度。悬架的弹性特性有线性弹性特性和非线性弹性特性两种。当悬架变形f与所受垂直外力F之间呈固定比例变化时，弹性特性为一直线，称为线性弹性特性，此时悬架刚度为常数。当悬架变形f与所受垂直外力F之间不呈固定比例变化时，弹性特性如图所示。此时，悬架刚度是变化的，其特点是在满载位置(图中点8)附近，刚度小且曲线变化平缓，因而平顺性良好；距满载较远的两端，曲线变陡，刚度增大。这样可在有限的动挠度

fd范围内，得到比线性悬架更多的动容量。悬架的动容量系指悬架从静载荷的位置起，变形到结构允许的最大变形为止消耗的功。悬架的动容量越大，对缓冲块击穿的可能性越小。空载与满载时簧上质量变化大的货车和客车，为了减少振动频率和车身高度的变化，应当选用刚度可变的非线性悬架二轿车簧上质量在使用中虽然变化不大，但为了减少车轴对车架的撞击，减少转弯行驶时的侧倾与制动时的前俯角和加速时的后仰角，也应当采用刚度可变的非线性悬架[11]。

第4章 弹性元件的计算

4.1 钢板弹簧的布置方案的选择

钢板弹簧在汽车上可以纵置也可以横置, 纵向布置时还具有导向传力的作用,并有一定的减震作用，连得因而使的悬架系统结构简化。而横向布置时因为要传递纵向力，必须设置附加的导向传力装置，使结构复杂、质量加大，所以只在极少数汽车上应用。如下图所示,它中部用U型螺栓将钢板弹簧固定在车桥上。悬架前端为固定铰链，也叫死吊耳。它由钢板弹簧销钉将钢板弹簧前端卷耳部与钢板弹簧前支架连接在一起，前端卷耳孔中为减少摩损装有衬套。后端卷耳通过钢板弹簧吊耳销与后端吊耳与吊耳架相连，后端可以自由摆动，形成活动吊耳。当车架受到冲击弹簧变形时两卷耳之间的距离有变化的可能[10]。

图4.1钢板弹簧的布置图

4.2 钢板弹簧主要参数的确定

TM1021 轻型货车相关参数∶悬架静挠fc=72mm，悬架动挠度fc=70mm，轴距Z=3025mm, 单个钢板弹簧的载荷

mg9349.84578N（4.1）

Fw1224.2.1满载弧高

满载弧高fa是指钢板弹簧装到车轴（桥）上，汽车满载时钢板弹簧主片上表面与两端（不包括卷耳孔半径）连线间的最大高度差。常取fa=10~20mm，这里取fa=10mm.。

1.5

1.04110.96（4.3）

E2.06105MPa（4.4）

cFwfc4578N63.59N/mm（4.5）72mm3总惯性矩

3J0Lksc1150063.590.969390（4.6）

48E5482.0610FwLks4w钢板弹簧总截面系数W0用下式计算

W0 式中：

（4.7）

w——许用弯曲应力。

对于55SiMnVB或60Si2Mn等材料，表面经喷丸处理后，推荐2w在下列范

2围内选取；前弹簧和平衡悬架弹簧为350-450N/mm；后副簧为220-250N/mm,这里取w=450N/mm,所以

2W0FwLks56351000 3130mm3（4.8）

4w4450293906mm（4.9）3130钢板弹簧的平均厚度:

hp2J0/w0有了hp以后，再选钢板弹簧的片宽b 片宽b对汽车性能的影响：

（1）增大片宽，能增加卷耳强度，但当车身受侧向力作用倾斜时，弹簧的扭曲应力增大。

（2）前悬架用宽的弹簧片，会影响转向轮的最大转角。片宽选取过窄，又得增加片数，从而增加片间的摩擦弹簧的总厚（3）推荐片宽与片厚的比值b/本设计中取b=50mm 2.钢板弹簧片厚h的选择

37.吊耳及钢板弹簧销的结构

大多数板簧的支承方式为一端采用固定的卷耳，另一端采用摆动的吊耳。摆动吊耳的结构可以用C形、叉形以及分体式等。弹簧销的支承、润滑可用螺纹式、自润滑式、滑动轴承、橡胶支承或者将板簧支承在橡胶座内。自润滑式多用于轿车及轻型载货汽车，具有不必加润滑脂及噪声小的优点。

本设计中采用自润滑式弹簧销结构。8.少片弹簧

少片弹簧在轻型车和轿车上得到越来越多的应用。其特点是叶片由等长、等宽、变截面的1～3片叶片组成。利用变厚断面来保持等强度特性，并比多片弹簧减少20％～40％的质量。片间放有减摩作用的塑料垫片，或做成只在端部接触以减少片间摩擦。如图4.2所示单片变截面弹簧的端部CD段和中间夹紧部分AB段是厚度为h1和h2的等截面形，BC段为变厚截面。BC段厚度可按抛物线形或线性变化。

图4.2单片弹簧和少片弹簧

4.3 钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算

图4.3钢板弹簧各片自由状态下的曲率半径

1.钢板弹簧总成在自由状态下的弧高H0

钢板弹簧各片装配后，在预压缩和U形螺栓夹紧前，其主片上表面与两端（不包括卷耳孔半径）连线间的最大高度差（如图4.3），称为钢板弹簧总成在自由

5R0——钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径（mm）；

0i——各片弹簧的预应力（N/mm2）；

2E——材料弹性模量（N/mm），取R1R2R3541mm；

hi——第i片的弹簧厚度（mm）。

RiR01836541mm5120iR0/Ehii1218781836/2.061014

(4.19)R1R2R3541mm(4.20)在已知钢板弹簧总成自由状态下曲率半径R0和各片弹簧预加应力0i的条件下，计算出各片弹簧自由状态下的曲率半径Ri。选取各片弹簧预应力时，要求做到：装配前各片弹簧片间间隙相差不大，且装配后各片能很好贴和；为保证主片及其相邻的长片有足够的使用寿命，应适当降低主片及与其相邻的长片的应力。这此，选取各片预应力时，可分为下列两种情况：对于片厚相同的钢板弹簧，各片预应力值不宜选取过大；对于片厚不相同的钢板弹簧，厚片预应力可取大些。推荐主片在根部的工作应力与预应力叠加后的合成应力在300-350N/mm2内选取。1-4片长片叠加负的预应力，短片叠加正的预应力。预应力从长片到短片由负值逐渐递增至正值。

4.4 钢板弹簧的刚度验算

图4.4单片变截面弹簧的一半

变截面钢板弹簧的尺寸如图4.4所示,此时厚度hx随长度的变化规律为壁厚按一般情况选择为2mm 5.4 本章小结

本章主要对减震器进行了介绍和选择，本设计采用双向作用筒式减震器，并对减震器的一般尺寸进行了计算工作缸直径D为60 壁厚为2，对减震器主要性能参数进行了计算。

第6章 导向机构的设计

6.1导向机构的布置参数

1、麦弗逊式独立悬架的侧倾中心

麦弗逊式独立悬架的侧倾中心由如图6.1所示方式得出。从悬架与车身的固定连接点E作活塞杆运动方向的垂直线并将下横臂线延长。两条线的交点即为极

9轮荷变 化小。因此，在独立悬架中，侧倾中心高度为： 前悬0～120mm，后悬80～150mm。

此次设计的前悬侧倾中心高度为46mm，因而设计符合要求。

2、侧倾轴线

在独立悬架中，汽车前部与后部侧倾中心的连线成为侧倾轴线，侧倾轴线应大致与 地面平行，且尽可能离地面高些。平行是为了是为了使得在曲线行驶前、后轴上的轴荷 变化接近相等从而保证中性转向特性；而尽可能高则是为了使车身的侧倾限制在允许的范围内。

3、纵倾中心

麦弗逊式独立悬架的纵倾中心，可由E点作减振器运动方向的垂直线。该垂直线与横臂轴D的延长线的交点O即为纵倾中心，如图6.2所示

图6.2 麦弗逊式独立悬架的纵倾中心

6.2 麦弗逊式悬架导向机构设计

1、导向机构受力分析

1瞬心交于无穷远处，主销轴线在悬架跳动时作平动。因此，0值保持不变。当-β与0的匹配使运动瞬心C交于前轮后方时(图6.4a)，在悬架压缩行程，0角有增大的趋势.当-β与0的匹配使运动瞬心C交于前轮前方时(图6.4b)，在悬架压缩行程，0角有减小的趋势。

为了减少汽车制动时的纵倾，一般希望在悬架压缩行程主销后倾角0有增加的趋势。

因此，本设计选择参数β能使运动瞬心C交于前轮后方。

3、摆臂长度的确定

图6.5 麦弗逊式独立悬架运动特性

图6.5为某轿车采用的麦弗逊式前悬架的实测参数为输人数据的计算结果。图中的几组曲线是下摆臂“取不同值时的悬架运动特性。由图可以看出，摆臂越长，BY曲线越平缓，即车轮跳动时轮距变化越小，有利于提高轮胎寿命。主销内倾角γ车轮外倾角δ和主销后倾角λ曲线的变化规律也都与BY类似，说明摆臂越长，前轮定位角度的变化越小，将有利于提高汽车的操纵稳定性[10]。

所以在本设计中，在满足布置要求的前提下尽量加长摆臂长度。

6.3本章小结

本章对悬架的导向机构进行了计算，重点是侧倾中心的计算计算得侧倾中心

参考文献

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[15] 陈家瑞.汽车构造（M）.北京:机械工业出版社.2000；

附 录

附录A The frame is the most basic test bench car, all the suspension and turned to connect components are installed in frame above.If car frame flexible is too big, can make cars can neither turned, also cannot normal control.And if the car too rigid frame structure, and would cause unneceary vibration paed to the driver and paenger's seat cabins.Auto frame and suspension structure design is not only the vehicle noise size and the decision of the vibration amplitude strength, but also will affect the quality of the car and the normal control vehicle.Car manufacturers in their production car are used in several different frame structure.Among them, through the seventy s the most commonly used is shell and girders of fiion structure.At present it is still in large trucks, small tonnage truck and a truck on the application.In car shell and the beam structure in the fiion, engine, transmiion device, transmiion gear and the car is through shell insulation devices in the body on the sole fixed.The frame of the internal insulation devices is artificial rubber pad to be able to stop road uneven and engine noise and vibration of the work related to the driver and paenger's cockpit.The second is the single structure of automobile frame.This kind of design so far in the modern car is the most commonly used.According to the strength of the frame monomer to points, design have light structure.In this car structure as part of the beam frame welding to be directly on the shell.The weight of the chais increased the strength of the beam.Transmiion gears and transmiion device via big and soft artificial rubber insulation mat installed in the frame monomer.Insulation pad weakened the noise transmiion and vibration.If the insulation pad too soft, will cause transmiion gears and transmiion device displacement.The displacement called soft quantity, it will affect the manipulation of

73)Quality, light weight, small to minimize reciprocating inertia force.Aluminum alloy material basically meet the above requirements, therefore, the piston typically use the high-strength aluminum alloy, but in some low speed diesel engine USES the senior cast iron or heat resistant steel.Suspension system Suspension shock absorbers and control including a spring, connecting rod device.It must be able to support the body weight and enough to load.Suspension also should be able to withstand the engine and braking to it an opposite reaction.Suspension system is the most important function of the tire and road surface contact time as far as poible the long.In support of body and load, even in rough roads should be more so.The four tire tread come in contact with the car is the only part.All output power, engine to force and power system through come in contact with the pavement of the tire tread work.Whenever tires and road surface contact or car started when the car skid, control ability(power, to force, braking force)will be weakened or even lost.Car body is supported by spring, spring can be divided into the spiral, steel plate type, twist bar type and inflatable.The spiral spring is the most widely used in modern car type.The spiral, torsion bar type and inflatable spring is need to use the connecting rod and connecting with the wheel arm in place.Leaf spring provide the horizontal and vertical vehicle control, in order to prevent the car wheel in cars, they often unneceary displacement with truck in the van and truck.Suspension system is along with the development of the paenger car and change and improvement.A luxury car, special vehicle, small cars and light trucks are designed completely different.Modern tire improvement continuously improve the vehicles operating performance, it is the improvement and shock absorbers, steering system and suspension control device of synchronous improvement together.In modern car of the manipulation conditions need to tires and the road, so that safe, correct contact to control and motor vehicles.To want to maximum driving safety, to remember this four tires must in any time and the road phase contact.At the same time to consider the vehicle steering flexibility, tire wear resistance, automobile driving comfort and driving safety, in order to achieve the effective control of the car.Suspension system is divided into front suspension and after suspension.The front suspension design has been rapid development.From relatively coarse hard shaft structure to the development of the modern light, high strength, support type independent suspension structure, and by increasing the connecting rod device and make the car's performance is improved.Suspension structure is improved with the improvement of the road, and drivers need and the improvements.Most lead the engine, rear wheel drive car USES a simple after the dependency of the suspension.But a rear wheel drive independent suspension structure is complex, and high cost, and only used for a bus.To lead the engine of the car front wheel drive, through the transmiion device, moved to the front suspension after only used to regulate driving control and the reaction of braking.This has the simplified of independent suspension institutions, half independent suspension institutions and independent suspension after the application, the latter a large institutions used in the design of the structure of new

9乘客乘坐舒适。绝缘垫的性能随使用年限发生变化，当汽车变旧时原先的性能也随之改变。

第三种结构是把前两种结构的主要特点结合在一起。它在汽车前舱使用了短车梁，在汽车后舱使用了单体车架。单体部分刚性很大，而短的车梁增强了绝缘作用。

汽车制造厂家们在汽车上选择那种生产成本低而同时又符合对噪音震动，驾驶操纵性能要求很高的车架结构。老式的大型的车辆、货车、和卡车通常使用壳体和大梁的分体结构。较新的，较小型的车辆通常使用单体结构的车架。发动机活塞连杆组

活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆轴瓦等组成。

功用：活塞的功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转，活塞顶部还是燃烧室的组成部分。工作条件：活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达2500K以上，因此，受热严重，而散热条件又很差，所以活塞工作时温度很高，顶部高达600～700K，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是作功行程压力最大，汽油机高达3～5MPa，柴油机高达6～9MPa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用，因此，活塞应有足够的耐热性，要尽量减小活塞的受热面，加强活塞的冷却，适当增大传热面，使活塞顶部的最高温度下降。活塞在气缸内以很高的速度(8～12m/s)往复运动，且速度在不断地变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。为了减小往复惯性力，必须尽可能地减轻活塞的重量。活塞是在高温、高压、高速（活塞平均速度可达101115m/s）的条件下工作的，其润滑条件较差，活塞与气缸壁间摩擦严重。为减小摩擦，活塞表面必须耐磨。

要求：1)要有足够的刚度和强度，传力可靠；

2)导热性好，耐高压、耐高温、耐磨损；

3)质量小，重量轻，尽可能减小往复惯性力。

铝合金材料基本上满足上面的要求，因此，活塞一般都采用高强度铝合金，但在一些低速柴油机上采用高级铸铁或耐热钢。

悬架包括弹簧，避震器和控制连杆装置。它必须能够足以支撑车身自重和负载。悬架也应能够承受发动机和制动对它的反作用力。悬架系统最重要的作用是使轮胎与路面接触的时间尽可能的长。在支撑车体和负载时，甚至在高低不平的道路上行驶时更加应如此。这四个轮胎的胎面是车与路面相接触的唯一的部位。