輪胎高速力學(xué)特性影響因素研究

李論 張保軍 呂滿意 王偉 馮勇

（1.中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，長春 130013）

主題詞：輪胎 高速力學(xué)特性 影響因素 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)試驗

1 前言

我國從20世紀(jì)80年代開始逐步開展了輪胎力學(xué)特性研究[1]。輪胎高速力學(xué)特性受所處狀態(tài)的影響，同時還受到不同試驗條件的影響。文獻(xiàn)[2]分析了速度對穩(wěn)態(tài)側(cè)偏特性的影響，指出隨著速度增加，側(cè)偏剛度略有增大；文獻(xiàn)[1]進(jìn)一步指出，側(cè)偏剛度隨著速度的增加有上升趨勢，達(dá)到峰值后開始下降。本文嘗試從影響輪胎高速力學(xué)特性的幾個方面進(jìn)行試驗研究，以增進(jìn)對輪胎高速力學(xué)特性規(guī)律的認(rèn)識。

2 影響因素研究

輪胎運(yùn)動狀態(tài)包括靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)（或稱瞬態(tài)）等。車輛的操縱穩(wěn)定性很大程度上取決于輪胎的側(cè)偏特性。當(dāng)汽車在車速不太低的正常駕駛條件和良好路面上行駛時，其橫擺頻率一般低于2 Hz，此時輪胎的狀態(tài)近似表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)（準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)）[3]。

本文針對某品牌255/50R19 107W 規(guī)格輪胎，采用MTS Flat-Trac III CT 高速平帶式試驗臺，參照相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開展試驗研究。

2.1 穩(wěn)態(tài)測試研究

本文采用單點(diǎn)測試方法，分別開展了不同載荷Fz下的純側(cè)偏、純側(cè)傾試驗和側(cè)傾側(cè)偏試驗?？紤]到速度較高時輪胎磨損嚴(yán)重，試驗車速取為7.2 km/h，輪胎充氣壓力為240 kPa，試驗結(jié)果如圖1所示。

由圖1 可知：在低速純側(cè)偏工況下，隨著側(cè)偏角的增大，側(cè)向力趨于飽和，回正力矩先增大后減小，其峰值對應(yīng)的側(cè)偏角絕對值隨載荷增加而增大；在低速純側(cè)傾工況下，側(cè)向力與側(cè)傾角近似成線性關(guān)系，在小側(cè)傾角下，回正力矩與側(cè)傾角近似成線性關(guān)系，隨著側(cè)傾角增加，回正力矩趨于飽和；側(cè)傾角不為零時，側(cè)偏特性曲線相對側(cè)傾角為零時的曲線發(fā)生平移。

穩(wěn)態(tài)測試方法相對簡單，但存在效率低、輪胎磨損嚴(yán)重、輪胎使用量大的缺陷。同時，由于磨損嚴(yán)重，輪胎在試驗的初期和末期狀態(tài)差異較大，影響了數(shù)據(jù)的代表性，限制了該方法的使用。

圖1 穩(wěn)態(tài)側(cè)偏特性曲線

2.2 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)測試研究

與穩(wěn)態(tài)測試相比，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)測試具有效率高、對輪胎磨損少的特點(diǎn)。

對準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)測試結(jié)果有影響的試驗條件有載荷、輪胎滾動速度、充氣壓力、側(cè)偏角（或縱向滑移率）加載速率和側(cè)偏角（或縱向滑移率）加載方式等。本文以這些條件為變量，采用掃描方法，分別進(jìn)行了側(cè)偏試驗。

2.2.1 不同側(cè)偏角加載速率下準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)試驗

充氣壓力240 kPa、行駛速度7.2 km/h 工況下，不同側(cè)偏角加載速率的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)試驗曲線如圖2所示，側(cè)偏剛度和回正剛度變化曲線如圖3所示。

由圖2 可知：當(dāng)輪胎載荷增大時，側(cè)向力和回正力矩曲線的滯后環(huán)均隨之增大；隨著側(cè)偏角加載速率的增大，側(cè)向力和回正力矩曲線的滯后環(huán)均增大。

圖2 不同側(cè)偏角加載速率下側(cè)偏特性曲線

由圖3 可知，隨著加載速率增大，側(cè)偏剛度和回正剛度均下降（穩(wěn)態(tài)試驗時加載速率為0）。以6 kN 載荷為例，2°/s加載速率下側(cè)偏剛度和回正剛度較穩(wěn)態(tài)試驗時分別下降21.3%和16.4%，8°/s加載速率下側(cè)偏剛度和回正剛度分別下降41.8%和58.9%。

圖3 不同側(cè)偏角加載速率下剛度變化曲線

為便于對比，本文側(cè)偏剛度、回正剛度分別定義為[-1°,+1°]范圍內(nèi)側(cè)向力、回正力矩斜率的絕對值，側(cè)向力、回正力矩數(shù)據(jù)從側(cè)偏特性數(shù)據(jù)中截取。為采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)試驗代替穩(wěn)態(tài)試驗，在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)試驗時應(yīng)將側(cè)偏角加載速率控制在一定范圍內(nèi)。

2.2.2 不同行駛速度下準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)試驗

圖4 所示為充氣壓力240 kPa、載荷6 kN 工況下不同行駛速度下的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)試驗曲線。

由圖4 可知：當(dāng)路面速度增大時，側(cè)向力和回正力矩曲線的線性區(qū)滯后環(huán)均隨之減小，滑移區(qū)滯后環(huán)均增大。

2.2.3 不同氣壓下準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)試驗

圖5 所示為采用三角波加載方式，2 種氣壓下側(cè)偏特性對比曲線，試驗載荷為6 kN，行駛速度為7.2 km/h。圖6 為不同氣壓下的側(cè)偏剛度和回正剛度變化情況。

由圖6 可知：當(dāng)輪胎胎壓增大時，輪胎側(cè)偏剛度增大逐步變緩，回正剛度下降。

圖4 不同行駛速度下側(cè)偏特性曲線

2.2.4 側(cè)偏角不同加載方式下準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)試驗

圖7所示為側(cè)偏角采用正弦波和三角波兩種加載方式得到的試驗曲線，試驗載荷為6 kN，充氣壓力為240 kPa，行駛速度為7.2 km/h?？梢姴煌虞d方式下試驗結(jié)果差別較小，側(cè)偏角加載可選用正弦波和三角波方式。

圖5 不同氣壓下側(cè)偏特性對比曲線

圖6 不同氣壓下剛度變化曲線

圖7 不同加載方式對比曲線

2.3 非穩(wěn)態(tài)測試研究

輪胎側(cè)向瞬態(tài)特性的常用測試方法有剛度對比法和側(cè)偏角階躍法。對于MTS Flat-Trac III CT 試驗臺，在進(jìn)行側(cè)偏角階躍試驗時，垂直力控制包括位移控制和載荷控制兩種方式。目標(biāo)載荷分別為4.5 kN、7.5 kN、9.0 kN 時不同控制方式下的試驗結(jié)果如圖8所示，由圖8 可知：采用位移控制方式的垂向載荷波動分別為213.0 N、388.0 N、428.7 N，載荷的均方差分別為60.6 N、131.4 N、144.2 N；采用載荷控制方式的垂向載荷波動分別為213.2 N、158.9 N、208.9 N，載荷的均方差分別為53.2 N、43.7 N、48.3 N。可見載荷控制方式下輪胎載荷更穩(wěn)定。側(cè)向力和回正力矩是側(cè)偏角和垂直載荷的函數(shù)，在進(jìn)行側(cè)偏角階躍試驗時應(yīng)保證輪胎載荷固定，以保證精度。本文推薦采用載荷控制方式進(jìn)行輪胎側(cè)偏角階躍試驗。

圖8 不同控制方式時的試驗曲線

2.4 輪胎磨損研究

隨著輪胎的磨損，輪胎力學(xué)特性將發(fā)生變化。為研究輪胎力學(xué)特性隨磨損量的變化規(guī)律，對某品牌215/55R17 94V 規(guī)格輪胎進(jìn)行了胎面不同磨損量時的側(cè)偏特性試驗研究，試驗充氣壓力為230 kPa，行駛速度為7.2 km/h。試驗結(jié)果分別如圖9、圖10所示，其中預(yù)跑后指預(yù)跑程序完成后進(jìn)行的測試，預(yù)跑的磨損量很小。

圖9 不同載荷下磨損量對輪胎力學(xué)特性的影響曲線

從試驗結(jié)果可知，輪胎磨損程度對輪胎側(cè)偏特性影響較大，主要影響側(cè)偏剛度、回正剛度、側(cè)向力穩(wěn)態(tài)值和峰值、回正力矩穩(wěn)態(tài)值和峰值等參數(shù)。側(cè)偏剛度在初始階段下降，在正常使用階段隨磨損量的增加而增大；在大載荷下，正常使用階段側(cè)偏剛度隨磨損量變化不大，略有減小；回正剛度、側(cè)向力峰值、回正力矩峰值隨磨損量的增加而增大；在不考慮輪胎早期磨損的情況下，側(cè)偏剛度和回正剛度與磨損量近似成線性關(guān)系；當(dāng)側(cè)偏角增大到一定程度（如18°）時，回正力矩隨磨損量的增加而增加。輪胎側(cè)偏剛度初始值較大是由于輪胎早期的粘彈性部分恢復(fù)造成的[4]。

圖10 不同磨損量時的剛度隨載荷的變化

為定量分析輪胎側(cè)偏剛度和回正剛度隨輪胎磨損量的變化規(guī)律，在不考慮輪胎預(yù)跑等引起的早期磨損的情況下，側(cè)偏剛度和回正剛度與輪胎磨損量近似成線性，采用線性擬合，結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同磨損量時的剛度擬合曲線

從擬合結(jié)果可看出：在4 kN載荷下，1 mm的胎面磨損使得側(cè)偏剛度、回正剛度相對理想初始剛度分別增大71.3 N/(°)、7.7 N·m/(°)，增加比例分別為5.3%、18.6%；5 mm 的胎面磨損使得側(cè)偏剛度、回正剛度相對理想初始剛度分別增大356.5 N/(°)、38.7 N·m/(°)，增加比例分別為26.4%、93.1%。可見胎面磨損對側(cè)偏剛度影響較大，對回正剛度影響更大。

需要說明的是，理想初始剛度是由擬合表達(dá)式計算得到的磨損量為0 時的剛度值，是外推值，不同于無磨損時的測試值。

輪胎胎面磨損導(dǎo)致側(cè)偏剛度及回正剛度發(fā)生變化，進(jìn)而影響整車不足轉(zhuǎn)向度。以某款SUV 車型為例，經(jīng)計算，其他條件不變的情況下，只考慮輪胎磨損引起的整車不足轉(zhuǎn)向度的變化率接近8%，如表1所示（其中的剛度數(shù)據(jù)是在剛度測試基礎(chǔ)上，依據(jù)實車載荷插值計算得到的）。

表1 磨損對不足轉(zhuǎn)向度影響

由表1 可知，在進(jìn)行輪胎力學(xué)特性試驗、整車性能試驗時控制磨損量非常必要，在整車動力學(xué)仿真時需要考慮輪胎磨損對車輛性能的影響。

3 結(jié)論

a.與穩(wěn)態(tài)測試方法相比，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)試驗方法試驗效率高，且輪胎在試驗過程中磨損少，試驗數(shù)據(jù)更有代表性，是一種合理可行的試驗方法；

b.在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)試驗過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制試驗條件，合理選擇試驗參數(shù)，其原則是兼顧試驗效率和輪胎磨損，設(shè)定合理的輪胎磨損限值，在試驗過程中應(yīng)監(jiān)控輪胎磨損量，及時更換輪胎；

c.胎面磨損對側(cè)偏剛度影響較大，對回正剛度影響更大，在整車主客觀試驗、動力學(xué)仿真時需要考慮輪胎磨損對車輛性能的影響。