輪轂寬度對操縱穩(wěn)定性的影響研究

巫升斌 董幸之 謝偉忠 王中興 辛運(yùn)

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

1 前言

近年來，汽車工業(yè)的發(fā)展帶動了國內(nèi)輪轂產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，轎車研發(fā)中采用的輪轂種類和規(guī)格、搭配的輪胎尺寸也越來越多。隨著汽車消費(fèi)者的年輕化，汽車的操縱穩(wěn)定性日益受到重視。輪轂是車身重力傳遞到路面的重要部件，承受著轉(zhuǎn)彎時(shí)的橫向載荷、驅(qū)動力和制動力矩等，GB/T 2978—2014《轎車輪胎規(guī)格、尺寸、氣壓與負(fù)荷》[1]給出了輪胎可以適配的多種寬度的輪轂。不同寬度的輪轂裝配相同的輪胎時(shí)，輪胎的寬度、接地面積、側(cè)向剛度和縱向剛度將發(fā)生改變，這些改變將直接影響汽車的操縱穩(wěn)定性。

本文選取某車型搭載的215/55 R17規(guī)格輪胎，分別安裝在6.5J、7J、7.5J規(guī)格的輪轂上，基于輪胎單體臺架試驗(yàn)、實(shí)車操縱穩(wěn)定性主觀評價(jià)試驗(yàn)及客觀試驗(yàn)分析不同寬度的輪轂對操縱操穩(wěn)性產(chǎn)生的影響。

2 試驗(yàn)方法

2.1 單體臺架試驗(yàn)

單體臺架試驗(yàn)包括輪廓掃描試驗(yàn)、靜態(tài)剛度試驗(yàn)及六分力試驗(yàn)[2]，使用的設(shè)備分別為輪胎掃描試驗(yàn)機(jī)、靜態(tài)剛度測試機(jī)和六分力測試臺，乘用車輪胎掃描試驗(yàn)機(jī)如圖1所示。

圖1 乘用車輪胎掃描試驗(yàn)機(jī)

輪廓掃描試驗(yàn)可以得到輪胎的接地面積，而輪胎接地面積直接影響輪胎的抓地性能，進(jìn)而影響實(shí)車的操縱穩(wěn)定性。

靜態(tài)剛度試驗(yàn)及六分力試驗(yàn)可以輸出徑向剛度、橫向剛度、縱向剛度、側(cè)偏剛度、回正力矩等與實(shí)車操縱穩(wěn)定性相關(guān)聯(lián)的試驗(yàn)結(jié)果。

具體試驗(yàn)項(xiàng)目及條件如表1所示。

表1 單體臺架試驗(yàn)項(xiàng)目

2.2 操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)

汽車操縱穩(wěn)定性是車輛系統(tǒng)動力學(xué)的一個重要分支。車輛動力學(xué)是研究所有與車輛系統(tǒng)運(yùn)動有關(guān)的學(xué)科[3]。汽車操縱穩(wěn)定性的研究內(nèi)容是汽車對駕駛員轉(zhuǎn)向輸入及外界干擾的響應(yīng)[4]，還有駕駛員在控制汽車時(shí)操縱感覺的難易輕便程度[5]。實(shí)車操縱穩(wěn)定性客觀試驗(yàn)項(xiàng)目選取GB/T 6323—2014《汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》[6]中的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)及ISO 7401《道路車輛橫向瞬時(shí)響應(yīng)試驗(yàn)方法開路試驗(yàn)方法》中的頻率掃描試驗(yàn)。實(shí)車操縱穩(wěn)定性主觀試驗(yàn)項(xiàng)目參考某企業(yè)的操縱穩(wěn)定性主觀評價(jià)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)用以測定汽車的轉(zhuǎn)向特性以及車身的側(cè)傾特性，從而確定汽車的穩(wěn)定性能。頻率掃描試驗(yàn)用于評價(jià)實(shí)車的動態(tài)特性。主觀評價(jià)主要評價(jià)車輛中心區(qū)響應(yīng)、穩(wěn)態(tài)性能、瞬態(tài)性能以及極限穩(wěn)定性能，試驗(yàn)過程如圖2所示。

圖2 操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)

不足轉(zhuǎn)向度、側(cè)傾梯度、最大側(cè)向加速度、0.5 Hz時(shí)的橫擺角度增益、橫擺角速度對轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的滯后時(shí)間等試驗(yàn)結(jié)果是衡量實(shí)車操縱穩(wěn)定性能的重要指標(biāo)，具體試驗(yàn)項(xiàng)目如表2所示。

表2 實(shí)車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)項(xiàng)目

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 單體輪胎臺架試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 輪廓掃描試驗(yàn)

輪廓掃描試驗(yàn)結(jié)果如表3示。

表3 輪胎寬度試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，輪胎寬度與裝配輪轂寬度正相關(guān)且影響顯著，輪輞寬度增加1英寸（約合25.4 mm）時(shí)，輪胎寬度的變化差異超過5%。

3.1.2 單體臺架靜剛度試驗(yàn)結(jié)果

臺架靜剛度試驗(yàn)結(jié)果如表4、圖3~圖5所示。

表4 單體臺架靜剛度試驗(yàn)結(jié)果

圖4 側(cè)向剛度曲線

圖5 縱向剛度曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，輪胎裝配輪轂寬度與輪胎徑向剛度、側(cè)向剛度、縱向剛度整體呈正相關(guān)。其中輪轂寬度對側(cè)向剛度的影響最大，對操縱穩(wěn)定性影響較大。隨輪轂寬度增加，側(cè)向剛度增加，對側(cè)傾的抑制能力增強(qiáng)，側(cè)向運(yùn)動的響應(yīng)更快。

3.1.3 單體臺架六分力試驗(yàn)結(jié)果

單體臺架六分力試驗(yàn)結(jié)果如表5、圖6、圖7所示。

表5 單體臺架六分力試驗(yàn)結(jié)果

圖6 側(cè)偏剛度曲線

圖7 回正剛度曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明：

a.輪轂寬度對載荷靈敏度-前軸（1°）影響最為顯著，兩者呈正相關(guān)，表明輪轂寬度增加，載荷轉(zhuǎn)移靈敏度也隨之提高；

b.輪轂寬度對側(cè)偏系數(shù)-前軸（1°）影響較大，呈正相關(guān)，表明在側(cè)向加速度線性區(qū)，隨輪轂寬度增加，輪胎側(cè)偏剛度增大，影響不足轉(zhuǎn)向度；

c.輪轂寬度對載荷轉(zhuǎn)移靈敏度-前軸（2°）影響較大，呈負(fù)相關(guān)，表明在非線性區(qū)，隨輪轂寬度增加，車輛操控線性度增強(qiáng)。

單體臺架試驗(yàn)結(jié)果表明，相同輪胎裝配不同寬度輪輞的試驗(yàn)結(jié)果差異明顯，隨輪輞寬度的增大，影響操縱穩(wěn)定性能的各參數(shù)均向操縱穩(wěn)定性提升的方向變化。

3.2 操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，不同輪轂寬度對不足轉(zhuǎn)向梯度影響較大，呈負(fù)相關(guān)。

3.2.2 頻率掃描試驗(yàn)結(jié)果

頻率掃描試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 頻率掃描試驗(yàn)結(jié)果

3.2.3 實(shí)車主觀評價(jià)試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)車主觀評價(jià)試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 實(shí)車主觀評價(jià)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，不同輪轂寬度對橫擺角速度增益及時(shí)間滯后影響較大，寬度越大，橫擺角速度增益越大，時(shí)間滯后越短。

實(shí)車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果表明，相同輪胎裝配不同輪輞寬度的試驗(yàn)結(jié)果差異明顯，其中不足轉(zhuǎn)向梯度、側(cè)傾梯度、0.5 Hz的橫擺角速度增益、側(cè)向加速度對轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角滯后時(shí)間變化明顯，且均趨向操縱穩(wěn)定性提升的方向。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合單體輪胎臺架試驗(yàn)、實(shí)車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)及實(shí)車主觀評價(jià)，對輪胎裝配不同寬度的輪輞進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，不同輪輞寬度的輪胎對操縱穩(wěn)定性能影響顯著，相同輪胎裝配的輪輞越寬，操縱穩(wěn)定性越好。