轎車輪胎操縱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)因素相關(guān)性研究

劉 坤，王 君，曲賓建，徐 超，魏成龍

（青島雙星輪胎工業(yè)有限公司，山東 青島 266555）

汽車操縱穩(wěn)定性一般包括行駛穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向響應(yīng)性兩個(gè)重要方面。行駛穩(wěn)定性是車輛能抵抗路面?zhèn)认蝻L(fēng)、路面不平等因素保持穩(wěn)定行駛的能力。轉(zhuǎn)向響應(yīng)性是車輛按照駕駛者轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的方向行駛，不僅要求在高速行駛時(shí)安全、穩(wěn)定、不跑偏，又要求轉(zhuǎn)向輕便，輸入與輸出之間的延遲小。輪胎是車輛上與路面直接接觸的唯一零部件[1]，目前汽車企業(yè)開發(fā)中高端新車型時(shí)，在操縱穩(wěn)定性方面對(duì)輪胎配套廠商提出越來越高的要求，例如在直道高速公路上，駕駛員不需要緊握方向盤，車輛可以保持直線行駛；在遇到路面干擾因素時(shí)，方向盤不發(fā)生左右搖擺；高速行駛時(shí)，輕打方向盤一定角度，回正順暢；車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，輪胎極限抓著力大等。

本工作對(duì)轎車輪胎操縱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)因素相關(guān)性進(jìn)行研究。

1 輪胎操縱穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法

汽車操縱穩(wěn)定性客觀路試評(píng)價(jià)主要按照GB/T 6323—2014《汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》進(jìn)行，評(píng)價(jià)項(xiàng)目很多，主要包括蛇行、轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)、轉(zhuǎn)向回正性能、轉(zhuǎn)向輕便性以及穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)。輪胎操縱穩(wěn)定性的客觀評(píng)價(jià)大多通過靜態(tài)剛性（縱向、橫向、徑向、扭轉(zhuǎn)）測(cè)試和六分力[回正力矩、側(cè)偏剛度、輪胎殘余回正力矩（PRAT）]測(cè)試進(jìn)行，主要用來作為產(chǎn)品研發(fā)的參考數(shù)據(jù)。其中，徑向剛性體現(xiàn)輪胎徑向承載能力；縱向剛性和橫向剛性主要體現(xiàn)輪胎的縱向和橫向的操控性能；扭轉(zhuǎn)剛性主要體現(xiàn)輪胎轉(zhuǎn)向操控性，具體表現(xiàn)為轉(zhuǎn)向的靈活性；回正力矩具體體現(xiàn)在輪胎轉(zhuǎn)向回正的響應(yīng)。

在輪胎操縱穩(wěn)定性的主觀評(píng)價(jià)方面，目前并沒有統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2020年中國(guó)計(jì)量協(xié)會(huì)發(fā)布的《轎車輪胎性能主觀評(píng)價(jià)方法》給出了較為詳細(xì)的評(píng)價(jià)內(nèi)容和評(píng)價(jià)原則，可以作為評(píng)價(jià)參考。評(píng)價(jià)內(nèi)容主要包括直線穩(wěn)定性、中立感、線性感、響應(yīng)性、車道變換穩(wěn)定性、前/后平衡性、抓著力、制動(dòng)穩(wěn)定性、側(cè)傾量、不足轉(zhuǎn)向/過度轉(zhuǎn)向、駐車/低速轉(zhuǎn)向力、回正性能、安心感和轉(zhuǎn)向應(yīng)答[2]。為簡(jiǎn)化輪胎操縱穩(wěn)定性的主觀評(píng)價(jià)，建立更為清晰明了的評(píng)價(jià)與改善思路，便于分析與研究，評(píng)價(jià)工程師將其劃分為兩部分，即低速/中高速基礎(chǔ)轉(zhuǎn)向性能以及中度操控性能（側(cè)向剛性、極限抓著力、卷入感、均衡性）。本研究重點(diǎn)考察扭轉(zhuǎn)剛性、回正力矩、側(cè)偏剛度、PRAT和接地印痕等指標(biāo)。

2 轎車輪胎行駛穩(wěn)定性研究

2.1 克服車輛特性和傾斜路面引起的車輛跑偏

為克服拱形傾斜路況和左舵車的車輛特性對(duì)汽車保持直線行駛的影響，輪胎設(shè)計(jì)時(shí)必須保證輪胎PRAT數(shù)值保持在一定范圍內(nèi)，以防止車輛跑偏[3]。一般乘用車主機(jī)廠對(duì)PART數(shù)值要求的大致區(qū)間為－5～－1 N·m。

研究表明：影響PRAT的主要因素是胎面花紋傾斜走向和帶束層角度，胎面花紋傾斜走向（見圖1）可以實(shí)現(xiàn)PRAT負(fù)值化；2#帶束層的傾斜方向需要與肩部花紋橫溝的走向趨勢(shì)保持一致，且肩部花紋橫溝角度越大，對(duì)增大PRAT負(fù)值越有利[2]。大體上，胎面花紋傾斜走向?qū)RAT影響占80%，帶束層角度走向影響占20%。

圖1 胎面花紋溝設(shè)計(jì)總體方向示意

2.2 輪胎行駛穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向響應(yīng)性的提高

依據(jù)操縱穩(wěn)定性主觀評(píng)價(jià)的測(cè)試結(jié)果及以往經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合輪胎剛性、接地印痕、六分力等測(cè)試參數(shù)，提出了如下研究思路和方法。

研究車輛行駛穩(wěn)定性與轉(zhuǎn)向響應(yīng)，需要分析力（力矩）的輸入、力（力矩）的傳遞路徑和力（力矩）的輸出響應(yīng)三要素。分析回正力矩的傳遞路徑：輪胎直接與路面接觸感受路面力（力矩）→胎肩部位→上胎側(cè)（簾線）→下胎側(cè)耐磨膠（三角膠＋簾線）→車輪→轉(zhuǎn)向裝置→方向盤→駕駛者。同樣，轉(zhuǎn)向力矩的傳遞可以看作回正力矩傳遞路徑的逆向反饋。分析認(rèn)為，基礎(chǔ)轉(zhuǎn)向性能容易同時(shí)受胎側(cè)剛性和胎冠剛性的影響，這些半部件材料性能不同，比如目前大多數(shù)產(chǎn)品整個(gè)輪胎部位材料分布特點(diǎn)是胎面膠、胎側(cè)膠、胎圈護(hù)膠和三角膠硬度分別為69，59，75和90度左右，1#胎體簾布貫穿整個(gè)胎側(cè)部位，它們之間的組合與搭配將直接影響轉(zhuǎn)向力矩與回正力矩的傳遞效果。

主觀評(píng)價(jià)過程中，胎冠剛性要與胎側(cè)剛性相匹配。實(shí)際測(cè)試中，胎冠剛性與胎側(cè)剛性不匹配主要有以下幾種情況。

（1）胎側(cè)剛性大，胎冠剛性小，會(huì)出現(xiàn)輪胎抓地困難，側(cè)滑，轉(zhuǎn)向過于靈敏，穩(wěn)定性差的現(xiàn)象，這時(shí)需要對(duì)胎冠剛性進(jìn)行調(diào)整。胎冠剛性與輪胎地面抓著力和側(cè)偏剛度存在相關(guān)性。

這種情況可采用以下方法調(diào)整。輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，增大行駛面寬度，可增大接地寬度和接地面積，有利于干地抓著力的提高；胎冠弧度半徑較大，可使胎面接地更加充分，有利于干地抓著力的提高；花紋溝深度較小以及花紋塊較大，有利于提高胎冠剛性；花紋塊邊緣采用斜向倒角設(shè)計(jì)，可以使輪胎與地面接觸更加充分，避免出現(xiàn)卷邊效應(yīng)。施工設(shè)計(jì)時(shí)，增大帶束層寬度，可以增大接地印痕橫軸寬度和接地面積，輪胎行駛時(shí)側(cè)偏角也會(huì)變大，有利于輪胎地面抓著力的提高；帶束層角度較小，可以實(shí)現(xiàn)輪胎接地印痕偏向于矩形化；增強(qiáng)纏繞方式，可以使胎冠剛性增大，輪胎接地更加充分，各種纏繞方式的胎冠剛性從大到小依次為：2層平鋪，1層平鋪＋肩部纏繞，1層平鋪；胎面花紋溝底膠厚度（一般不小于2 mm）小，即設(shè)計(jì)厚度較小的基部膠，可以提高胎冠剛性。

輪胎接地印痕形狀對(duì)其抓著力影響很大，一般設(shè)計(jì)時(shí)，采取改善措施后要通過試驗(yàn)對(duì)比分析改善前后輪胎的接地印痕。輪胎接地面積增大，有利于提高抓著力；一般接地印痕形狀趨于矩形有利于提高側(cè)偏剛度和總體操控性，圖2和3分別示出了矩形和橢圓形輪胎接地印痕。

圖2 矩形接地印痕

圖3 橢圓形接地印痕

（2）胎冠剛性過大，胎側(cè)剛性小，易導(dǎo)致輪胎與地面抓著力過大，輪胎轉(zhuǎn)向和回正遲滯，需要根據(jù)具體情況，結(jié)合室內(nèi)測(cè)試所得輪胎剛性和接地印痕形狀，通過調(diào)整各部位相關(guān)參數(shù)，對(duì)胎面和胎側(cè)剛性進(jìn)行調(diào)整。

為避免出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，以微型電動(dòng)車專用165/65R15輪胎為例，產(chǎn)品初始方案設(shè)計(jì)原則為：三角膠端點(diǎn)與胎圈護(hù)膠端點(diǎn)錯(cuò)開10 mm以上，1#胎體簾布反包端點(diǎn)與胎圈護(hù)膠端點(diǎn)錯(cuò)開20 mm以上，以保持端點(diǎn)位置呈階梯線性分布。三角膠端點(diǎn)和1#胎體簾布反包端點(diǎn)整體上移，可以提高胎側(cè)的垂直剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，對(duì)轉(zhuǎn)向響應(yīng)、側(cè)傾支撐等操控性有利，同時(shí)也可以提高側(cè)偏剛度，改善轉(zhuǎn)向過程中輪胎變形，從而提高轉(zhuǎn)向響應(yīng)[4-5]。

胎圈耐磨膠與胎側(cè)膠的搭接量根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格扁平比的不同，設(shè)計(jì)時(shí)可選擇15，25和35 mm，配套輪胎產(chǎn)品性能提升時(shí)可對(duì)此搭接量進(jìn)行調(diào)整。

值得注意的是，耐磨膠需要與輪輞緊密接觸，耐磨膠下端點(diǎn)位置向上調(diào)整，容易裸露在輪輞上方，與空氣接觸易加速老化；下端點(diǎn)位置向下調(diào)整，容易使胎側(cè)膠與輪輞接觸，加速胎側(cè)膠磨損。因此，只能通過調(diào)整耐磨膠上端點(diǎn)位置來改變胎側(cè)膠與耐磨膠的搭接量，從而改變耐磨膠的寬度，耐磨膠下端點(diǎn)的位置不能輕易改變。

綜上所述，制定3個(gè)胎側(cè)部位剛性調(diào)整方案，如表1所示，選取扭轉(zhuǎn)剛度和回正力矩對(duì)輪胎轉(zhuǎn)向和回正性能進(jìn)行驗(yàn)證。

表1 胎側(cè)部位剛性調(diào)整

從表1可以看出：通過對(duì)三角膠端點(diǎn)（高度）、胎圈護(hù)膠上端點(diǎn)（胎側(cè)膠與耐磨膠的搭接量的調(diào)整）和1#胎體簾布反包上端點(diǎn)絕對(duì)或者相對(duì)位置提高（見圖4），增大胎側(cè)厚度，可以實(shí)現(xiàn)胎側(cè)轉(zhuǎn)向等性能的提高。

圖4 胎側(cè)部位端點(diǎn)位置示意

減小機(jī)頭寬度，可以增大簾線張力；增強(qiáng)簾線材質(zhì)，也可以提高胎側(cè)剛性，有利于提高輪胎轉(zhuǎn)向和回正性能。在回正性能改善試驗(yàn)時(shí)，可以參照輪胎接地印痕形狀和輪胎的側(cè)偏特性規(guī)律圖（見圖5）制定改善措施并進(jìn)行驗(yàn)證。目標(biāo)接地印痕趨于橢圓形，且中心接地長(zhǎng)度長(zhǎng)，中心接地壓力大，對(duì)于輪胎保持直線行駛、提高回正性能有利[6]。

圖5 輪胎側(cè)偏特性規(guī)律

（3）除此以外，還存在胎冠剛性適中、胎側(cè)剛性偏小等情況，本文不再一一分析。

3 結(jié)論

（1）介紹轎車輪胎操縱穩(wěn)定性的主客觀評(píng)價(jià)方法，針對(duì)車輛操縱穩(wěn)定性特點(diǎn)，將轎車輪胎操縱穩(wěn)定性主觀評(píng)價(jià)重點(diǎn)劃分為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)向性能和中度操縱性能，重點(diǎn)關(guān)注輪胎轉(zhuǎn)向響應(yīng)和具有良好抓著力的行駛穩(wěn)定性。

（2）影響PRAT的主要因素是胎面花紋傾斜走向和帶束層角度，大體上胎面花紋傾斜走向?qū)RAT影響占80%，帶束層角度走向影響占20%。

（3）主觀評(píng)價(jià)反饋的輪胎操縱穩(wěn)定性問題分為胎面和胎側(cè)剛性不匹配的幾種情況，可以通過調(diào)整胎冠部位半部件剛性來調(diào)整胎冠和胎側(cè)剛性，使兩者匹配。提高胎冠剛性，有利于提高抓著力和側(cè)偏剛度，設(shè)計(jì)時(shí)主要通過增大帶束層寬度、減小花紋溝底膠厚度以及增強(qiáng)纏繞方式來實(shí)現(xiàn)。提高胎側(cè)剛性方面，可以根據(jù)材料特性的不同，使三角膠上端點(diǎn)、胎圈耐磨膠上端點(diǎn)與1#胎體簾布反包端點(diǎn)三者之間保持一定的階梯差，有利于避免應(yīng)力集中以及進(jìn)行力的緩沖；同時(shí)，使各端點(diǎn)整體上移，增大胎側(cè)厚度，也有利于整體胎側(cè)剛性的提高。

（4）通過調(diào)整輪胎的整體剛性，使胎冠和胎側(cè)部位剛性匹配，實(shí)現(xiàn)胎冠至胎側(cè)的剛度分布均勻，滿足地面抓著力的需求，同時(shí)使轉(zhuǎn)向響應(yīng)更加流暢。

（5）在設(shè)計(jì)驗(yàn)證方面，除了主觀評(píng)價(jià)方式以外，重點(diǎn)參考輪胎接地印痕的形狀和面積、側(cè)偏剛度、PRAT、扭轉(zhuǎn)剛性和回正力矩等參數(shù)。

轎車輪胎操縱穩(wěn)定性是一項(xiàng)復(fù)雜的性能，包括很多主客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，這些評(píng)價(jià)指標(biāo)與設(shè)計(jì)因素之間的相關(guān)性是非線性的，輪胎行業(yè)目前還沒有規(guī)范、統(tǒng)一、公認(rèn)的評(píng)價(jià)體系。本工作通過以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)際輪胎與車輛進(jìn)行匹配的各個(gè)項(xiàng)目，總體上簡(jiǎn)單給出了性能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素的關(guān)聯(lián)性趨勢(shì)，后續(xù)研究需要從定性主觀評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)變?yōu)楦敿?xì)的客觀定量、細(xì)化、精確的方向，建立主客觀評(píng)價(jià)相關(guān)性。