轮胎高速力学特性影响因素研究

李论 张保军 吕满意 王伟 冯勇

（1.中国第一汽车股份有限公司研发总院，长春 130013；2.汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，长春 130013）

主题词：轮胎 高速力学特性 影响因素 准稳态试验

1 前言

我国从20世纪80年代开始逐步开展了轮胎力学特性研究[1]。轮胎高速力学特性受所处状态的影响，同时还受到不同试验条件的影响。文献[2]分析了速度对稳态侧偏特性的影响，指出随着速度增加，侧偏刚度略有增大；文献[1]进一步指出，侧偏刚度随着速度的增加有上升趋势，达到峰值后开始下降。本文尝试从影响轮胎高速力学特性的几个方面进行试验研究，以增进对轮胎高速力学特性规律的认识。

2 影响因素研究

轮胎运动状态包括静态、稳态、准稳态、非稳态（或称瞬态）等。车辆的操纵稳定性很大程度上取决于轮胎的侧偏特性。当汽车在车速不太低的正常驾驶条件和良好路面上行驶时，其横摆频率一般低于2 Hz，此时轮胎的状态近似表现为稳态（准稳态）[3]。

本文针对某品牌255/50R19 107W 规格轮胎，采用MTS Flat-Trac III CT 高速平带式试验台，参照相关企业标准开展试验研究。

2.1 稳态测试研究

本文采用单点测试方法，分别开展了不同载荷Fz下的纯侧偏、纯侧倾试验和侧倾侧偏试验。考虑到速度较高时轮胎磨损严重，试验车速取为7.2 km/h，轮胎充气压力为240 kPa，试验结果如图1所示。

由图1 可知：在低速纯侧偏工况下，随着侧偏角的增大，侧向力趋于饱和，回正力矩先增大后减小，其峰值对应的侧偏角绝对值随载荷增加而增大；在低速纯侧倾工况下，侧向力与侧倾角近似成线性关系，在小侧倾角下，回正力矩与侧倾角近似成线性关系，随着侧倾角增加，回正力矩趋于饱和；侧倾角不为零时，侧偏特性曲线相对侧倾角为零时的曲线发生平移。

稳态测试方法相对简单，但存在效率低、轮胎磨损严重、轮胎使用量大的缺陷。同时，由于磨损严重，轮胎在试验的初期和末期状态差异较大，影响了数据的代表性，限制了该方法的使用。

图1 稳态侧偏特性曲线

2.2 准稳态测试研究

与稳态测试相比，准稳态测试具有效率高、对轮胎磨损少的特点。

对准稳态测试结果有影响的试验条件有载荷、轮胎滚动速度、充气压力、侧偏角（或纵向滑移率）加载速率和侧偏角（或纵向滑移率）加载方式等。本文以这些条件为变量，采用扫描方法，分别进行了侧偏试验。

2.2.1 不同侧偏角加载速率下准稳态试验

充气压力240 kPa、行驶速度7.2 km/h 工况下，不同侧偏角加载速率的准稳态试验曲线如图2所示，侧偏刚度和回正刚度变化曲线如图3所示。

由图2 可知：当轮胎载荷增大时，侧向力和回正力矩曲线的滞后环均随之增大；随着侧偏角加载速率的增大，侧向力和回正力矩曲线的滞后环均增大。

图2 不同侧偏角加载速率下侧偏特性曲线

由图3 可知，随着加载速率增大，侧偏刚度和回正刚度均下降（稳态试验时加载速率为0）。以6 kN 载荷为例，2°/s加载速率下侧偏刚度和回正刚度较稳态试验时分别下降21.3%和16.4%，8°/s加载速率下侧偏刚度和回正刚度分别下降41.8%和58.9%。

图3 不同侧偏角加载速率下刚度变化曲线

为便于对比，本文侧偏刚度、回正刚度分别定义为[-1°,+1°]范围内侧向力、回正力矩斜率的绝对值，侧向力、回正力矩数据从侧偏特性数据中截取。为采用准稳态试验代替稳态试验，在准稳态试验时应将侧偏角加载速率控制在一定范围内。

2.2.2 不同行驶速度下准稳态试验

图4 所示为充气压力240 kPa、载荷6 kN 工况下不同行驶速度下的准稳态试验曲线。

由图4 可知：当路面速度增大时，侧向力和回正力矩曲线的线性区滞后环均随之减小，滑移区滞后环均增大。

2.2.3 不同气压下准稳态试验

图5 所示为采用三角波加载方式，2 种气压下侧偏特性对比曲线，试验载荷为6 kN，行驶速度为7.2 km/h。图6 为不同气压下的侧偏刚度和回正刚度变化情况。

由图6 可知：当轮胎胎压增大时，轮胎侧偏刚度增大逐步变缓，回正刚度下降。

图4 不同行驶速度下侧偏特性曲线

2.2.4 侧偏角不同加载方式下准稳态试验

图7所示为侧偏角采用正弦波和三角波两种加载方式得到的试验曲线，试验载荷为6 kN，充气压力为240 kPa，行驶速度为7.2 km/h。可见不同加载方式下试验结果差别较小，侧偏角加载可选用正弦波和三角波方式。

图5 不同气压下侧偏特性对比曲线

图6 不同气压下刚度变化曲线

图7 不同加载方式对比曲线

2.3 非稳态测试研究

轮胎侧向瞬态特性的常用测试方法有刚度对比法和侧偏角阶跃法。对于MTS Flat-Trac III CT 试验台，在进行侧偏角阶跃试验时，垂直力控制包括位移控制和载荷控制两种方式。目标载荷分别为4.5 kN、7.5 kN、9.0 kN 时不同控制方式下的试验结果如图8所示，由图8 可知：采用位移控制方式的垂向载荷波动分别为213.0 N、388.0 N、428.7 N，载荷的均方差分别为60.6 N、131.4 N、144.2 N；采用载荷控制方式的垂向载荷波动分别为213.2 N、158.9 N、208.9 N，载荷的均方差分别为53.2 N、43.7 N、48.3 N。可见载荷控制方式下轮胎载荷更稳定。侧向力和回正力矩是侧偏角和垂直载荷的函数，在进行侧偏角阶跃试验时应保证轮胎载荷固定，以保证精度。本文推荐采用载荷控制方式进行轮胎侧偏角阶跃试验。

图8 不同控制方式时的试验曲线

2.4 轮胎磨损研究

随着轮胎的磨损，轮胎力学特性将发生变化。为研究轮胎力学特性随磨损量的变化规律，对某品牌215/55R17 94V 规格轮胎进行了胎面不同磨损量时的侧偏特性试验研究，试验充气压力为230 kPa，行驶速度为7.2 km/h。试验结果分别如图9、图10所示，其中预跑后指预跑程序完成后进行的测试，预跑的磨损量很小。

图9 不同载荷下磨损量对轮胎力学特性的影响曲线

从试验结果可知，轮胎磨损程度对轮胎侧偏特性影响较大，主要影响侧偏刚度、回正刚度、侧向力稳态值和峰值、回正力矩稳态值和峰值等参数。侧偏刚度在初始阶段下降，在正常使用阶段随磨损量的增加而增大；在大载荷下，正常使用阶段侧偏刚度随磨损量变化不大，略有减小；回正刚度、侧向力峰值、回正力矩峰值随磨损量的增加而增大；在不考虑轮胎早期磨损的情况下，侧偏刚度和回正刚度与磨损量近似成线性关系；当侧偏角增大到一定程度（如18°）时，回正力矩随磨损量的增加而增加。轮胎侧偏刚度初始值较大是由于轮胎早期的粘弹性部分恢复造成的[4]。

图10 不同磨损量时的刚度随载荷的变化

为定量分析轮胎侧偏刚度和回正刚度随轮胎磨损量的变化规律，在不考虑轮胎预跑等引起的早期磨损的情况下，侧偏刚度和回正刚度与轮胎磨损量近似成线性，采用线性拟合，结果如图11所示。

图11 不同磨损量时的刚度拟合曲线

从拟合结果可看出：在4 kN载荷下，1 mm的胎面磨损使得侧偏刚度、回正刚度相对理想初始刚度分别增大71.3 N/(°)、7.7 N·m/(°)，增加比例分别为5.3%、18.6%；5 mm 的胎面磨损使得侧偏刚度、回正刚度相对理想初始刚度分别增大356.5 N/(°)、38.7 N·m/(°)，增加比例分别为26.4%、93.1%。可见胎面磨损对侧偏刚度影响较大，对回正刚度影响更大。

需要说明的是，理想初始刚度是由拟合表达式计算得到的磨损量为0 时的刚度值，是外推值，不同于无磨损时的测试值。

轮胎胎面磨损导致侧偏刚度及回正刚度发生变化，进而影响整车不足转向度。以某款SUV 车型为例，经计算，其他条件不变的情况下，只考虑轮胎磨损引起的整车不足转向度的变化率接近8%，如表1所示（其中的刚度数据是在刚度测试基础上，依据实车载荷插值计算得到的）。

表1 磨损对不足转向度影响

由表1 可知，在进行轮胎力学特性试验、整车性能试验时控制磨损量非常必要，在整车动力学仿真时需要考虑轮胎磨损对车辆性能的影响。

3 结论

a.与稳态测试方法相比，准稳态试验方法试验效率高，且轮胎在试验过程中磨损少，试验数据更有代表性，是一种合理可行的试验方法；

b.在准稳态试验过程中，应严格控制试验条件，合理选择试验参数，其原则是兼顾试验效率和轮胎磨损，设定合理的轮胎磨损限值，在试验过程中应监控轮胎磨损量，及时更换轮胎；

c.胎面磨损对侧偏刚度影响较大，对回正刚度影响更大，在整车主客观试验、动力学仿真时需要考虑轮胎磨损对车辆性能的影响。