轮胎包络特性及冲击特性的影响因素研究

孙绪利，王志斌，张凯凯，王龙庆，李慧敏

（青岛森麒麟轮胎股份有限公司，山东 青岛 266229）

随着汽车工业的发展，人们对驾驶体验的要求不仅局限在安全性和操纵性，对车辆舒适性的要求也越来越高[1-3]。影响车辆舒适性的因素主要有悬架、座椅、发动机及轮胎等[4-7]。而轮胎作为车辆与路面的唯一接触部件，能够包覆、缓冲路面激励对车辆的影响，因此汽车厂商对轮胎的舒适性提出了更高的要求[8-9]。目前主要通过轮胎包络特性及冲击特性的研究来提高轮胎的舒适性。

车辆类型不同，其轮胎的使用条件也不同，特别是充气压力与负荷不同，因此需要掌握充气压力与负荷对轮胎包络特性及冲击特性的影响规律，从而针对不同车辆的使用条件精准设计轮胎结构。

本工作以215/55R17轮胎为研究对象，研究不同充气压力与负荷下轮胎的包络特性及冲击特性。

1 实验

1.1 试验轮胎

试验轮胎为215/55R17轮胎，青岛森麒麟轮胎股份有限公司产品。

1.2 试验设备

轮胎高速均匀性试验机，德国ZF公司产品。采样频率为1 000 Hz。试验中凸块尺寸为15 mm×15 mm[7]，采用横置90°安装（只能激起轮胎面内特性）。

1.3 试验方法

1.3.1 低速包络特性

轮胎低速包络特性测试采用公司内部标准，主要测试轮胎低速通过凸块时，其径向力与纵向力的变化情况[10]。试验条件如表1所示。

表1 轮胎低速包络特性试验条件

低速包络试验中，为了更好地反映充气压力的影响，进行了3个负荷试验，通过径向力峰值与纵向力峰峰值考察轮胎的包络特性，其中，径向力峰值为径向力曲线的中间峰峰值，纵向力峰峰值为纵向力曲线的波峰与波谷纵向力之差。

1.3.2 冲击特性

轮胎冲击特性测试采用公司内部标准，主要测试轮胎在3种充气压力（220，240，260 kPa）、3种负荷（460，535，600 kg）及2种较高速度（30和60 km·h-1）下通过凸块时，其径向力与纵向力在时域内的变化[10]。通过径向力峰值与纵向力峰峰值考察轮胎的冲击特性，其中，径向力峰值为动态冲击试验中轮胎径向力最大值与初始值之差，纵向力峰峰值为第1个波峰与第1个波谷纵向力之差[11]。

2 结果与讨论

2.1 低速包络特性

2.1.1 充气压力的影响

图1为不同充气压力下轮胎的径向力与纵向力-时间曲线，其中径向力-时间曲线中矩形框中的峰为中间峰。

图1 不同充气压力下轮胎的径向力与纵向力-时间曲线

从图1可以看出：不同负荷及充气压力下，轮胎的径向力-时间曲线发生变化，在负荷较低（460 kg）时，不同充气压力下的轮胎径向力曲线中间峰均为凸出形状，随着负荷的增大，充气压力低时中间峰下降的趋势更明显，这是由于充气压力较低且负荷较大时，轮胎的下沉量增大，轮胎能够将凸块包覆住，轮胎中心受到的力减小[12]；在负荷相同时，轮胎的径向力峰值随充气压力的增大而增大；轮胎的纵向力-时间曲线形状基本未发生变化；轮胎的纵向力峰峰值随充气压力的增大而增大，但变化幅度较小。

2.1.2 负荷的影响

图2为不同负荷下轮胎的径向力与纵向力-时间曲线。不同负荷及充气压力下轮胎的径向力峰值与纵向力峰峰值如表2所示。

图2 不同负荷下轮胎的径向力与纵向力-时间曲线

表2 不同负荷及充气压力下轮胎的径向力峰值与纵向力峰峰值 N

从图2和表2可以看出：在同一充气压力下，负荷越大，轮胎的径向力峰值越小，纵向力峰峰值越大但变化幅度较小；在同一充气压力及不同负荷下，轮胎的径向力、纵向力开始变化的时间不同，负荷越大，力的变化出现得越早，这是由于同一充气压力下负荷增大时，轮胎的接地长度增大，导致轮胎接触凸块的时间提前。

2.1.3 接地印痕

在试验工况下进行轮胎的接地印痕试验，不同充气压力及负荷下的轮胎接地印痕参数如表3所示。

表3 不同充气压力及负荷下的轮胎接地印痕参数

从表3可以看出：在同一充气压力下，随着负荷的增大，轮胎接地印痕的中间接地长度逐渐增大，与上述结论一致；轮胎的下沉量增大，能够包覆凸块的程度增大，可以解释轮胎径向力曲线中间峰在负荷增大时降低的现象。

从表3还可以看出：在相同的充气压力下，随着负荷的增大，轮胎的径向刚度增大；在相同的负荷下，随着充气压力的增大，轮胎的径向刚度也增大。

由公式（1）可知，在轮胎质量不变的情况下，轮胎的径向刚度增大，其固有频率也增大。因此，改变轮胎的充气压力和负荷可以调整其固有频率，在整车调校过程中可通过此方法改善轮胎与车辆的共振。

式中，f为轮胎的固有频率，k为轮胎的径向刚度，m为轮胎的质量。

2.2 冲击特性

2.2.1 充气压力的影响

试验负荷为600 kg时，不同速度及充气压力下轮胎的径向力与纵向力-时间曲线如图3所示，轮胎的径向力峰值与纵向力峰峰值如表4所示。

图3 不同速度及充气压力下轮胎的径向力与纵向力-时间曲线（600 kg负荷）

表4 不同速度及充气压力下轮胎的径向力峰值与纵向力峰峰值（600 kg负荷） N

从图3及表4可以看出：在相同的负荷及速度下，轮胎的径向力峰值与纵向力峰峰值随充气压力的增大而增大，径向力与纵向力-时间曲线随充气压力的增大有逐渐左移的趋势，这是因为随着充气压力的增大，轮胎的径向刚度增大，从而使其径向固有频率增大[13-14]；速度变化后，相同负荷、不同充气压力下轮胎径向力的衰减趋势发生变化，说明调整充气压力及速度可以改变轮胎的阻尼特性。

2.2.2 负荷的影响

充气压力为220 kPa时，不同速度及负荷下轮胎的径向力与纵向力-时间曲线如图4所示，轮胎的径向力峰值与纵向力峰峰值如表5所示。

图4 不同速度及负荷下轮胎的径向力与纵向力-时间曲线（220 kPa充气压力）

表5 不同速度及负荷下轮胎的径向力峰值与纵向力峰峰值（220 kPa充气压力） N

从图4和表5可以看出：当充气压力一定时，轮胎的径向力峰值在30 km·h-1速度下随负荷增大而增大，在60 km·h-1速度下随负荷增大而减小，但两个速度下的径向力峰值变化幅度均较小；在不同速度下，轮胎的径向力衰减表现出不同的趋势，速度较大时，负荷较大的轮胎的径向力衰减较快；两个速度下轮胎的纵向力峰峰值均随负荷的增大而增大。

3 结论

（1）在低速包络试验中，轮胎的径向力峰值随充气压力的增大而增大，随负荷的增大而减小；纵向力峰峰值随充气压力和负荷的增大而增大，但变化幅度不大。

（2）在冲击试验中，轮胎的径向力峰值与纵向力峰峰值随充气压力的增大而增大；径向力峰值随负荷的变化受到速度的影响但变化幅度较小，纵向力峰峰值随负荷的增大而增大。