汽车轮胎侧偏特性影响因素的试验研究

1、2004166汽车轮胎侧偏特性影响因素的试验研究 3彭旭东 1 郭孔辉 2 单国玲 3(1石油大学机电学院 , 东营 257061; 2吉林大学 , 实验室 , 长春 130025; 3, 摘要 应用轮胎静力学特性试验机 , 3, 主要分析了胎面花纹 、 。 结果表明 :轮胎的 Fy -关系曲线形 状与胎面花纹形式 、 , -, 却与轮胎负荷和气 压有关 ; 。叙词 :, An Experimental Study on the Factors Affecting Tire Cornering CharacteristicsPeng Xudong 1, G uo K onghui 2&Shan

2、 G uoling 3 1School of Mechat ronic Engi neeri ng , U niversity of Pet roleum , Dongyi ng 257061; 2Jili n U niversity , S tate Key L aboratory of A utomobile Dynamics Si m ulation , Changchun 130025; 3T riangle Tyre Co 1, L t d 1, Weihai 264200 Abstract The influence of tire tread patterns ,tire loa

3、d and tire inflation pressure on the cornering char 2acteristics of a pneumatic tire is investigated on a tire static mechanics tester 1Three pieces of radial tires with the same size and the same tread compounds but different tread patterns are used in the test 1The results show that the relation b

4、etween cornering force and slip angle is not affected by tire tread pattern ,tire load and tire inflation pressure ,but the relation between aligning torque and slip angle is affected by above 2mentioned factors except tire tread patterns 1Under the same test condition ,the tire with single way chut

5、e tread patterns performs best among the three 1K eyw ords :Automotivepneumatic tires ,Cornering characteristics , Tire tread patterns3国家自然科学基金 (50275099 、 山东省自然科学基金 (Y 2002F01 和中国博士后研究基金 (2003034349 资助项目 。 原稿收到日期为 2003年 10月 17日 , 修改稿收到日期为 2003年 12月 29日 。1 前言对汽车的操纵稳定性起最大作用的是轮胎的侧 偏特性 , 即轮胎在侧偏条件下的侧向力与

6、回正力矩 特性 1, 同时轮胎的侧偏特性也影响着轮胎的使用 寿命或耐磨损性能 , 因此 , 研究轮胎摩擦和力学特性 对改进轮胎结构 、 优化胎面胶配方 、 改善轮胎的湿牵 引性能以及建立和完善轮胎力学模型等具有重要意 义 。 通过对 3条规格相同 、 胶料相同但胎面花纹不 同的轿车轮胎进行低速静力学特性试验研究 , 研究 了胎面花纹 、 轮胎负荷 、 气压等因素对轮胎的摩擦特 性和侧偏力学特性的影响 , 提出了有益于轮胎设计和加工的建议 。2 试验方案试验所使用轮胎型号均为 175/65R14TR268, 且轮胎制作材料和工艺相同 , 试验轮胎共 3条 , 但具 有不同的胎面花纹 , 即顺向花

7、纹 、 逆向花纹和纵沟光 面花纹 (如图 1 。试验速度 :低速 。试验平台 :平板采用厚钢板 , 工作面加工成等间 距排列的 7mm 7mm 小方块 (侧向和纵向间距均 为 215mm ; 为使轮胎在试验过程中的摩擦系数保 持稳定 , 在平板上均匀涂撒滑石粉 。2004年 (第 26卷 第 6期 汽 车 工 程Automotive Engineering 2004(Vol. 26 No. 6试验气压 :200、 250和 300kPa 。试验载荷 :3040、 3970、 4855、 5815和 6750N 。 当气压为 200kPa 时 , 为避免试验过程中负荷过高导 致轮胎意外损坏 ,

8、没有进行 6750N 的试验 。试验轮胎侧偏角 :0、 1、 2、 3、 6、 9、 12和 15 。图 1 试验用胎的胎面花纹形式3 试验结果及分析311 轮胎侧偏特性影响因素 31111 侧偏特性图 2所示为 3条试验轮胎在法向载荷 F z =593kg , 胎压 p i =250kPa 条件下的侧偏特性 。结果表明 :对相同规格轮胎来讲 , 轮胎的侧向力 F y 均随侧偏角 的增大而增大 , 当侧偏角约大于 9时 , 侧向 力增大趋缓 (图 2(a 。在其它试验条件下 , 3条轮 胎的 F y -关系曲线呈现相似变化趋势 , 并且无论 胎面花纹如何变化 , 随着侧偏角的增大 , 侧向力均

9、 接近其极限值即轮胎与路面之间的最大摩擦力 , 该 极限值的大小是随着轮胎胎面胶料性能和路面条件 的变化而不同的 13。 所以 , 轮胎的这种力学特性要求汽车在行驶过程中 , 为保证行车安全 , 应尽量避免大角度侧偏或大而急的转弯 , 以避免轮胎无法提 供足够大的汽车转弯力而造成事故 。轮胎的回正力矩 M z 对汽车运动产生不可忽视 的影响 。 图 2(b :对相同规格轮 胎来讲 , M z 均随侧偏角 化 , 1时 , 从 3增至 9时 , M z ; M z 下降速度减 , , M z 随侧偏角的变化趋势 , 但光面轮胎在大侧偏角下 M z 出现了 负值 , 这是轮胎印迹上的垂直反力的合力

10、向前偏移 的结果 1。 31112 轮胎负荷的影响图 3所示为在气压 p i =250kPa 时 , 法向载荷 F z 对顺向花纹胎面轮胎侧偏特性的影响 , 这种影响 在其它气压条件下以及对另 2条轮胎是类似的。 由 图 3(a 可以看出 :轮胎侧向力接近极限值的快慢不 仅与路面条件和胎面胶性能有关 , 还与作用在轮胎 上的法向载荷有关 , 即轮胎负荷越小则侧向力接近 于极限值越快 。这意味着轮胎负荷越大 , 越不易获 得对应负荷下路面所能提供给轮胎的最大摩擦力 , 所以汽车超载不利于车辆的操纵稳定性和安全性 ; 另外 , 由于超载引起轮胎切向力 (包括侧向力和纵向 力 过大也会导致轮胎磨损加

11、剧 , 缩短轮胎使用寿 命 , 因此应尽量避免车辆超载 。与图 2(b 相比较 , 从图 3(b 可以看出 :无论轮 胎负荷 F z 如何变化 , 对应不同 F z 下的回正力矩最 大值也出现在侧偏角 为 13范围内 。当侧偏角 3时 , 轮胎负荷越小 , 则回正力矩随侧偏角的增 大变化越平缓 ; 反之 , 轮胎负荷越大 , 则回正力矩随 侧偏角的增大下降越快 。所以 , 汽车超载不仅会使 轮胎切向力增大 , 而且会使轮胎在大侧偏角下的回 正力矩急剧减小 , 这对汽车的操纵稳定性和安全性 676 汽 车 工 程 2004年 (第 26卷 第 6 期以及提高轮胎的耐磨损性都很不利 。 31113

12、 轮胎胎压的影响在有限的气压调节范围内 , 轮胎的 F y 2关系曲 线随胎压的变化并无明显变化 (图 4(a 。表明在 干燥路面上 , 若轮胎气压变化不大则气压对侧向力 特性的影响有限 , 这与冰面上的试验结果是有区别 的 。 当轮胎在 -3 的冰面上低速运动 , 且气压由 p i =250kPa 下降至 140kPa 时 , 对应侧偏角 =10时的轮胎侧偏力就增大了 115倍 2, 4。图 4(b 所 示为不同胎压下顺向花纹轮胎的 M z ,结果表明 :, , 气压越 。综上所述 , 为保证轮胎具有合适的侧偏力学特性 , 应使轮胎保持合适的充气 压力值 。312 不同胎面花纹轮胎的侧偏特性

13、分析比较通过分析图 2和图 3以及表 1所示的典型试验结果 , 表明在相同气压和侧偏角条件下 , 当轮胎负荷较低时 , 较大侧偏角下的侧向力以及 F y 2关系曲线 在一定程度上受胎面花纹的影响 , 顺向花纹轮胎和 逆向花纹轮胎的 F y 值较光面轮胎大 , 而花纹轮胎 之间的 F y 值差别很小 ; 但是 , 当轮胎承受中 、 高负 荷时 , 顺向花纹轮胎的侧向力相对较大 , 特别是当胎 压较高或侧偏角较大的情况下 , 这种规律更明显 , 同 时顺向花纹轮胎还具有较好的回正性能 , 如图 2(b 所示 。 上述结果表明 , 粗细花纹轮胎在干燥路面上 的附着性能和侧偏力学特性较光面轮胎好 ,

14、而顺向花纹轮胎更好 。表 1 不同胎面花纹轮胎在不同负荷条件下的侧偏特性 (p i =300kP a , =15轮胎负荷光面胎面轮胎 F /N M /N m F /N M /N m F /N M /N m30401548485163117105283970514421253061282459411702635516441937138306051404418337376199 结论(1 轮胎的侧向力 F z 随侧偏角 的增大而增大 , 并趋向于轮胎最大摩擦力 , 轮胎负荷越高则侧向力越不易接近最大摩擦力 ; 轮胎的 F y 2关系曲线形 状与胎面花纹形式 、 轮胎负荷和胎压等均无关 。(2 轮胎

15、的回正力矩 M z 随侧偏角 的增大先 增大后减小 , 且在 为 13范围内 M z 可能出现 最大值 ; 当 在 39时 , M z 急剧下降 , 之后下降幅度变缓 。 试验轮胎的 M z 2关系曲线均表现出类 似的变化趋势 , 这种规律与轮胎的胎面花纹无关 , 但与轮胎负荷和气压有关 。(3 在文中所述试验条件下 , 当试验条件完全相 同时 , 与另外 2种胎面结构的轮胎相比 , 顺向花纹轮 胎具有更优异的附着性能和侧偏力学特性 。(4 为保证轮胎具有满足汽车正常行驶所必需 的侧偏特性和较长的使用寿命 , 轮胎应保持合适气 压 , 且应尽量避免汽车超载行驶 。参考文献1 郭孔辉 1汽车操纵动力学 1长春 :吉林科学技术出版社 ,1991