轮胎高速力学特性影响因素研究

轮胎动力学涵盖测试、仿真及应用三方面理论与技术。其中精准测试技术是基础。但是由于轮胎所特有的多层异性结构，使之力学特性受温度、载荷与磨损等多因素影响，且具有很强的非线性。发达国家自上世纪30年代就开始了轮胎动力学的研究并开展了大量的基础测试工作，积累了宝贵的测试数据。而我国轮胎高速六分力特性的测试才刚刚起步，需要从多维度，多方向开展大量的基础研究与测试工作。本文采用MTS Flat-Trac III CT高速平带式试验台，对不同状态、不同试验条 件下轮胎的力学特性进行了试验研究，并研究了不同磨耗条件下轮胎力学特性的变化情况。得出了不同因素对轮胎高速力学特性的影响规律，以供同行参考。

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2Hz，此时轮胎的状态近似表现为稳态（准稳态）。

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。

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7.2km/h，轮胎充气压力为240kPa，试验结果如图1所示。


图1 稳态侧偏特性曲线

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。

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。

不同侧偏角加载速率下准稳态试验

充气压力240kPa、行驶速度7.2km/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


图3 不同侧偏角加载速率下刚度变化曲线

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6kN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%。

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。


图4 不同行驶速度下侧偏特性曲线

不同行驶速度下准稳态试验

图4所示为充气压力240kPa、载荷6kN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。

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 6kN，行驶速度为7.2km/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

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6kN，充气压力为240kPa，行驶速度为7.2km/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7 不同加载方式对比曲线

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4.5kN、7.5kN、9.0kN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213.0N、388.0N、428.7N，载荷的均方差分别为60.6N、131.4N、144.2N；采用载荷控制方式的垂向载荷波动分别为213.2N、158.9N、208.9N，载荷的均方差分别为53.2N、 43.7N、48.3N。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

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230kPa，行驶速度为7.2km/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。


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4kN载荷下，1mm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/(°)、7.7N·m/(°)，增加比例分别为5.3%、18.6%；5mm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356.5N/(°)、38.7N·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。

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。