輪胎錐度效應(yīng)及角度效應(yīng)對車輛直行性能影響研究

金凌鴿 秦民

（中國第一汽車股份有限公司 汽車振動噪聲和安全控制綜合技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

輪胎錐度效應(yīng)及角度效應(yīng)對車輛直行性能影響研究

金凌鴿 秦民

（中國第一汽車股份有限公司 汽車振動噪聲和安全控制綜合技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

根據(jù)輪胎錐度效應(yīng)及角度效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理，建立了相應(yīng)的輪胎特性模型，通過對輪胎性能的測試及車輛動力學(xué)建模分析，闡明了輪胎錐度效應(yīng)及角度效應(yīng)對車輛直行性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，輪胎的錐度效應(yīng)對車輛直行性能影響很大，需對其進(jìn)行限值要求，而角度效應(yīng)對車輛直行性能影響較小。

1 前言

由于橡膠材料的各向異性及輪胎制造過程中的工藝誤差，導(dǎo)致輪胎性能有一定的不均勻性，這些不均勻性使得輪胎產(chǎn)生角度效應(yīng)及錐度效應(yīng)，而角度效應(yīng)及錐度效應(yīng)會對車輛的直線行駛性能產(chǎn)生不同的影響。為此，本文根據(jù)輪胎錐度效應(yīng)及角度效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理建立相應(yīng)的輪胎特性模型，并通過輪胎性能測試及車輛動力學(xué)建模分析，闡明輪胎錐度效應(yīng)及角度效應(yīng)對車輛直行性能影響的規(guī)律。

2 輪胎錐度效應(yīng)和角度效應(yīng)特性建模

2.1 輪胎錐度效應(yīng)和角度效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理

當(dāng)輪胎在側(cè)偏角為零的狀態(tài)下滾動時(shí)，輪胎自身的不均勻性會產(chǎn)生相應(yīng)的輪胎側(cè)向力Fy，如圖1所示。

根據(jù)圖1，輪胎的錐度效應(yīng)Fy（CON）與角度效應(yīng)Fy（PLY）定義如下[1]：

式中，F(xiàn)y（CW）為輪胎順時(shí)針滾動時(shí)的側(cè)向力；Fy（CCW）為輪胎逆時(shí)針滾動時(shí)的側(cè)向力。

輪胎錐度效應(yīng)主要是由于輪胎成型貼合時(shí)的誤差引起的[3]，該誤差使得輪胎在圓周方向產(chǎn)生一定的錐度，如圖2所示。錐度效應(yīng)使得輪胎像錐體一樣在自由滾動時(shí)會向一側(cè)偏轉(zhuǎn)，若迫使輪胎沿直線滾動，則輪胎會產(chǎn)生側(cè)向力。

輪胎角度效應(yīng)主要是由于簾布層的角度及橡膠材料的各向異性引起的[3]，如圖3所示。當(dāng)胎體承受垂直載荷時(shí)，橡膠單元會產(chǎn)生剪切變形，進(jìn)而產(chǎn)生側(cè)向力，該側(cè)向力的方向會隨著輪胎滾動方向的變化而發(fā)生改變。輪胎最外層簾布層的角度對于角度效應(yīng)影響最為顯著。

由于輪胎錐度效應(yīng)與角度效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理不同，因此更換輪胎在汽車上的左、右安裝位置可使錐度效應(yīng)改變方向，而輪胎的角度效應(yīng)則不隨輪胎在汽車上的安裝位置而改變方向。此外，輪胎的錐度效應(yīng)受制造工藝誤差影響較大，因而其分布范圍相對較寬；而輪胎的角度效應(yīng)主要是由簾布層的角度引起，主要由輪胎的設(shè)計(jì)參數(shù)決定，因而其分布范圍相對較窄[3]，如圖4所示。錐度效應(yīng)和角度效應(yīng)的不同特性使得二者對車輛直行性能有不同的影響。

2.2 輪胎錐度效應(yīng)和角度效應(yīng)特性建模

為分析輪胎錐度效應(yīng)及角度效應(yīng)對車輛性能的影響，首先應(yīng)在輪胎的力學(xué)特性模型中加入相應(yīng)的描述。

輪胎錐度效應(yīng)及角度效應(yīng)體現(xiàn)為輪胎在側(cè)偏角為0°時(shí)的側(cè)向力。由于錐度效應(yīng)產(chǎn)生的力與輪胎的滾動方向無關(guān)，與輪胎的側(cè)傾推力相似，因此，通常將錐度效應(yīng)作為輪胎的等效側(cè)傾推力；輪胎的角度效應(yīng)與輪胎的滾動方向有關(guān)，與輪胎的側(cè)偏力類似，故通常將角度效應(yīng)作為輪胎的等效側(cè)偏力[2]，如圖5所示。

等效的輪胎錐度效應(yīng)Fcon及角度效應(yīng)Fply通常用下式描述：

式中，Ky為輪胎的側(cè)偏剛度；αply為輪胎角度效應(yīng)產(chǎn)生的等效側(cè)偏角；Kγ為輪胎的側(cè)傾剛度；γcon為輪胎錐度效應(yīng)產(chǎn)生的等效側(cè)傾角。

文獻(xiàn)[6]給出了等效側(cè)偏角αply及等效側(cè)傾角γcon的辨識方法，即首先通過側(cè)偏試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在小側(cè)偏角范圍內(nèi)辨識出輪胎的側(cè)偏剛度Ky，再通過純側(cè)傾試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在小側(cè)傾角范圍內(nèi)辨識出輪胎的側(cè)傾剛度Kγ，最后利用全部小側(cè)偏角和小側(cè)傾角試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用式（5）辨識αply和γcon。

式中，F(xiàn)y為輪胎側(cè)向力；α為輪胎的側(cè)偏角；γ為輪胎的側(cè)傾角。

除側(cè)向力外，輪胎的錐度效應(yīng)及角度效應(yīng)還會產(chǎn)生相應(yīng)的力矩，對于回正力矩同樣可以采用等效側(cè)偏及等效側(cè)傾的概念進(jìn)行分析。由于輪胎側(cè)偏運(yùn)動及側(cè)傾運(yùn)動所產(chǎn)生力矩的機(jī)理不同，因而相對應(yīng)的輪胎角度效應(yīng)及錐度效應(yīng)產(chǎn)生的力矩也有所差別。主要的差別是角度效應(yīng)產(chǎn)生的力矩有回正的作用，即可起到使車輛恢復(fù)直線行駛的作用；而錐度效應(yīng)產(chǎn)生的力矩則使車輛有跑偏的趨勢。這一差別使得錐度效應(yīng)與角度效應(yīng)對車輛直行性能的影響有較大差別。

由于本文只關(guān)注車輛在直線行駛工況下的特性，因此輪胎的側(cè)偏角及外傾角較小，仍處于線性區(qū)。為簡化模型，并便于調(diào)整輪胎的錐度效應(yīng)及角度效應(yīng)的大小，以考察其對車輛直線行駛性能的影響，將角度效應(yīng)及錐度效應(yīng)轉(zhuǎn)化為等效的側(cè)偏角及側(cè)傾角輸入至車輛動力學(xué)模型中進(jìn)行分析。

3 車輛動力學(xué)分析

3.1 車輛動力學(xué)建模

本文采用CarSim動力學(xué)分析軟件建立整車動力學(xué)模型，模型基于系統(tǒng)特性進(jìn)行建模，所需輸入數(shù)據(jù)包括整車質(zhì)量及慣量參數(shù)、懸架系統(tǒng)特性參數(shù)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性參數(shù)、減振器特性參數(shù)和輪胎特性參數(shù)等。其中整車質(zhì)量、慣量信息及懸架特性參數(shù)由K&C特性試驗(yàn)獲得，包括車輪定位參數(shù)隨車輛跳動量及外力的變化。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性參數(shù)包括轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動比、助力特性等，由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性試驗(yàn)得到。減振器的特性通過減振器阻尼力與減振器壓縮速度的關(guān)系來表征，由減振器特性試驗(yàn)臺測試得到。輪胎特性建模采用Magic Formula模型，輪胎模型的參數(shù)由輪胎力學(xué)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)辨識得到。利用所建車輛動力學(xué)模型分別進(jìn)行轉(zhuǎn)向盤角階躍及蛇行工況的仿真分析，并將仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比以驗(yàn)證模型精度，結(jié)果如圖6～圖9所示。由圖6～圖9可看出，動力學(xué)模型可以較精確地描述車輛的運(yùn)動特性。

3.2 角度效應(yīng)對車輛直行性能的影響

如前所述，輪胎的角度效應(yīng)受設(shè)計(jì)因素影響較大，因而其數(shù)值較為確定，一般在輪胎結(jié)構(gòu)確定后，不同輪胎的角度效應(yīng)值相差較小。此外，輪胎角度效應(yīng)的方向不隨輪胎在車輛上的安裝位置而改變。

為分析角度效應(yīng)對車輛直行性能的影響，在動力學(xué)模型中，將轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角固定為0°，使車輛以80 km/h的速度沿直線行駛，分別考慮輪胎的角度效應(yīng)為50 N、100 N、200 N及300 N等幾種情況。因輪胎的角度效應(yīng)方向相同，與輪胎在車上的安裝位置無關(guān)，故左、右輪胎的角度效應(yīng)方向相同。圖10和圖11為車輛側(cè)向偏移量及橫擺角速度曲線。由圖10和圖11可看出，由于輪胎的角度效應(yīng)相同，車輛在直線行駛時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后產(chǎn)生較小的橫擺角速度，因而車輛的側(cè)向偏移量較小。

3.3 錐度效應(yīng)對車輛直行性能的影響

由于錐度效應(yīng)分布范圍較寬，且其方向隨輪胎在整車上的安裝位置不同而改變，因而其對整車直行穩(wěn)定性的影響較復(fù)雜。若輪胎的安裝較合理，使左、右車輪輪胎的錐度效應(yīng)反向，則左、右輪胎錐度效應(yīng)的影響可相互抵消，從而車輛基本上可維持直線行駛，如圖12所示。

為分析輪胎錐度效應(yīng)對車輛直行性能的影響，取左、右輪胎錐度效應(yīng)分別為50 N、100 N、200 N和300 N，左、右輪胎的錐度效應(yīng)方向相同，車輛轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角為0°，以80 km/h速度沿直線行駛。圖13和圖14分別為車輛側(cè)向偏移量及車輛橫擺角速度曲線。

通過圖13和圖14可看出，若左、右車輪的錐度效應(yīng)同向，則車輛的直線行駛穩(wěn)定性會受到很大影響。通過對比可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)錐度效應(yīng)與角度效應(yīng)相同時(shí)，錐度效應(yīng)對車輛直線行駛穩(wěn)定性的影響比角度效應(yīng)要明顯很多，同時(shí)可看出，當(dāng)錐度效應(yīng)超過一定限值時(shí)，車輛的跑偏量急劇增大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的根本原因是輪胎的角度效應(yīng)力從本質(zhì)上講是一種等效的側(cè)偏力，而輪胎的錐度效應(yīng)是等效的側(cè)傾推力。角度效應(yīng)產(chǎn)生的等效側(cè)偏現(xiàn)象使輪胎產(chǎn)生回正力矩，因而在角度效應(yīng)的作用下，車輛產(chǎn)生一定程度的跑偏，在回正力矩作用下，車輛有回到直線行駛位置的趨勢，因而會減小車輛的跑偏；而錐度效應(yīng)產(chǎn)生的力矩作用與車輛的跑偏趨勢相同，因而形成正反饋，加劇了車輛跑偏。因此，在實(shí)際輪胎與車輛的匹配中，要約束輪胎的錐度效應(yīng)。

4 結(jié)束語

輪胎的錐度效應(yīng)及角度效應(yīng)影響車輛的直線行駛性能。角度效應(yīng)受輪胎設(shè)計(jì)參數(shù)影響較大，其方向不隨輪胎在車輛上的安裝位置而改變，對車輛的直行性能影響較小，因而在實(shí)際輪胎性能匹配過程中，不需要對角度效應(yīng)做嚴(yán)格限制。錐度效應(yīng)受輪胎的制造工藝影響較大，其分布范圍較寬，若左、右側(cè)輪胎的錐度力相互抵消，則車輛具有較好的直行穩(wěn)定性，若左、右側(cè)輪胎的錐度力同向或不能完全抵消，車輛的跑偏趨勢會非常顯著，因而需對輪胎錐度效應(yīng)做出嚴(yán)格限制，以減小其對車輛直行性能的影響。

1 SAE J2047 V002,Tire Performance Technology,1998.

2 Hans.Pacejka.Tyre and Vehicle Dynamics.Butterworth-Heinemann,2006.

3 Gent A N,Walter J D.,Pneumatic Tire.NHTSA,2005.

4 JUNG-HWAN LEE,Analysis of Tire Effect on the Simula?tion of Vehicle Straight Line Motion,Vehicle System Dy?namics,33(2000),pp.373-390.

5 Identification of a Vehicle Pull Mechanism.Seoul 2000 FIS?ITA World Automotive Congress F2000G353 June 12-15, 2000,Seoul,Korea.

6 盧蕩,郭孔輝.輪胎結(jié)構(gòu)不對稱性對其力學(xué)特性建模的影響.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2004，34（2）.

（責(zé)任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2015年2月25日。

The Influence of Tire Conicity and Plysteer Effect on Vehicle Straight Line Driving Performance

Jin Lingge,Qin Min
（State Key Laboratory of Comprehensive Technology on Vehicle Vibration Noise&Safety Control, China FAW Co.,Ltd R&D Center）

The tire property model is established according to the generating mechanism of the tire conicity and plysteer effect.Through tire performance test and vehicle dynamics modeling simulation,the influence of tire conicity and plysteer on vehicle straight line driving performance is expounded.The study shows that the tire conicity has great influence on the vehicle straight line driving performance,so it need to be controlled,on the other hand,the plysteer has less influence on the vehicle straight line performance.

Tire，Conicity effect，Plysteer effect，Vehicle performance，Straight line driving performance

輪胎 錐度效應(yīng) 角度效應(yīng) 車輛性能 直行性能

U463.341

A

1000-3703（2015）09-0059-04