輪胎錐度效應(yīng)和簾布效應(yīng)對車輛跑偏的差異性影響分析

陳國軍，呂彥青，包戴遠(yuǎn)

(湖南獵豹汽車股份有限公司，湖南長沙 410000)

輪胎錐度效應(yīng)和簾布效應(yīng)對車輛跑偏的差異性影響分析

陳國軍，呂彥青，包戴遠(yuǎn)

(湖南獵豹汽車股份有限公司，湖南長沙 410000)

因輪胎結(jié)構(gòu)不對稱性導(dǎo)致的錐度效應(yīng)及簾布效應(yīng)顯著影響輪胎的力學(xué)特性，也是造成車輛跑偏的主要因素。對輪胎結(jié)構(gòu)不對稱性進(jìn)行深入分析，研究輪胎結(jié)構(gòu)不對稱性所導(dǎo)致的錐度效應(yīng)和簾布效應(yīng)的結(jié)構(gòu)成因，以及對跑偏的影響差異性，通過實(shí)例驗(yàn)證和分析得出輪胎錐度效應(yīng)是影響車輛跑偏的主要因素。

輪胎結(jié)構(gòu)不對稱性；錐度效應(yīng)；簾布層效應(yīng)；車輛跑偏

0 引言

車輛跑偏是一個綜合性問題[1]。輪胎作為與路面直接接觸的重要部件，它對車輛行駛性能影響最大。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)致輪胎結(jié)構(gòu)的不對稱性，這些不對稱性會使得輪胎產(chǎn)生錐度效應(yīng)和簾布效應(yīng)[2]，顯著影響輪胎的力學(xué)特性[3]，是造成車輛跑偏的主要因素。在車輛跑偏問題分析中，如何考慮輪胎錐度效應(yīng)及簾布效應(yīng)的影響，是改善車輛由于輪胎結(jié)構(gòu)不對稱性引起跑偏的關(guān)鍵。為此，作者對輪胎錐度效應(yīng)和簾布效應(yīng)的形成機(jī)制進(jìn)行深入分析，著重闡述兩者對車輛跑偏的差異性。

1 輪胎錐度效應(yīng)和簾布效應(yīng)

1.1 錐度效應(yīng)與錐度力

輪胎錐度力是受負(fù)荷輪胎在旋轉(zhuǎn)時不因輪胎旋轉(zhuǎn)方向改變而改變方向的側(cè)向力偏移值。錐度力的大小為正轉(zhuǎn)(CW)和反轉(zhuǎn)(CCW)側(cè)向力測試值FL的積分平均值，其方向與側(cè)向力方向一致，輪胎側(cè)向力測試曲線如圖1所示，圖中U/F表示輪胎測試儀、ΔF表示輪胎側(cè)向力的最大變化量。輪胎錐度的形成與子午線輪胎胎體帶束偏離中心位置有關(guān)，受制造工藝誤差影響較大，因而其分布范圍相對較寬，當(dāng)輪胎滾動方向改變時，錐度效應(yīng)導(dǎo)致的輪胎側(cè)向力及回正力矩的方向相對于絕對坐標(biāo)系是不變的。

圖1 輪胎側(cè)向力測試曲線

1.2 簾布效應(yīng)與簾布力

輪胎簾布力是由輪胎最外層簾布層角度不同而引起的隨輪胎旋轉(zhuǎn)方向改變而改變方向的側(cè)向力偏移值。簾布力由輪胎帶束層簾布線的角度設(shè)計(jì)參數(shù)決定，且最外層的簾布線起主要作用，當(dāng)輪胎滾動方向改變時，簾布層效應(yīng)導(dǎo)致的輪胎側(cè)向力及回正力矩的方向相對于絕對坐標(biāo)系是改變的。

1.3 殘余側(cè)向力與殘余回正力矩

定義在輪胎側(cè)向力和回正力矩與側(cè)偏角特性曲線中，如圖

2所示，輪胎側(cè)向力(FL)為0時的側(cè)偏角α1對應(yīng)的回正力矩為輪胎殘余回正力矩(TRA)；輪胎回正力矩(TA)為0時的側(cè)偏角α2對應(yīng)的側(cè)向力為輪胎殘余側(cè)向力(FRL)。由文獻(xiàn)[5]可知，輪胎殘余側(cè)向力和殘余回正力矩均與輪胎簾布效應(yīng)無關(guān)，只與輪胎錐度效應(yīng)呈線性關(guān)系，同時，文獻(xiàn)[6]通過試驗(yàn)研究證明車輛跑偏與輪胎錐度效應(yīng)呈線性關(guān)系。

圖2 輪胎側(cè)向力和回正力矩與側(cè)偏角特性曲線

2 車輛跑偏影響差異性分析

由于輪胎錐度效應(yīng)與簾布效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)制不同，故更換輪胎在車輛上的左、右安裝位置可使錐度效應(yīng)改變方向，而輪胎的簾布效應(yīng)則不隨輪胎在車輛上的安裝位置而改變方向。因此，錐度效應(yīng)和簾布效應(yīng)的不同特性使得兩者對車輛跑偏有不同的影響。

2.1 錐度效應(yīng)

當(dāng)車輛的輪胎由于存在結(jié)構(gòu)不對稱性而產(chǎn)生了錐度效應(yīng)時，意味著輪胎的斷面呈現(xiàn)圓錐形過程，其外傾角等于0°而引發(fā)了車輪外傾現(xiàn)象[1]。輪胎保持某種角度進(jìn)行直線運(yùn)動時，由于輪胎的錐度效應(yīng)引起的側(cè)向力作用于輪胎而使其向某側(cè)偏擺。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的根本原因是輪胎的錐度效應(yīng)是等效的側(cè)傾推力[2]，錐度效應(yīng)產(chǎn)生的力矩作用與車輛的跑偏趨勢相同，因而形成疊加效應(yīng)，進(jìn)一步加劇車輛跑偏。

當(dāng)車輛兩個前輪具有方向一致的錐度效應(yīng)(包含側(cè)向力和回正力矩)時，即兩個前輪的錐度效應(yīng)進(jìn)行同向疊加后，該車輛跑偏的可能性增大，如圖3所示；反之，車輛兩個前輪的錐度效應(yīng)進(jìn)行反向疊加后，能夠抵消掉一部分某一方向的錐度效應(yīng)，則該車輛跑偏的可能性會降低，如圖4所示。當(dāng)輪胎在某一方向上的錐度效應(yīng)超過一定限值時，車輛跑偏就不可避免。因此，嚴(yán)格控制輪胎由于錐度效應(yīng)產(chǎn)生的側(cè)向力和回正力矩的大小與方向，有利于降低車輛跑偏的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 錐度效應(yīng)同向疊加效果

圖4 錐度效應(yīng)反向疊加效果

2.2 簾布效應(yīng)

輪胎的簾布效應(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，由輪胎簾布效應(yīng)引起的車輛跑偏原理如圖5所示。

圖5 輪胎簾布效應(yīng)引起車輛跑偏原理

圖5中橫坐標(biāo)表示路面?zhèn)葍A角λ，縱坐標(biāo)表示由于簾布效應(yīng)導(dǎo)致的輪胎側(cè)向力(FL)或回正力矩(TA)。

圖5(a)表明：在平直路面上，即λ=0°，且FL=TA=0時，車輛保持直線行駛。

圖5(b)表明：在傾斜路面上，即λ≠0°，但FL=TA=0時，車輛會出現(xiàn)行駛跑偏現(xiàn)象，跑偏方向?yàn)槁访鎯A斜較低的一側(cè)。如當(dāng)車輛靠右行駛在傾斜路面上時，車輛會承受到左高右低的行駛狀態(tài)，使車輛產(chǎn)生向右推的橫向力，并作用于車輛使其向右側(cè)跑偏，跑偏程度與λ有關(guān)。但由于輪胎的簾布效應(yīng)相同，車輛在直線行駛時達(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，即輪胎的簾布效應(yīng)對車輛跑偏的影響程度較小。

圖5(c)表明：在傾斜路面上，即λ≠0°，且FL≠0°、TA≠0°時，車輛能夠保持直線行駛。如當(dāng)車輛靠右行駛在傾斜路面上時，當(dāng)輪胎需要對抗傾斜路面所產(chǎn)生的橫向力時，其自身結(jié)構(gòu)(設(shè)計(jì)上考慮)會產(chǎn)生向左推的力，也就是由輪胎簾布效應(yīng)引發(fā)的回正力矩，以此來對抗路面傾斜造成的橫向力。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的根本原因是輪胎的簾布效應(yīng)力從本質(zhì)上講是一種等效的側(cè)偏力[2]，簾布效應(yīng)產(chǎn)生的等效側(cè)偏現(xiàn)象使輪胎產(chǎn)生回正力矩，因而在簾布效應(yīng)的作用下，車輛產(chǎn)生一定程度的跑偏，但在回正力矩作用下，車輛有回到直線行駛位置的趨勢，因而會減小車輛的跑偏，進(jìn)一步說明輪胎的簾布效應(yīng)對車輛跑偏的影響程度較小。

3 實(shí)例驗(yàn)證

為進(jìn)一步考察輪胎錐度效應(yīng)和簾布效應(yīng)對車輛跑偏的差異性影響，采用10條具有不同錐度力值和簾布力值的某型號輪胎(225/60R18)，標(biāo)明輪胎的錐度效應(yīng)方向，設(shè)計(jì)12種不同的輪胎錐度力和簾布力搭配方案，將輪胎配對安裝在試驗(yàn)車的前輪進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)在車輛跑偏測試專用水泥路面上進(jìn)行，路面平坦干燥，試驗(yàn)時微風(fēng)，試驗(yàn)車經(jīng)過檢查調(diào)整后，在專用測試路面上反復(fù)試驗(yàn)，均無行駛跑偏現(xiàn)象。規(guī)定錐度力合力(左前輪-右前輪)為正值時合力方向向左，負(fù)值時合力方向向右，試驗(yàn)車前輪錐度力和簾布力對車輛跑偏的影響結(jié)果如表1 所示。

表1 前輪錐度力和簾布力對車輛跑偏的影響結(jié)果

由表1的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

(1)輪胎的錐度效應(yīng)對車輛跑偏有很大影響，車輛的跑偏方向基本上由輪胎錐度力的合力方向決定；

(2)通過對比可發(fā)現(xiàn)：當(dāng)錐度效應(yīng)與簾布層效應(yīng)相同時，錐度效應(yīng)對車輛直線行駛穩(wěn)定性的影響比簾布效應(yīng)要明顯很多；

(3)從這12組輪胎的錐度力和簾布力數(shù)據(jù)可以看出：錐度力因制造工藝誤差影響使其分布范圍相對較寬，簾布力主要由簾布角度等設(shè)計(jì)參數(shù)決定因此其分布范圍相對較窄；

(4)當(dāng)錐度效應(yīng)超過一定限值時，車輛的跑偏量急劇增大，若左、右輪的錐度效應(yīng)同向，則車輛的直線行駛穩(wěn)定性會受到很大影響，因此，在實(shí)際輪胎與車輛的匹配中，要約束車輛輪胎的錐度效應(yīng)。

4 結(jié)論

由于輪胎的結(jié)構(gòu)不對稱性導(dǎo)致的錐度效應(yīng)及簾布效應(yīng)會影響車輛的直線行駛性能。簾布效應(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。錐度效應(yīng)受輪胎的制造工藝影響較大，其分布范圍較寬，能夠顯著影響車輛的跑偏趨勢，因而需對輪胎錐度效應(yīng)做出嚴(yán)格限制，以減小其對車輛跑偏的影響。

【1】GENT A N,WALTER J D.Pneumatic Tire[R].National Highway Traffic Safety Administration,2005.

【2】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[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2004,34(2):185-188. LU D,GUO K H.Structure Unsymmetry Effect on Tire Mechanical Behavior Modeling[J].Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition),2004,34(2):185-188.

【3】余雙玉.輪胎均勻性及其影響因素[J].輪胎工業(yè)，2008,28(8):463-469.

【4】金凌鴿，秦民.輪胎錐度效應(yīng)及角度效應(yīng)對車輛直行性能影響研究[J].汽車技術(shù)，2015(9):59-62. JIN L G,QIN M.The Influence of Tire Conicity and Plysteer Effect on Vehicle Straight Line Driving Performance[J].Automotive Engineering,2015(9):59-62.

【5】杭柏林，趙明達(dá).輪胎均勻性徑向特性參數(shù)影響因素的分析[J].橡膠工業(yè)，2011,58(3):146-150. HANG B L,ZHAO M D.Factors Affecting Radial Parameters of Tire Uniformity[J].Rubber Industry,2011,58(3):146-150.

【6】沈逸敏.輪胎對汽車行駛跑偏的影響[J].輪胎工業(yè)，2005,25(8):498-499.

The Difference Influence of Tire Conicity Effect and Plysteer Effect on Vehicle Pull

CHEN Guojun,LV Yanqing,BAO Daiyuan

(Hunan leopaard auto Limited by Share Ltd.,Changsha Hunan 410000,China)

Conicity effect and plysteer effect caused by tire structure asymmetry have significant influence on tire mechanical behavior,they are also the main factors for vehicle pull. The tire structure asymmetric was investigated in detail, causes of tire structure asymmetry resulting in conicity effect and plysteer effect were researched, as well as the impact difference on vehicle pull.The study shows that the tire conicity effect is the main factor for vehicle pull through verification and analysis of examples.

Tire structure asymmetry; Conicity effect; Plysteer effect; Vehicle pull

2017-01-10

陳國軍(1983—)，男，碩士，工程師，主要從事整車質(zhì)量管理和底盤質(zhì)量整改工作。E-mail:gjchencc@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.05.009

U461

B

1674-1986(2017)05-042-04