輪胎與整車匹配技術(shù)研究

車明明，索艷茹，馬 堯，王志楠，王園園

[1.浦林成山（山東）輪胎有限公司，山東 青島 264300；2.吉林大學(xué) 汽車工程學(xué)院，吉林 長春 130022]

輪胎作為汽車行駛時與地面接觸的唯一部件，主要作用包括承載車輛的全部質(zhì)量、傳遞地面對汽車的所有力及力矩、降低并吸收汽車行駛中的震動及沖擊力，保證汽車行駛的安全性、操縱穩(wěn)定性和平順性[1-2]。輪胎性能是實現(xiàn)汽車底盤行駛性能的基礎(chǔ)，而底盤性能則需要各個系統(tǒng)的匹配，才能達到整車質(zhì)量要求[3-4]。因此輪胎與整車的匹配研究對輪胎廠及整車廠的合作尤為重要。

1 輪胎主觀評價指標(biāo)參數(shù)對比

本研究主觀評價主要從操縱穩(wěn)定性（包括轉(zhuǎn)向）和平順性兩方面進行，原配輪胎（OE輪胎）和匹配輪胎具體評價內(nèi)容及結(jié)果如表1所示。主觀描述如下。

表1 主觀評價內(nèi)容及結(jié)果

（1）原車出廠時的OE輪胎具有輕微轉(zhuǎn)向不足；匹配輪胎具有較大轉(zhuǎn)向不足。

（2）OE輪胎具有舵感建立，開始響應(yīng)稍慢但無過多延遲，線性感良好；匹配輪胎舵感建立不佳，響應(yīng)延遲偏多，線性感不佳。

（3）OE輪胎側(cè)傾抑制良好；匹配輪胎側(cè)傾抑制不足。

（4）OE輪胎抓著力適中，沒有過多轉(zhuǎn)向過度，后軸安定性無太大問題；匹配輪胎平衡性不足，后軸滑移大，過度轉(zhuǎn)向趨勢明顯。

（5）OE輪胎包覆感良好，入力感小；匹配輪胎包覆感略差，入力感稍偏強。

（6）OE輪胎車體晃動抑制良好，振動頻度稍大；匹配輪胎車體晃動程度大，振動頻度偏大。

由主觀評價及描述可以看出OE輪胎對應(yīng)的操縱穩(wěn)定性及平順性較好。

2 輪胎客觀測試指標(biāo)參數(shù)對比

不同側(cè)偏角下輪胎側(cè)偏剛度-垂向負荷曲線如圖1所示。

從圖1可以看出：負荷小于6.4 kN時，OE輪胎的側(cè)偏剛度大于匹配輪胎；而負荷大于6.4 kN時，匹配輪胎的側(cè)偏剛度較大。

圖1 不同側(cè)偏角的輪胎側(cè)偏剛度曲線

輪胎扭轉(zhuǎn)剛度隨垂向負荷的變化曲線如圖2所示。

圖2 輪胎扭轉(zhuǎn)剛度曲線

從圖2可以看出：負荷為3.2 kN時，匹配輪胎的扭轉(zhuǎn)剛度稍大；負荷為6.4和9.6 kN時，匹配輪胎的扭轉(zhuǎn)剛度較小。

輪胎在不同垂向負荷下的松弛長度如圖3所示。

圖3 輪胎松弛長度曲線

從圖3可以看出OE輪胎的松弛長度較大。

輪胎側(cè)向剛度和縱向剛度曲線分別如圖4和5所示。輪胎垂向剛度如表2所示。

表2 輪胎垂向剛度 N·mm-1

圖4 輪胎側(cè)向剛度曲線

圖5 輪胎縱向剛度曲線

從圖4和5及表2可以看出，總體上匹配輪胎的剛度均較大。

輪胎接地印痕面積如表3所示。

表3 輪胎接地印痕面積

從表3可以看出：側(cè)傾角為0°時，匹配輪胎接地面積較大；側(cè)傾角為6°時，匹配輪胎在負荷為3.2和6.4 kN時的分塊接觸面積較小。

各條狀凸塊方式放置下輪胎垂向剛度如表4所示。

表4 各條狀凸塊方式放置下輪胎垂向剛度 N·mm-1

從表4可以看出，總體上匹配輪胎過條狀凸塊時垂向剛度略大。

不同負荷下輪胎過條狀凸塊時垂向力波動曲線如圖6—8所示。

圖6 小負荷下輪胎過條狀凸塊垂向力波動曲線

圖7 中等負荷下輪胎過條狀凸塊垂向力波動曲線

圖8 大負荷下輪胎過條狀凸塊垂向力波動曲線

從圖6—8可以看出，OE輪胎相對于匹配輪胎在過條狀凸塊后能夠快速地衰減振動。

3 對標(biāo)分析

3.1 轉(zhuǎn)向不足特性

影響整車轉(zhuǎn)向不足特性的主要因素包括前后軸側(cè)偏剛度、質(zhì)心位置、懸掛和非懸掛質(zhì)量、前后懸架側(cè)傾中心位置、前束角和側(cè)傾角變化、輪胎側(cè)偏剛度。整車主觀評價是同一輛車在不同輪胎（輪胎規(guī)格相同）條件下進行的，因此分析輪胎時可以忽略汽車其他因素的影響。

輪胎側(cè)偏剛度對轉(zhuǎn)向不足特性影響最大，可以通過改變輪胎的側(cè)偏剛度來改變整車的不足轉(zhuǎn)向度。

輪胎側(cè)偏剛度對轉(zhuǎn)向不足特性的影響如圖9所示。

圖9 輪胎側(cè)偏剛度對轉(zhuǎn)向不足特性的影響

從圖9可以看出，若減小后輪側(cè)偏剛度，則后輪側(cè)偏角增大，從而使整車的過度轉(zhuǎn)向趨勢增大。

輪胎側(cè)偏剛度變化曲線如圖10所示。

圖10 輪胎側(cè)偏剛度變化曲線

從圖10可以看出：側(cè)偏剛度隨垂直負荷的增大而增大，但垂直負荷過大，輪胎與地面接觸區(qū)的壓力變得不均勻，使輪胎側(cè)偏剛度反而減?。黄囖D(zhuǎn)彎時，車身發(fā)生側(cè)傾，垂直負荷在內(nèi)外側(cè)輪胎會重新分配。在離心力的作用下，車身向彎道外側(cè)傾斜。

外側(cè)輪胎負荷增大ΔW，內(nèi)側(cè)輪胎負荷減小ΔW，此時的平均側(cè)偏剛度K1小于初始平均側(cè)偏剛度K0。

另外，輪胎垂直負荷對側(cè)傾角剛度略有影響，從而影響負荷轉(zhuǎn)移量，進而影響平均側(cè)偏剛度。

汽車在剛轉(zhuǎn)向時，前輪為轉(zhuǎn)向輪，增大輪胎的側(cè)偏剛度可以減小前輪的側(cè)偏角，進而減小不足轉(zhuǎn)向趨勢。

3.2 轉(zhuǎn)向性能

根據(jù)主觀評價報告，轉(zhuǎn)向性能主要分析轉(zhuǎn)向舵感、響應(yīng)性及線性感。

車輛力矩傳遞關(guān)系如圖11所示，其中M為車輪轉(zhuǎn)向力矩，MZ為方向盤轉(zhuǎn)向力矩。

圖11 車輛力矩傳遞關(guān)系

舵感的建立與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和輪胎的扭轉(zhuǎn)剛度有很大的關(guān)系。地面對汽車的力由輪胎傳遞到輪輞，然后由輪輞通過轉(zhuǎn)向節(jié)傳遞到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，進而傳遞到駕駛員手上。

本研究主觀評價測試是用不同輪胎的同一輛車，分析舵感僅從扭轉(zhuǎn)剛度著手。當(dāng)增大輪胎的扭轉(zhuǎn)剛度時，駕駛員若想使汽車轉(zhuǎn)動一定的角度則需要更大的扭轉(zhuǎn)力矩，同時路面反饋的力矩也更大，舵感增強。對比主觀評價及輪胎客觀測試，可以通過增大匹配輪胎扭轉(zhuǎn)剛度來增大舵感。

轉(zhuǎn)向響應(yīng)的快慢與轉(zhuǎn)向系的間隙和剛度、轉(zhuǎn)向傳動比、懸架布置、輪胎側(cè)偏剛度、側(cè)向松弛長度有關(guān)。一方面由于輪胎存在側(cè)偏，使得車輪希望的轉(zhuǎn)角小于實際轉(zhuǎn)角；另一方面當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤時，輪輞跟隨轉(zhuǎn)動一定的角度，由于輪胎是彈性體，若想輪胎也轉(zhuǎn)動同樣角度需要一段時間，這段時間為轉(zhuǎn)向響應(yīng)遲滯時間。

從轉(zhuǎn)向輪分析，假如轉(zhuǎn)向傳動比為20，當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)動360°時，理論上車輪轉(zhuǎn)動18°，但是由于側(cè)偏的存在，會使車輛產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)向相反的側(cè)偏角，側(cè)偏剛度越大，側(cè)偏角越小，轉(zhuǎn)向響應(yīng)越好。

輪胎側(cè)向松弛長度即在瞬態(tài)激勵下，輪胎從開始滾動到所有力與力矩達到平衡時所滾過的距離。增大側(cè)向松弛長度可以減慢響應(yīng)速度，但在速度較高時松弛長度的影響較小。

通過主觀評價及輪胎客觀測試結(jié)果及以上分析，可以通過增大匹配輪胎的側(cè)偏剛度來解決響應(yīng)慢的問題。

線性感主要指轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向力矩的線性變化，即小角度轉(zhuǎn)向和大角度轉(zhuǎn)向之間力的增長關(guān)系。例如，小角度轉(zhuǎn)向很費力，那么大角度轉(zhuǎn)向是否也很費力，并且是否呈線性增長，而不會發(fā)生突然變化。

轉(zhuǎn)向線性感是在低速轉(zhuǎn)向或者原地轉(zhuǎn)向試驗下評價的。影響轉(zhuǎn)向力矩平穩(wěn)變化的因素主要是轉(zhuǎn)向輸入軸與輸出軸的相位角及轉(zhuǎn)向齒條的間隙及各個部件之間的摩擦、硬點設(shè)計、輪胎回正力矩、轉(zhuǎn)向助力，轉(zhuǎn)向線性感與轉(zhuǎn)向助力的調(diào)校相關(guān)，輪胎回正力矩需要與轉(zhuǎn)向助力進行匹配。因此若想改善匹配輪胎的轉(zhuǎn)向線性感，需要調(diào)整輪胎回正力矩。

3.3 側(cè)傾抑制

汽車的側(cè)傾程度與側(cè)傾剛度、側(cè)傾中心、汽車質(zhì)心、抓著力等有關(guān)[5]。整車的側(cè)傾剛度一方面與懸架的側(cè)傾剛度有關(guān)，另一方面與輪胎的垂向剛度有關(guān)。汽車在側(cè)傾時，若側(cè)傾剛度大，在相同的側(cè)傾力矩下，側(cè)傾角小。若輪胎的垂向剛度大，則整車的側(cè)傾剛度大，對于抑制側(cè)傾有一定的作用，但輪胎的垂向剛度較小則側(cè)傾剛度不大，對側(cè)傾抑制效果較小。

在極限工況下，抓著力對側(cè)傾影響很大，其他條件相同的情況下，輪胎抓著力大的汽車側(cè)傾程度較大，反之側(cè)傾程度較小[6-7]。主觀評價報告的結(jié)果是匹配輪胎的側(cè)傾抑制不足，OE輪胎的側(cè)傾抑制良好，由于無法知曉該主觀評價結(jié)果是在汽車處于什么狀態(tài)下得出的，因此無法得出結(jié)論。但可以從抓著力和垂向剛度方面解決側(cè)傾抑制不足的問題。通過減小匹配輪胎的抓著力可以改善其在極限工況下側(cè)傾抑制不足的問題[8]。

3.4 抓著力

抓著力與輪胎接地印痕面積、胎面花紋、胎面材料等有關(guān)。從表3可以看出，匹配輪胎在外傾角為0°時的接地面積更大，但是存在6°外傾角時，OE輪胎在負荷3.2和6.4 kN時的分塊接地面積較大。由于花紋塊、輪胎材料對抓著力影響較大，因此僅從接地面積上無法分析原因?？梢酝ㄟ^改變輪胎花紋塊結(jié)構(gòu)、材料、輪胎接地面積等來改善該現(xiàn)象。

3.5 平順性

平順性主要從沖擊入力感、包覆感、車體晃動抑制能力等方面來分析[9]。

車輛沖擊力傳遞路線如圖12所示。

圖12 車輛沖擊力傳遞路線

輪胎在遇到障礙物時，沖擊力一方面通過輪胎過濾后傳遞到懸架，然后由懸架進一步減緩沖擊，再通過副車架傳遞到車身，最后傳遞到乘坐人員。另一傳遞路徑為輪胎傳遞到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，再傳遞到駕駛員手上。

從圖12可以看出，輪胎的縱向和垂向剛度、懸架的剛度、副車架與車身連接襯套、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度等對沖擊入力感有很大的影響。把影響因素單獨分解到輪胎上為輪胎縱向與垂向剛度。

由輪胎客觀測試對比可知，OE輪胎的縱向與垂向剛度多數(shù)條件下較小，其對應(yīng)的沖擊力多數(shù)情況下應(yīng)該比較小，主觀評價結(jié)果為OE輪胎的入力感弱，匹配輪胎的入力感強，原因可能是在實際負荷下OE輪胎的縱向與垂向剛度的綜合影響小于匹配輪胎?？梢酝ㄟ^減小匹配輪胎的縱向剛度和垂向剛度來減小沖擊入力感。

主觀評價結(jié)果為OE輪胎的包覆感良好，匹配輪胎的包覆感差。包覆感與輪胎的包容剛度（胎面花紋的剛性）相關(guān)，增大包容剛度有增大包覆感的趨勢。根據(jù)輪胎客觀測試對比可知總體上匹配輪胎的包容剛度略大，這與主觀評價結(jié)果一致?？梢酝ㄟ^減小匹配輪胎的包容剛度來減小包覆感。

單從輪胎上講，車體晃動收斂的快慢與輪胎的阻尼有關(guān)，增大阻尼可以快速衰減晃動。主觀評價結(jié)果為OE輪胎振動頻度稍大，匹配輪胎振動頻度大，收斂性稍差?？赡艿脑蚴蔷C合垂向力和縱向力波動情況下匹配輪胎的收斂性差。可以通過增大匹配輪胎的垂向阻尼來快速衰減振動。

4 結(jié)論

（1）改變輪胎的側(cè)偏剛度可以改變整車的不足轉(zhuǎn)向度。

（2）增大輪胎扭轉(zhuǎn)剛度可以增大舵感，增大輪胎的側(cè)偏剛度可以解決輪胎響應(yīng)慢問題，調(diào)整輪胎回正力矩可以改善輪胎的轉(zhuǎn)向線性感。

（3）減小輪胎的抓著力可以改善其在極限工況下側(cè)傾抑制不足。

（4）改變輪胎花紋塊結(jié)構(gòu)、材料和輪胎接地面積等可以改善抓著力。

（5）減小輪胎的縱向和垂向剛度可以減小沖擊入力感，減小輪胎的包容剛度可以減小包覆感，增大輪胎的垂向阻尼可以快速衰減振動。

綜上所述，充分利用輪胎特性可以提高整車性能，從而提高輪胎與整車的匹配性。