通過接地特性預(yù)測(cè)輪胎干地制動(dòng)距離

高玲茹，張凱凱，王龍慶，李慧敏

（青島森麒麟輪胎股份有限公司，山東 青島 266229）

當(dāng)今社會(huì)，汽車安全性能越來越受到重視，由于制動(dòng)距離是衡量汽車安全性能的重要指標(biāo)，對(duì)制動(dòng)距離研究的關(guān)注度也在不斷提高[1-2]。作為汽車與路面直接接觸的唯一部件，輪胎與路面的相互作用可以通過輪胎接地特性體現(xiàn)出來，汽車的諸多性能，如操縱穩(wěn)定性、安全性和舒適性等也需要通過輪胎接地印痕得以體現(xiàn)[3-4]。

輪胎接地特性包含輪胎接地的幾何與力學(xué)信息，其研究方法主要有印痕試驗(yàn)、靜負(fù)荷性能測(cè)試、輪胎接地3D掃描和有限元模擬分析[5-8]。采用上述方法的輪胎接地特性研究較多，但是對(duì)輪胎接地特性與實(shí)車測(cè)試的相關(guān)性研究較少，并且不夠深入。因此，有必要從輪胎接地特性的角度出發(fā)，研究不同方案輪胎的干地制動(dòng)距離，進(jìn)而利用接地特性來指導(dǎo)輪胎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本工作通過改變輪胎胎側(cè)搭接寬度設(shè)計(jì)了3個(gè)方案，分析不同方案輪胎的接地特性，并研究通過接地特性預(yù)測(cè)輪胎干地制動(dòng)距離的方法。

1 輪胎方案設(shè)計(jì)

輪胎結(jié)構(gòu)對(duì)接地印痕的影響極大，稍微改動(dòng)某一部位數(shù)據(jù)便會(huì)對(duì)接地印痕產(chǎn)生明顯影響，從而影響輪胎性能。本工作以215/55R17半鋼子午線輪胎為例，設(shè)計(jì)3個(gè)方案（胎側(cè)搭接寬度分別為15，20，25 mm），通過改變胎側(cè)搭接寬度使輪胎干地制動(dòng)距離發(fā)生變化。

輪胎干地制動(dòng)距離是輪胎接地特性參數(shù)（充氣壓力、溫度、負(fù)荷、外緣尺寸、下沉量、接地面積、最大接地長(zhǎng)度和最大接地寬度等）變化的綜合體現(xiàn)，輪胎接地特性應(yīng)對(duì)各種路況變化的能力越強(qiáng)，輪胎干地制動(dòng)距離越短；輪胎的接地印痕越趨近于橢圓，越有利于輪胎的操縱安全性，輪胎干地制動(dòng)距離越短。本工作通過輪胎接地特性參數(shù)對(duì)3個(gè)方案輪胎的制動(dòng)性能進(jìn)行分析。

2 輪胎接地試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)流程

在靜負(fù)荷下進(jìn)行輪胎接地印痕試驗(yàn)，步驟如下。

（1）清理輪胎表面的泥土、碎屑等污染物，將試驗(yàn)輪胎與輪輞的組合體固定在試驗(yàn)機(jī)上。

（2）在輪胎胎側(cè)標(biāo)出所需的試驗(yàn)點(diǎn)。輪胎充氣壓力為250 kPa，負(fù)荷為670 kg。

（3）在輪胎與試驗(yàn)平臺(tái)間放置壓力毯，以50 mm·min-1的速度施加徑向負(fù)荷，確保壓力毯受壓部位不起皺，加載完畢保持2 min以上，記錄該負(fù)荷下的輪胎下沉量、接地印痕形狀及接地壓力分布。

（4）將輪胎以72°等間隔劃分為5個(gè)區(qū)域，分別對(duì)5個(gè)區(qū)域進(jìn)行接地印痕試驗(yàn)，記錄輪胎下沉量、接地印痕形狀及接地壓力分布。

（5）使用Tirescan軟件分析輪胎接地壓力分布特征，取每條輪胎5次試驗(yàn)結(jié)果的平均值，從而保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性與可信度。

2.2 接地特性參數(shù)

輪胎部分接地特性參數(shù)如圖1所示。

圖1 部分接地特性參數(shù)示意

（1）接地面積。充氣輪胎在靜負(fù)荷作用下與剛性地面、試驗(yàn)臺(tái)接觸的幾何圖形（接地印痕）的面積。

（2）中間接地長(zhǎng)度。接地印痕中部沿車輛行駛方向的長(zhǎng)度。

（3）接地寬度。接地印痕中部垂直車輛行駛方向的長(zhǎng)度。

（4）外側(cè)和內(nèi)側(cè)胎肩接地長(zhǎng)度。外側(cè)和內(nèi)側(cè)胎肩接地長(zhǎng)度為兩側(cè)胎肩花紋筋中部、80%接地寬度處的接地長(zhǎng)度。

（5）接地長(zhǎng)度比值。接地長(zhǎng)度比值＝2×中間接地長(zhǎng)度/（外側(cè)胎肩接地長(zhǎng)度＋內(nèi)側(cè)胎肩接地長(zhǎng)度）。

（6）下沉量。下沉量＝無負(fù)荷時(shí)充氣輪胎斷面高度－負(fù)荷下充氣輪胎斷面高度。

（7）矩形率。矩形率＝接地印痕面積/（中間接地長(zhǎng)度×接地寬度）。

本工作通過3種方案輪胎的接地特性參數(shù)和接地印痕，研究接地特性對(duì)輪胎干地制動(dòng)距離的影響，并通過實(shí)車測(cè)試結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3種方案輪胎的接地印痕如圖2所示，3種方案輪胎的接地特性參數(shù)如表1所示。

圖2 3種方案輪胎的接地印痕

表1 3種方案輪胎的接地特性參數(shù)

輪胎接地面積越大，其抓著性能越好，同時(shí)其接地壓力分布越均勻。從表1可以看出，方案1—3輪胎的接地特性參數(shù)并未單純地遞增或遞減，而是存在最佳值，使得輪胎整體接地特性最佳，操縱安全性好，干地制動(dòng)距離短。

從圖2可以看出：方案1和2輪胎接地印痕右側(cè)花紋塊的長(zhǎng)度明顯比中間花紋塊的長(zhǎng)度大，方案2輪胎的中間接地長(zhǎng)度明顯偏小，這2種方案輪胎的接地印痕形狀不良，方案3輪胎的接地印痕形狀稍好；方案2輪胎的接地面積、中間接地長(zhǎng)度、接地寬度和接地長(zhǎng)度比值均最小，矩形率最大，輪胎的接地特性最差，預(yù)測(cè)其干地制動(dòng)距離最長(zhǎng)；方案1輪胎的矩形率較小，方案3輪胎的接地面積大、中間接地長(zhǎng)度大、下沉量小、接地長(zhǎng)度比值大、矩形率介于方案1和2輪胎之間，方案3輪胎的整體接地特性最好；預(yù)測(cè)3種方案輪胎的干地制動(dòng)距離由長(zhǎng)到短依次為方案2，1，3。

方案1—3輪胎的實(shí)測(cè)干地制動(dòng)距離分別為37.4，37.8和36.4 m，方案3輪胎的干地制動(dòng)距離最短，輪胎干地制動(dòng)距離變化規(guī)律與預(yù)測(cè)結(jié)果一致，說明通過接地特性預(yù)測(cè)輪胎干地制動(dòng)距離的方法是有效的。

4 結(jié)語

（1）同一輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)變化對(duì)輪胎接地特性參數(shù)及接地印痕的影響并不是單純地遞增或遞減，而是存在最佳值。

（2）通過接地特性參數(shù)來量化接地印痕，可以預(yù)測(cè)輪胎干地制動(dòng)距離；當(dāng)輪胎接地面積大、中間接地長(zhǎng)度大、接地寬度大、接地長(zhǎng)度比值大、下沉量和矩形率小，輪胎接地印痕接近橢圓形時(shí)，可以預(yù)測(cè)輪胎接地特性和操縱安全性好，干地制動(dòng)距離短。

（3）實(shí)車測(cè)試結(jié)果表明，通過接地特性預(yù)測(cè)輪胎干地制動(dòng)距離的方法是有效的。