轎車輪胎結(jié)構(gòu)特性與舒適性研究

張文清，吳 健，李增平，劉文超，金 興，李凌云

（中策橡膠集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310018）

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)整車平順性和乘坐舒適性提出了越來(lái)越高的要求，其中整車平順性是車輛性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，直接關(guān)系到乘坐舒適性[1]。影響整車平順性的因素有懸架系統(tǒng)性能、懸置性能以及輪胎性能[2]。輪胎是整車與地面接觸的唯一部件，承載著整車的所有負(fù)荷，并承擔(dān)著傳遞和過(guò)濾不平路面對(duì)整車沖擊的任務(wù)，輪胎包容特性及動(dòng)態(tài)沖擊特性[3-4]對(duì)整車平順性有重要的影響[5]。

本工作選用215/50R17 95W輪胎，調(diào)整其三角膠高度和帶束層角度，設(shè)計(jì)3種結(jié)構(gòu)方案，通過(guò)室內(nèi)剛性及動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)獲得其力學(xué)特性數(shù)據(jù)，并在試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，研究輪胎結(jié)構(gòu)特性、室內(nèi)力學(xué)性能及場(chǎng)地主觀舒適性（舒適性）之間的關(guān)系，以對(duì)不同結(jié)構(gòu)方案的輪胎進(jìn)行性能預(yù)判，實(shí)現(xiàn)優(yōu)選和改善。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要設(shè)備

ZF HSU-L-5.3輪胎高速均勻性測(cè)試系統(tǒng)，德國(guó)ZF公司產(chǎn)品（見(jiàn)圖1）；輪胎剛性試驗(yàn)機(jī)，汕頭市浩大輪胎測(cè)試裝備有限公司產(chǎn)品（見(jiàn)圖2）。

圖1 輪胎高速均勻性測(cè)試系統(tǒng)

圖2 輪胎剛性試驗(yàn)機(jī)

1.2 試驗(yàn)輪胎及方案

試驗(yàn)輪胎規(guī)格為215/50R17 95W。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，改善輪胎舒適性，主要調(diào)整其胎側(cè)和胎冠剛性。調(diào)整胎側(cè)剛性主要有改變?nèi)悄z的高度或硬度、胎體層數(shù)、胎體反包高度等方法。調(diào)整胎冠剛性主要有改變帶束層的角度或?qū)挾鹊确椒ā?/p>

本工作通過(guò)調(diào)整輪胎三角膠高度和帶束層角度，設(shè)計(jì)了3種試驗(yàn)方案，如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案

從表1可以看出，本研究以1#方案為基礎(chǔ)，通過(guò)增大帶束層角度得到2#方案，在2#方案基礎(chǔ)上，再減小輪胎三角膠高度，得到3#方案。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 剛性試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：充氣壓力 230 kPa，負(fù)荷 500 kg。

按照GB/T 23663—2009進(jìn)行輪胎剛性試驗(yàn)。以徑向加載速度（50±2.5） mm·min-1加載至輪胎指定試驗(yàn)負(fù)荷的120%，繪制輪胎的徑向位移（橫軸）-徑向力（縱軸）曲線，取100%試驗(yàn)負(fù)荷處的曲線斜率為輪胎徑向剛性。

1.3.2 動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)

按照SAE J 2730—2021[6]進(jìn)行輪胎室內(nèi)動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件：充氣壓力 220 kPa，負(fù)荷 2 000 N，速度 60 km·h-1。

將輪胎安裝到高速均勻性試驗(yàn)機(jī)上，并在轉(zhuǎn)鼓上安裝沖擊條進(jìn)行試驗(yàn)。為了衡量轉(zhuǎn)鼓上的凸臺(tái)對(duì)輪胎帶來(lái)的沖擊影響，力傳感器將對(duì)輪胎所受的瞬時(shí)沖擊力及衰減情況進(jìn)行測(cè)試，可同時(shí)得到徑向力、橫向力及切向力與時(shí)間的關(guān)系曲線。本試驗(yàn)采用直角型沖擊條，寬度為2.5 cm，高度分別為1和1.5 cm，沖擊條與轉(zhuǎn)鼓路面平行安裝（0°），采樣頻率為1 000 Hz。

1.3.3 場(chǎng)地舒適性主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)

試驗(yàn)場(chǎng)地為安徽定遠(yuǎn)汽車試驗(yàn)場(chǎng)。

車手1名，具有10年以上經(jīng)驗(yàn)，負(fù)責(zé)舒適性主觀評(píng)價(jià)。車輛選用紳寶X35手動(dòng)擋（新車）。氣壓表1個(gè)，用于確認(rèn)輪胎充氣壓力。

試驗(yàn)方法：每個(gè)方案輪胎在預(yù)跑幾圈后，分別在光滑平整柏油路面、粗糙柏油路面、不規(guī)則路面（路面破損、凹凸不平有接縫）上進(jìn)行舒適性測(cè)試，并根據(jù)車手主觀感受予以綜合評(píng)分。

2 結(jié)果與討論

2.1 剛性試驗(yàn)

輪胎徑向剛性與其振動(dòng)、舒適性有關(guān)，輪胎徑向剛性過(guò)大，輪胎展平能力差，汽車行駛平順性差，汽車高頻和低頻共振都較大，不利于輪胎吸收汽車所受的路面沖擊；輪胎徑向剛性過(guò)小，輪胎的側(cè)向偏離增大，影響穩(wěn)定性，還會(huì)使?jié)L動(dòng)阻力增大，輪胎壽命縮短。輪胎縱向剛性影響到滾動(dòng)阻力及車輪負(fù)荷條件改變時(shí)胎冠切向力的再分布，直接影響操縱性能。

輪胎的徑向和縱向剛性試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 輪胎的徑向和縱向剛性試驗(yàn)結(jié)果 N·mm-1

從表2可以看出：1#方案輪胎的徑向和縱向剛性相對(duì)較大，3#方案輪胎其次，2#方案輪胎最小；相對(duì)于1#方案輪胎，2#方案輪胎帶束層角度增大，徑向和縱向剛性均下降；相對(duì)于3#方案輪胎，2#方案輪胎三角膠高度增大，縱向剛性下降，徑向剛性增大不明顯。

因此，可以認(rèn)為三角膠高度和帶束層角度增大，可降低輪胎的縱向和徑向剛性[7]，輪胎的整體剛性降低。

2.2 室內(nèi)沖擊試驗(yàn)

室內(nèi)沖擊試驗(yàn)可以衡量輪胎越過(guò)障礙物時(shí)的沖擊力大小，主要用于輪胎舒適性評(píng)估和輪胎建模。

室內(nèi)沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表3和4及圖3所示。其中：RF為輪胎徑向力；RFPP為沖擊力峰峰值（輪胎在越過(guò)突起物初始時(shí)力的大?。?/Δt為被沖擊后輪胎的振動(dòng)頻率；振動(dòng)衰減比為輪胎振動(dòng)衰減能力指數(shù)，其值越小，振動(dòng)衰減越快。

從表3和4及圖3可以看出：與1#和3#方案輪胎相比，2#方案輪胎的初始沖擊力[8-10]較小，且3#方案輪胎的初始沖擊力最大；而1#與2#方案輪胎的振動(dòng)頻率和振動(dòng)衰減比較接近，3#方案輪胎的振動(dòng)衰減比最小，說(shuō)明1#和2#方案輪胎的振動(dòng)衰減能力不如3#方案輪胎。因此，增大三角膠高度或者帶束層角度可以降低輪胎通過(guò)障礙物時(shí)的沖擊力，減小三角膠高度可以提高輪胎的振動(dòng)衰減能力[11]。

表3 沖擊條高度為1 cm時(shí)輪胎室內(nèi)沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表4 沖擊條高度為1.5 cm時(shí)輪胎室內(nèi)沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖3 室內(nèi)動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)RF與時(shí)間的關(guān)系

2.3 場(chǎng)地舒適性主觀評(píng)價(jià)

場(chǎng)地舒適性試驗(yàn)主觀評(píng)分對(duì)比如表5所示。

從表5可以看出，2#方案輪胎綜合評(píng)分相對(duì)較高，3#方案輪胎次之，1#方案輪胎最低，但振動(dòng)衰減能力評(píng)分項(xiàng)，3#方案輪胎最高，1#和2#方案輪胎接近。由此可見(jiàn)，2#方案輪胎的場(chǎng)地舒適性相對(duì)1#和3#方案輪胎更好，但3#方案輪胎的振動(dòng)衰減能力最優(yōu)，此結(jié)果與室內(nèi)沖擊試驗(yàn)結(jié)果較為接近。因此，輪胎設(shè)計(jì)選用不同的三角膠高度和帶束層角度可以綜合影響輪胎的舒適性，三角膠高度和帶束層角度增大可以改善輪胎的舒適性。

表5 場(chǎng)地舒適性試驗(yàn)主觀評(píng)分對(duì)比

3 結(jié)論

（1）調(diào)整輪胎結(jié)構(gòu)降低其整體剛性，可以在一定程度上改善輪胎的舒適性，增大三角膠高度或帶束層角度可以提高輪胎舒適性。

（2）減小三角膠高度可以提高輪胎的振動(dòng)衰減能力。

（3）可以通過(guò)室內(nèi)剛性和沖擊測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)估輪胎的場(chǎng)地性能，提前實(shí)現(xiàn)輪胎設(shè)計(jì)方案的優(yōu)選和后期改善，從而提高輪胎設(shè)計(jì)效率，縮短輪胎整車配套的開(kāi)發(fā)周期，并節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。