半鋼子午線輪胎的側(cè)偏特性研究

秦艷分，張 典，宋 立，王 兵

（中策橡膠集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310018）

操縱穩(wěn)定性一直是車(chē)輛重要的性能指標(biāo)之一，是影響汽車(chē)高速行駛時(shí)安全性的重要因素，被稱(chēng)為“高速車(chē)輛的生命線”。隨著人們生活水平的提高、轎車(chē)性能的不斷提升和道路環(huán)境的不斷改善，轎車(chē)的速度也越來(lái)越高，對(duì)車(chē)輛操縱穩(wěn)定性的要求也隨之提高[1-2]。

輪胎是影響車(chē)輛操縱穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素，其側(cè)偏特性是研究車(chē)輛操縱穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。本工作主要研究輪胎結(jié)構(gòu)對(duì)其側(cè)偏特性的影響，為車(chē)輛操縱穩(wěn)定性研究提供理論指導(dǎo)[3-7]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 設(shè)備

VMI一次法成型機(jī)，荷蘭VMI公司產(chǎn)品；B型液壓雙模定型硫化機(jī)，青島家瑞橡塑機(jī)械有限公司產(chǎn)品；Flat-Trac CT六分力試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)MTS系統(tǒng)公司產(chǎn)品。

1.2 方案

方案1：做3組輪胎，每組輪胎10條，鋼絲帶束層角度分別為20°，26°和30°，其他施工設(shè)計(jì)參數(shù)相同。

方案2：做4組輪胎，每組輪胎10條，三角膠高度分別約為斷面高度的20%，25%，30%和35%，即分別為25，35，45和55 mm，其他施工設(shè)計(jì)參數(shù)相同。

將各半成品輪胎在成型機(jī)上成型，成型胎坯在硫化機(jī)上硫化。

1.3 六分力測(cè)試

采用六分力試驗(yàn)機(jī)對(duì)成品輪胎進(jìn)行穩(wěn)態(tài)側(cè)偏和側(cè)偏剛度測(cè)試。六分力試驗(yàn)機(jī)和試驗(yàn)條件分別如圖1和表1所示。

表1 六分力試驗(yàn)條件

圖1 六分力試驗(yàn)機(jī)

2 結(jié)果與討論

2.1 帶束層角度對(duì)側(cè)偏特性的影響

輪胎側(cè)偏特性主要指?jìng)?cè)偏力、回正力矩與側(cè)偏角之間的關(guān)系。側(cè)偏剛度為側(cè)偏力與側(cè)偏角的比值，回正剛度為回正力矩與側(cè)偏角的比值。一般來(lái)說(shuō)，最大側(cè)偏力越大，車(chē)輛的極限性能越好；側(cè)偏剛度越大，操縱穩(wěn)定性越好。輪胎遇到外力或在轉(zhuǎn)向力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)后，當(dāng)外力或轉(zhuǎn)向力消失時(shí)，回正力矩會(huì)使輪胎恢復(fù)至原直線行駛位置，回正力矩越大，汽車(chē)越能迅速回到原來(lái)直線行駛位置。然而，回正力矩過(guò)大會(huì)使得轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)向力過(guò)大，使轉(zhuǎn)向操作費(fèi)力[8]，因此，回正力矩不宜過(guò)大也不宜過(guò)小。

方案1主要研究帶束層角度對(duì)輪胎側(cè)偏特性的影響。方案1中各組輪胎的側(cè)偏特性關(guān)系曲線如圖2所示。

從圖2（a）可以看出：隨著側(cè)偏角的增大，側(cè)偏力開(kāi)始呈線性增長(zhǎng)；當(dāng)側(cè)偏角增大至3°時(shí)，側(cè)偏力隨著側(cè)偏角的增大開(kāi)始呈非線性增長(zhǎng)；當(dāng)側(cè)偏角增大至6°時(shí)，側(cè)偏力達(dá)到最大值。此時(shí)，接地區(qū)前部和后部產(chǎn)生與輪心對(duì)稱(chēng)的變形，由此可認(rèn)為接地區(qū)部分都產(chǎn)生了側(cè)滑[9-12]。此后，側(cè)偏力基本保持不變。從圖2（a）還可以看出：輪胎的最大側(cè)偏力隨著帶束層角度的減小而增大，即帶束層角度越小，車(chē)輛的極限性能越好；在相同側(cè)偏角下，帶束層角度越小，所需的側(cè)偏力越大，即帶束層角度越小，輪胎越不易發(fā)生側(cè)偏現(xiàn)象。

圖2 方案1中各組輪胎的側(cè)偏特性曲線

從圖2（b）可以看出：隨著側(cè)偏角的增大，回正力矩開(kāi)始線性增大；側(cè)偏角增大至2°時(shí)，回正力矩隨著側(cè)偏角的增大開(kāi)始呈非線性增長(zhǎng)；側(cè)偏角增大至3°時(shí)，回正力矩達(dá)到最大值，之后隨著側(cè)偏角的增大逐漸減小。這是因?yàn)閭?cè)偏角較小時(shí)，隨著側(cè)偏角的增大，輪胎接地后端的變形逐漸增大，側(cè)偏力合力后移，輪胎拖距隨著側(cè)偏角的增大而增大，當(dāng)側(cè)偏角增大至一定值后，輪胎接地后部的一些部分到達(dá)了附著極限，輪胎接地部分開(kāi)始出現(xiàn)滑移，側(cè)偏力合力前移，因而輪胎拖距逐漸減小，回正力矩也逐漸減小。當(dāng)側(cè)偏角為－8°時(shí)，回正力矩的方向改變，這是由于側(cè)偏力合力由接地后端前移到前端，使得回正力矩方向改變。從圖2（b）還可以看出，在相同側(cè)偏角下，帶束層角度越大，回正力矩越大。

從圖2（c）可以看出：隨著垂直負(fù)荷的增大，側(cè)偏剛度開(kāi)始呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，后呈非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)；當(dāng)側(cè)偏剛度達(dá)到最大值后，隨著垂直負(fù)荷的增大逐漸減??；帶束層角度越小，輪胎的側(cè)偏剛度越大，車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性越好。

從圖2（d）可以看出：隨著垂直負(fù)荷的增大，回正剛度呈線性增大趨勢(shì)；帶束層角度越大，輪胎的回正剛度越大。

綜上可知：帶束層角度為20°的輪胎側(cè)偏力、最大側(cè)偏力和側(cè)偏剛度最大，回正力矩和回正剛度最?。粠鴮咏嵌葹?0°的輪胎側(cè)偏力、最大側(cè)偏力和側(cè)偏剛度最小，回正力矩和回正剛度最大。這是由于帶束層角度越小，帶束層剛性越大，胎面剛性越大，輪胎接地面?zhèn)认蜃冃卧叫?，輪胎拖距越小，輪胎發(fā)生側(cè)偏現(xiàn)象時(shí)產(chǎn)生的側(cè)偏角和回正力矩就越小。因此，輪胎的帶束層角度越小，車(chē)輛的極限性能和操縱穩(wěn)定性越好。

2.2 三角膠高度對(duì)側(cè)偏特性的影響

方案2主要研究三角膠高度對(duì)輪胎側(cè)偏特性的影響。方案2中各組輪胎的側(cè)偏特性關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 方案2中各組輪胎的側(cè)偏特性曲線

從圖3（a）可以看出：側(cè)偏角小于3°時(shí)，不同三角膠高度輪胎側(cè)偏力無(wú)差別；當(dāng)側(cè)偏角大于3°時(shí)，三角膠高度為55 mm的輪胎側(cè)偏力和最大側(cè)偏力較大，而三角膠高度為25 mm的輪胎側(cè)偏力和最大側(cè)偏力較小。4組輪胎側(cè)偏力差距較小，說(shuō)明三角膠高度對(duì)輪胎側(cè)偏力的影響較小。

從圖3（b）可以看出，4組輪胎的回正力矩差別很小，說(shuō)明三角膠高度對(duì)輪胎回正力矩的影響不大。

從圖3（c）可以看出，三角膠高度越大，輪胎的側(cè)偏剛度越大，車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性越好。

從圖3（d）可以看出：當(dāng)垂直負(fù)荷較小時(shí)，4組輪胎的回正剛度幾乎相同；隨著垂直負(fù)荷的增大，4組輪胎回正剛度的差距逐漸明顯，三角膠高度越大，輪胎的回正剛度越大。

綜上所述，三角膠高度越大，輪胎的側(cè)偏力、最大側(cè)偏力、側(cè)偏剛度和回正剛度越大，而回正力矩沒(méi)有明顯變化，這是由于三角膠硬度較大，三角膠高度越大，胎側(cè)剛性越大，輪胎橫向剛性就越大，輪胎發(fā)生側(cè)偏現(xiàn)象時(shí)產(chǎn)生的側(cè)偏角就越小。因此，輪胎的三角膠高度越大，車(chē)輛的極限性能和操縱穩(wěn)定性越好。

3 結(jié)論

輪胎的帶束層角度越小，三角膠高度越大，輪胎發(fā)生側(cè)偏現(xiàn)象時(shí)的側(cè)偏力、最大側(cè)偏力和側(cè)偏剛度越大，車(chē)輛的極限性能和操縱穩(wěn)定性越好；帶束層角度對(duì)輪胎側(cè)偏特性的影響大于三角膠高度。因此，在進(jìn)行輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在不使輪胎接地面積過(guò)小和乘坐舒適性過(guò)差的前提下，盡量選取較小的帶束層角度；在依據(jù)設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上，盡量選擇較大的三角膠高度。