通過接地特性預測輪胎干地制動距離

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）

當今社會，汽車安全性能越來越受到重視，由于制動距離是衡量汽車安全性能的重要指標，對制動距離研究的關注度也在不斷提高[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出來，汽車的諸多性能，如操縱穩定性、安全性和舒適性等也需要通過輪胎接地印痕得以體現[3-4]。

輪胎接地特性包含輪胎接地的幾何與力學信息，其研究方法主要有印痕試驗、靜負荷性能測試、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，但是對輪胎接地特性與實車測試的相關性研究較少，并且不夠深入。因此，有必要從輪胎接地特性的角度出發，研究不同方案輪胎的干地制動距離，進而利用接地特性來指導輪胎的結構設計。

本工作通過改變輪胎胎側搭接寬度設計了3個方案，分析不同方案輪胎的接地特性，并研究通過接地特性預測輪胎干地制動距離的方法。

1 輪胎方案設計

輪胎結構對接地印痕的影響極大，稍微改動某一部位數據便會對接地印痕產生明顯影響，從而影響輪胎性能。本工作以215/55R17半鋼子午線輪胎為例，設計3個方案（胎側搭接寬度分別為15，20，25 mm），通過改變胎側搭接寬度使輪胎干地制動距離發生變化。

輪胎干地制動距離是輪胎接地特性參數（充氣壓力、溫度、負荷、外緣尺寸、下沉量、接地面積、最大接地長度和最大接地寬度等）變化的綜合體現，輪胎接地特性應對各種路況變化的能力越強，輪胎干地制動距離越短；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，輪胎干地制動距離越短。本工作通過輪胎接地特性參數對3個方案輪胎的制動性能進行分析。

2 輪胎接地試驗

2.1 試驗流程

在靜負荷下進行輪胎接地印痕試驗，步驟如下。

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

（2）在輪胎胎側標出所需的試驗點。輪胎充氣壓力為250 kPa，負荷為670 kg。

（3）在輪胎與試驗平臺間放置壓力毯，以50 mm·min-1的速度施加徑向負荷，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個區域，分別對5個區域進行接地印痕試驗，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次試驗結果的平均值，從而保證試驗數據的精確性與可信度。

2.2 接地特性參數

輪胎部分接地特性參數如圖1所示。

圖1 部分接地特性參數示意

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

（2）中間接地長度。接地印痕中部沿車輛行駛方向的長度。

（3）接地寬度。接地印痕中部垂直車輛行駛方向的長度。

（4）外側和內側胎肩接地長度。外側和內側胎肩接地長度為兩側胎肩花紋筋中部、80%接地寬度處的接地長度。

（5）接地長度比值。接地長度比值＝2×中間接地長度/（外側胎肩接地長度＋內側胎肩接地長度）。

（6）下沉量。下沉量＝無負荷時充氣輪胎斷面高度－負荷下充氣輪胎斷面高度。

（7）矩形率。矩形率＝接地印痕面積/（中間接地長度×接地寬度）。

本工作通過3種方案輪胎的接地特性參數和接地印痕，研究接地特性對輪胎干地制動距離的影響，并通過實車測試結果進行驗證。

3 試驗結果分析

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

輪胎接地面積越大，其抓著性能越好，同時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，干地制動距離短。

從圖2可以看出：方案1和2輪胎接地印痕右側花紋塊的長度明顯比中間花紋塊的長度大，方案2輪胎的中間接地長度明顯偏小，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、中間接地長度、接地寬度和接地長度比值均最小，矩形率最大，輪胎的接地特性最差，預測其干地制動距離最長；方案1輪胎的矩形率較小，方案3輪胎的接地面積大、中間接地長度大、下沉量小、接地長度比值大、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；預測3種方案輪胎的干地制動距離由長到短依次為方案2，1，3。

方案1—3輪胎的實測干地制動距離分別為37.4，37.8和36.4 m，方案3輪胎的干地制動距離最短，輪胎干地制動距離變化規律與預測結果一致，說明通過接地特性預測輪胎干地制動距離的方法是有效的。

4 結語

（1）同一輪胎結構設計參數變化對輪胎接地特性參數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）通過接地特性參數來量化接地印痕，可以預測輪胎干地制動距離；當輪胎接地面積大、中間接地長度大、接地寬度大、接地長度比值大、下沉量和矩形率小，輪胎接地印痕接近橢圓形時，可以預測輪胎接地特性和操縱安全性好，干地制動距離短。

（3）實車測試結果表明，通過接地特性預測輪胎干地制動距離的方法是有效的。