轎車輪胎結構特性與舒適性研究

張文清，吳 健，李增平，劉文超，金 興，李凌云

（中策橡膠集團有限公司，浙江 杭州 310018）

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對整車平順性和乘坐舒適性提出了越來越高的要求，其中整車平順性是車輛性能的一項重要指標，直接關系到乘坐舒適性[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荷，并承擔著傳遞和過濾不平路面對整車沖擊的任務，輪胎包容特性及動態(tài)沖擊特性[3-4]對整車平順性有重要的影響[5]。

本工作選用215/50R17 95W輪胎，調整其三角膠高度和帶束層角度，設計3種結構方案，通過室內剛性及動態(tài)沖擊試驗獲得其力學特性數(shù)據，并在試驗場進行實車驗證，研究輪胎結構特性、室內力學性能及場地主觀舒適性（舒適性）之間的關系，以對不同結構方案的輪胎進行性能預判，實現(xiàn)優(yōu)選和改善。

1 實驗

1.1 主要設備

ZF HSU-L-5.3輪胎高速均勻性測試系統(tǒng)，德國ZF公司產品（見圖1）；輪胎剛性試驗機，汕頭市浩大輪胎測試裝備有限公司產品（見圖2）。

圖1 輪胎高速均勻性測試系統(tǒng)

圖2 輪胎剛性試驗機

1.2 試驗輪胎及方案

試驗輪胎規(guī)格為215/50R17 95W。

從結構設計角度出發(fā)，改善輪胎舒適性，主要調整其胎側和胎冠剛性。調整胎側剛性主要有改變三角膠的高度或硬度、胎體層數(shù)、胎體反包高度等方法。調整胎冠剛性主要有改變帶束層的角度或寬度等方法。

本工作通過調整輪胎三角膠高度和帶束層角度，設計了3種試驗方案，如表1所示。

表1 試驗方案

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

1.3 試驗方法

1.3.1 剛性試驗

試驗條件：充氣壓力 230 kPa，負荷 500 kg。

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

1.3.2 動態(tài)沖擊試驗

按照SAE J 2730—2021[6]進行輪胎室內動態(tài)沖擊試驗。

試驗條件：充氣壓力 220 kPa，負荷 2 000 N，速度 60 km·h-1。

將輪胎安裝到高速均勻性試驗機上，并在轉鼓上安裝沖擊條進行試驗。為了衡量轉鼓上的凸臺對輪胎帶來的沖擊影響，力傳感器將對輪胎所受的瞬時沖擊力及衰減情況進行測試，可同時得到徑向力、橫向力及切向力與時間的關系曲線。本試驗采用直角型沖擊條，寬度為2.5 cm，高度分別為1和1.5 cm，沖擊條與轉鼓路面平行安裝（0°），采樣頻率為1 000 Hz。

1.3.3 場地舒適性主觀評價試驗

試驗場地為安徽定遠汽車試驗場。

車手1名，具有10年以上經驗，負責舒適性主觀評價。車輛選用紳寶X35手動擋（新車）。氣壓表1個，用于確認輪胎充氣壓力。

試驗方法：每個方案輪胎在預跑幾圈后，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）上進行舒適性測試，并根據車手主觀感受予以綜合評分。

2 結果與討論

2.1 剛性試驗

輪胎徑向剛性與其振動、舒適性有關，輪胎徑向剛性過大，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；輪胎徑向剛性過小，輪胎的側向偏離增大，影響穩(wěn)定性，還會使?jié)L動阻力增大，輪胎壽命縮短。輪胎縱向剛性影響到滾動阻力及車輪負荷條件改變時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結果如表2所示。

表2 輪胎的徑向和縱向剛性試驗結果 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較大，3#方案輪胎其次，2#方案輪胎最小；相對于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 室內沖擊試驗

室內沖擊試驗可以衡量輪胎越過障礙物時的沖擊力大小，主要用于輪胎舒適性評估和輪胎建模。

室內沖擊試驗結果如表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（輪胎在越過突起物初始時力的大小）；1/Δt為被沖擊后輪胎的振動頻率；振動衰減比為輪胎振動衰減能力指數(shù)，其值越小，振動衰減越快。

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#方案輪胎的振動頻率和振動衰減比較接近，3#方案輪胎的振動衰減比最小，說明1#和2#方案輪胎的振動衰減能力不如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障礙物時的沖擊力，減小三角膠高度可以提高輪胎的振動衰減能力[11]。

表3 沖擊條高度為1 cm時輪胎室內沖擊試驗結果

表4 沖擊條高度為1.5 cm時輪胎室內沖擊試驗結果

圖3 室內動態(tài)沖擊試驗RF與時間的關系

2.3 場地舒適性主觀評價

場地舒適性試驗主觀評分對比如表5所示。

從表5可以看出，2#方案輪胎綜合評分相對較高，3#方案輪胎次之，1#方案輪胎最低，但振動衰減能力評分項，3#方案輪胎最高，1#和2#方案輪胎接近。由此可見，2#方案輪胎的場地舒適性相對1#和3#方案輪胎更好，但3#方案輪胎的振動衰減能力最優(yōu)，此結果與室內沖擊試驗結果較為接近。因此，輪胎設計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 場地舒適性試驗主觀評分對比

3 結論

（1）調整輪胎結構降低其整體剛性，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衰減能力。

（3）可以通過室內剛性和沖擊測試數(shù)據來預估輪胎的場地性能，提前實現(xiàn)輪胎設計方案的優(yōu)選和后期改善，從而提高輪胎設計效率，縮短輪胎整車配套的開發(fā)周期，并節(jié)約開發(fā)成本。