半鋼子午線輪胎的側偏特性研究

秦艷分，張 典，宋 立，王 兵

（中策橡膠集團有限公司，浙江 杭州 310018）

操縱穩定性一直是車輛重要的性能指標之一，是影響汽車高速行駛時安全性的重要因素，被稱為“高速車輛的生命線”。隨著人們生活水平的提高、轎車性能的不斷提升和道路環境的不斷改善，轎車的速度也越來越高，對車輛操縱穩定性的要求也隨之提高[1-2]。

輪胎是影響車輛操縱穩定性的一個重要因素，其側偏特性是研究車輛操縱穩定性的基礎。本工作主要研究輪胎結構對其側偏特性的影響，為車輛操縱穩定性研究提供理論指導[3-7]。

1 實驗

1.1 設備

VMI一次法成型機，荷蘭VMI公司產品；B型液壓雙模定型硫化機，青島家瑞橡塑機械有限公司產品；Flat-Trac CT六分力試驗機，美國MTS系統公司產品。

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°，其他施工設計參數相同。

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，其他施工設計參數相同。

將各半成品輪胎在成型機上成型，成型胎坯在硫化機上硫化。

1.3 六分力測試

采用六分力試驗機對成品輪胎進行穩態側偏和側偏剛度測試。六分力試驗機和試驗條件分別如圖1和表1所示。

表1 六分力試驗條件

圖1 六分力試驗機

2 結果與討論

2.1 帶束層角度對側偏特性的影響

輪胎側偏特性主要指側偏力、回正力矩與側偏角之間的關系。側偏剛度為側偏力與側偏角的比值，回正剛度為回正力矩與側偏角的比值。一般來說，最大側偏力越大，車輛的極限性能越好；側偏剛度越大，操縱穩定性越好。輪胎遇到外力或在轉向力作用下發生偏轉后，當外力或轉向力消失時，回正力矩會使輪胎恢復至原直線行駛位置，回正力矩越大，汽車越能迅速回到原來直線行駛位置。然而，回正力矩過大會使得轉向盤的轉向力過大，使轉向操作費力[8]，因此，回正力矩不宜過大也不宜過小。

方案1主要研究帶束層角度對輪胎側偏特性的影響。方案1中各組輪胎的側偏特性關系曲線如圖2所示。

從圖2（a）可以看出：隨著側偏角的增大，側偏力開始呈線性增長；當側偏角增大至3°時，側偏力隨著側偏角的增大開始呈非線性增長；當側偏角增大至6°時，側偏力達到最大值。此時，接地區前部和后部產生與輪心對稱的變形，由此可認為接地區部分都產生了側滑[9-12]。此后，側偏力基本保持不變。從圖2（a）還可以看出：輪胎的最大側偏力隨著帶束層角度的減小而增大，即帶束層角度越小，車輛的極限性能越好；在相同側偏角下，帶束層角度越小，所需的側偏力越大，即帶束層角度越小，輪胎越不易發生側偏現象。

圖2 方案1中各組輪胎的側偏特性曲線

從圖2（b）可以看出：隨著側偏角的增大，回正力矩開始線性增大；側偏角增大至2°時，回正力矩隨著側偏角的增大開始呈非線性增長；側偏角增大至3°時，回正力矩達到最大值，之后隨著側偏角的增大逐漸減小。這是因為側偏角較小時，隨著側偏角的增大，輪胎接地后端的變形逐漸增大，側偏力合力后移，輪胎拖距隨著側偏角的增大而增大，當側偏角增大至一定值后，輪胎接地后部的一些部分到達了附著極限，輪胎接地部分開始出現滑移，側偏力合力前移，因而輪胎拖距逐漸減小，回正力矩也逐漸減小。當側偏角為－8°時，回正力矩的方向改變，這是由于側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：隨著垂直負荷的增大，側偏剛度開始呈線性增長趨勢，后呈非線性增長趨勢；當側偏剛度達到最大值后，隨著垂直負荷的增大逐漸減小；帶束層角度越小，輪胎的側偏剛度越大，車輛的操縱穩定性越好。

從圖2（d）可以看出：隨著垂直負荷的增大，回正剛度呈線性增大趨勢；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°的輪胎側偏力、最大側偏力和側偏剛度最大，回正力矩和回正剛度最小；帶束層角度為30°的輪胎側偏力、最大側偏力和側偏剛度最小，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，輪胎接地面側向變形越小，輪胎拖距越小，輪胎發生側偏現象時產生的側偏角和回正力矩就越小。因此，輪胎的帶束層角度越小，車輛的極限性能和操縱穩定性越好。

2.2 三角膠高度對側偏特性的影響

方案2主要研究三角膠高度對輪胎側偏特性的影響。方案2中各組輪胎的側偏特性關系曲線如圖3所示。

圖3 方案2中各組輪胎的側偏特性曲線

從圖3（a）可以看出：側偏角小于3°時，不同三角膠高度輪胎側偏力無差別；當側偏角大于3°時，三角膠高度為55 mm的輪胎側偏力和最大側偏力較大，而三角膠高度為25 mm的輪胎側偏力和最大側偏力較小。4組輪胎側偏力差距較小，說明三角膠高度對輪胎側偏力的影響較小。

從圖3（b）可以看出，4組輪胎的回正力矩差別很小，說明三角膠高度對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，輪胎的側偏剛度越大，車輛的操縱穩定性越好。

從圖3（d）可以看出：當垂直負荷較小時，4組輪胎的回正剛度幾乎相同；隨著垂直負荷的增大，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，輪胎的側偏力、最大側偏力、側偏剛度和回正剛度越大，而回正力矩沒有明顯變化，這是由于三角膠硬度較大，三角膠高度越大，胎側剛性越大，輪胎橫向剛性就越大，輪胎發生側偏現象時產生的側偏角就越小。因此，輪胎的三角膠高度越大，車輛的極限性能和操縱穩定性越好。

3 結論

輪胎的帶束層角度越小，三角膠高度越大，輪胎發生側偏現象時的側偏力、最大側偏力和側偏剛度越大，車輛的極限性能和操縱穩定性越好；帶束層角度對輪胎側偏特性的影響大于三角膠高度。因此，在進行輪胎結構設計時，在不使輪胎接地面積過小和乘坐舒適性過差的前提下，盡量選取較小的帶束層角度；在依據設計理論的基礎上，盡量選擇較大的三角膠高度。