轎車輪胎操縱穩定性設計因素相關性研究

劉 坤，王 君，曲賓建，徐 超，魏成龍

（青島雙星輪胎工業有限公司，山東 青島 266555）

汽車操縱穩定性一般包括行駛穩定性和轉向響應性兩個重要方面。行駛穩定性是車輛能抵抗路面側向風、路面不平等因素保持穩定行駛的能力。轉向響應性是車輛按照駕駛者轉動方向盤的方向行駛，不僅要求在高速行駛時安全、穩定、不跑偏，又要求轉向輕便，輸入與輸出之間的延遲小。輪胎是車輛上與路面直接接觸的唯一零部件[1]，目前汽車企業開發中高端新車型時，在操縱穩定性方面對輪胎配套廠商提出越來越高的要求，例如在直道高速公路上，駕駛員不需要緊握方向盤，車輛可以保持直線行駛；在遇到路面干擾因素時，方向盤不發生左右搖擺；高速行駛時，輕打方向盤一定角度，回正順暢；車輛轉彎時，輪胎極限抓著力大等。

本工作對轎車輪胎操縱穩定性設計因素相關性進行研究。

1 輪胎操縱穩定性的評價方法

汽車操縱穩定性客觀路試評價主要按照GB/T 6323—2014《汽車操縱穩定性試驗方法》進行，評價項目很多，主要包括蛇行、轉向瞬態響應、轉向回正性能、轉向輕便性以及穩態回轉試驗。輪胎操縱穩定性的客觀評價大多通過靜態剛性（縱向、橫向、徑向、扭轉）測試和六分力[回正力矩、側偏剛度、輪胎殘余回正力矩（PRAT）]測試進行，主要用來作為產品研發的參考數據。其中，徑向剛性體現輪胎徑向承載能力；縱向剛性和橫向剛性主要體現輪胎的縱向和橫向的操控性能；扭轉剛性主要體現輪胎轉向操控性，具體表現為轉向的靈活性；回正力矩具體體現在輪胎轉向回正的響應。

在輪胎操縱穩定性的主觀評價方面，目前并沒有統一的國家標準，2020年中國計量協會發布的《轎車輪胎性能主觀評價方法》給出了較為詳細的評價內容和評價原則，可以作為評價參考。評價內容主要包括直線穩定性、中立感、線性感、響應性、車道變換穩定性、前/后平衡性、抓著力、制動穩定性、側傾量、不足轉向/過度轉向、駐車/低速轉向力、回正性能、安心感和轉向應答[2]。為簡化輪胎操縱穩定性的主觀評價，建立更為清晰明了的評價與改善思路，便于分析與研究，評價工程師將其劃分為兩部分，即低速/中高速基礎轉向性能以及中度操控性能（側向剛性、極限抓著力、卷入感、均衡性）。本研究重點考察扭轉剛性、回正力矩、側偏剛度、PRAT和接地印痕等指標。

2 轎車輪胎行駛穩定性研究

2.1 克服車輛特性和傾斜路面引起的車輛跑偏

為克服拱形傾斜路況和左舵車的車輛特性對汽車保持直線行駛的影響，輪胎設計時必須保證輪胎PRAT數值保持在一定范圍內，以防止車輛跑偏[3]。一般乘用車主機廠對PART數值要求的大致區間為－5～－1 N·m。

研究表明：影響PRAT的主要因素是胎面花紋傾斜走向和帶束層角度，胎面花紋傾斜走向（見圖1）可以實現PRAT負值化；2#帶束層的傾斜方向需要與肩部花紋橫溝的走向趨勢保持一致，且肩部花紋橫溝角度越大，對增大PRAT負值越有利[2]。大體上，胎面花紋傾斜走向對PRAT影響占80%，帶束層角度走向影響占20%。

圖1 胎面花紋溝設計總體方向示意

2.2 輪胎行駛穩定性和轉向響應性的提高

依據操縱穩定性主觀評價的測試結果及以往經驗，結合輪胎剛性、接地印痕、六分力等測試參數，提出了如下研究思路和方法。

研究車輛行駛穩定性與轉向響應，需要分析力（力矩）的輸入、力（力矩）的傳遞路徑和力（力矩）的輸出響應三要素。分析回正力矩的傳遞路徑：輪胎直接與路面接觸感受路面力（力矩）→胎肩部位→上胎側（簾線）→下胎側耐磨膠（三角膠＋簾線）→車輪→轉向裝置→方向盤→駕駛者。同樣，轉向力矩的傳遞可以看作回正力矩傳遞路徑的逆向反饋。分析認為，基礎轉向性能容易同時受胎側剛性和胎冠剛性的影響，這些半部件材料性能不同，比如目前大多數產品整個輪胎部位材料分布特點是胎面膠、胎側膠、胎圈護膠和三角膠硬度分別為69，59，75和90度左右，1#胎體簾布貫穿整個胎側部位，它們之間的組合與搭配將直接影響轉向力矩與回正力矩的傳遞效果。

主觀評價過程中，胎冠剛性要與胎側剛性相匹配。實際測試中，胎冠剛性與胎側剛性不匹配主要有以下幾種情況。

（1）胎側剛性大，胎冠剛性小，會出現輪胎抓地困難，側滑，轉向過于靈敏，穩定性差的現象，這時需要對胎冠剛性進行調整。胎冠剛性與輪胎地面抓著力和側偏剛度存在相關性。

這種情況可采用以下方法調整。輪胎結構設計時，增大行駛面寬度，可增大接地寬度和接地面積，有利于干地抓著力的提高；胎冠弧度半徑較大，可使胎面接地更加充分，有利于干地抓著力的提高；花紋溝深度較小以及花紋塊較大，有利于提高胎冠剛性；花紋塊邊緣采用斜向倒角設計，可以使輪胎與地面接觸更加充分，避免出現卷邊效應。施工設計時，增大帶束層寬度，可以增大接地印痕橫軸寬度和接地面積，輪胎行駛時側偏角也會變大，有利于輪胎地面抓著力的提高；帶束層角度較小，可以實現輪胎接地印痕偏向于矩形化；增強纏繞方式，可以使胎冠剛性增大，輪胎接地更加充分，各種纏繞方式的胎冠剛性從大到小依次為：2層平鋪，1層平鋪＋肩部纏繞，1層平鋪；胎面花紋溝底膠厚度（一般不小于2 mm）小，即設計厚度較小的基部膠，可以提高胎冠剛性。

輪胎接地印痕形狀對其抓著力影響很大，一般設計時，采取改善措施后要通過試驗對比分析改善前后輪胎的接地印痕。輪胎接地面積增大，有利于提高抓著力；一般接地印痕形狀趨于矩形有利于提高側偏剛度和總體操控性，圖2和3分別示出了矩形和橢圓形輪胎接地印痕。

圖2 矩形接地印痕

圖3 橢圓形接地印痕

（2）胎冠剛性過大，胎側剛性小，易導致輪胎與地面抓著力過大，輪胎轉向和回正遲滯，需要根據具體情況，結合室內測試所得輪胎剛性和接地印痕形狀，通過調整各部位相關參數，對胎面和胎側剛性進行調整。

為避免出現應力集中現象，以微型電動車專用165/65R15輪胎為例，產品初始方案設計原則為：三角膠端點與胎圈護膠端點錯開10 mm以上，1#胎體簾布反包端點與胎圈護膠端點錯開20 mm以上，以保持端點位置呈階梯線性分布。三角膠端點和1#胎體簾布反包端點整體上移，可以提高胎側的垂直剛度和扭轉剛度，對轉向響應、側傾支撐等操控性有利，同時也可以提高側偏剛度，改善轉向過程中輪胎變形，從而提高轉向響應[4-5]。

胎圈耐磨膠與胎側膠的搭接量根據產品規格扁平比的不同，設計時可選擇15，25和35 mm，配套輪胎產品性能提升時可對此搭接量進行調整。

值得注意的是，耐磨膠需要與輪輞緊密接觸，耐磨膠下端點位置向上調整，容易裸露在輪輞上方，與空氣接觸易加速老化；下端點位置向下調整，容易使胎側膠與輪輞接觸，加速胎側膠磨損。因此，只能通過調整耐磨膠上端點位置來改變胎側膠與耐磨膠的搭接量，從而改變耐磨膠的寬度，耐磨膠下端點的位置不能輕易改變。

綜上所述，制定3個胎側部位剛性調整方案，如表1所示，選取扭轉剛度和回正力矩對輪胎轉向和回正性能進行驗證。

表1 胎側部位剛性調整

從表1可以看出：通過對三角膠端點（高度）、胎圈護膠上端點（胎側膠與耐磨膠的搭接量的調整）和1#胎體簾布反包上端點絕對或者相對位置提高（見圖4），增大胎側厚度，可以實現胎側轉向等性能的提高。

圖4 胎側部位端點位置示意

減小機頭寬度，可以增大簾線張力；增強簾線材質，也可以提高胎側剛性，有利于提高輪胎轉向和回正性能。在回正性能改善試驗時，可以參照輪胎接地印痕形狀和輪胎的側偏特性規律圖（見圖5）制定改善措施并進行驗證。目標接地印痕趨于橢圓形，且中心接地長度長，中心接地壓力大，對于輪胎保持直線行駛、提高回正性能有利[6]。

圖5 輪胎側偏特性規律

（3）除此以外，還存在胎冠剛性適中、胎側剛性偏小等情況，本文不再一一分析。

3 結論

（1）介紹轎車輪胎操縱穩定性的主客觀評價方法，針對車輛操縱穩定性特點，將轎車輪胎操縱穩定性主觀評價重點劃分為基礎轉向性能和中度操縱性能，重點關注輪胎轉向響應和具有良好抓著力的行駛穩定性。

（2）影響PRAT的主要因素是胎面花紋傾斜走向和帶束層角度，大體上胎面花紋傾斜走向對PRAT影響占80%，帶束層角度走向影響占20%。

（3）主觀評價反饋的輪胎操縱穩定性問題分為胎面和胎側剛性不匹配的幾種情況，可以通過調整胎冠部位半部件剛性來調整胎冠和胎側剛性，使兩者匹配。提高胎冠剛性，有利于提高抓著力和側偏剛度，設計時主要通過增大帶束層寬度、減小花紋溝底膠厚度以及增強纏繞方式來實現。提高胎側剛性方面，可以根據材料特性的不同，使三角膠上端點、胎圈耐磨膠上端點與1#胎體簾布反包端點三者之間保持一定的階梯差，有利于避免應力集中以及進行力的緩沖；同時，使各端點整體上移，增大胎側厚度，也有利于整體胎側剛性的提高。

（4）通過調整輪胎的整體剛性，使胎冠和胎側部位剛性匹配，實現胎冠至胎側的剛度分布均勻，滿足地面抓著力的需求，同時使轉向響應更加流暢。

（5）在設計驗證方面，除了主觀評價方式以外，重點參考輪胎接地印痕的形狀和面積、側偏剛度、PRAT、扭轉剛性和回正力矩等參數。

轎車輪胎操縱穩定性是一項復雜的性能，包括很多主客觀評價指標，這些評價指標與設計因素之間的相關性是非線性的，輪胎行業目前還沒有規范、統一、公認的評價體系。本工作通過以往設計經驗以及實際輪胎與車輛進行匹配的各個項目，總體上簡單給出了性能與結構設計因素的關聯性趨勢，后續研究需要從定性主觀評價轉變為更詳細的客觀定量、細化、精確的方向，建立主客觀評價相關性。