帶束層角度與經線密度對轎車子午線輪胎動態性能的影響

翟明榮，宋美芹，于成龍，莊 磊，甄 強，徐 超

（1.雙星集團有限責任公司，山東 青島 266400；2.青島輪云設計研究院有限責任公司，山東 青島 266400）

子午線輪胎的耐磨性能、滾動阻力、操縱穩定性和乘坐舒適性等都與其帶束層密切相關[1-2]。其中，輪胎的滾動阻力是汽車的燃油經濟性的重要參考因素之一，在配套輪胎的開發中，輪胎企業經常需要按照主機廠的要求進行各種降低輪胎的滾動阻力的探索。因此，了解輪胎的滾動阻力影響規律相當重要[3]。

側偏特性是輪胎的動態性能的重要組成部分，其中側向力、回正力矩和側偏角度是影響車輛操縱穩定性的基本因素。輪胎滾動中車輛方向盤處于正中位置時，由于帶束層簾布角度效應（簡稱角度效應）的存在會產生固有殘余回正力矩；當輪胎的側向力為零時，所對應的側偏角度不為零，此時側偏角度所對應的回正力矩稱為角度效應的殘余回正力矩（PRAT）[4]。PRAT是評價車輛的行駛穩定性、安全性及舒適性的重要指標之一。角度效應對汽車的操控性影響很大，但又不能像其他徑向力變量、側向力變量、錐度一樣可以從工藝上消除，只能從帶束層和胎體的設計上進行控制[5]。

目前，帶束層結構對輪胎性能的影響已得到一定的研究[6]，但帶束層結構變化對輪胎的動態性能影響的研究多以單一規格輪胎為主。王清逸[7]以225/50R17輪胎為例，提出帶束層結構主要影響輪胎的側偏剛度，是影響整車的操縱穩定性的主要因素。屈燦明等[2]研究了205/55R16輪胎的帶束層角度和骨架材料強度變化對轎車子午線輪胎滾動阻力的影響。孫曉峰等[8]研究了205/55R16輪胎的結構參數對六分力中側偏剛度和回正剛度的影響。秦艷分等[9]探究了帶束層角度和三角膠高度對半鋼子午線輪胎側偏特性的影響。

本工作以名義斷面寬為185～265 mm、扁平率為55和65、輪輞直徑為381.0～431.8 mm（15～17英寸）的6個規格轎車子午線輪胎（以下簡稱輪胎）為研究對象，在確保仿真精度的前提下，通過單一變量法探究帶束層角度與經線密度對輪胎穩態滾動阻力（以下簡稱滾動阻力）及側偏特性的影響。

1 有限元仿真

1.1 有限元模型的建立

本工作采用的6種輪胎的基本信息如表1所示，具體結構建模及材料建模參考前期相關文獻[10-14]，6種輪胎的有限元模型如圖1所示。

圖1 6種輪胎的有限元模型Fig.1 Finite element models of 6 types of tires

表1 6種輪胎的基本信息Tab.1 Basic informations of 6 types of tires

1.2 測試方法及仿真方案的設定

1.2.1測試方法

仿真與試驗測試方法相同。滾動阻力按照ISO 28580—2018在德國ZF公司生產的滾動阻力試驗機上進行測試。PRAT、側偏剛度和回正剛度按照GMW 15206—2007在美國史密斯實驗室MTS Flat Trac SS實驗臺上進行測試，其中PRAT的測試條件為：環境溫度 21 ℃，充氣壓力 228 kPa，負荷 70%標準負荷，行駛速度 3.6 km·h-1，側偏角度 －1°～1°；為了提高計算機計算效率，PRAT仿真中輪胎的速度設定為60 km·h-1。

1.2.2仿真方案的設定

為了更準確反映帶束層角度與經線密度對輪胎滾動阻力、PRAT、側偏剛度等性能的影響，均采用單一變量法，在原始輪胎設計方案（簡稱參考方案）的基礎上分別制定如下仿真方案。

根據既要考慮帶束層對胎體的箍緊作用，又要便于加工的原則，帶束層角度共設計5個方案，各方案帶束層角度依次為24°，27°，28°，29°和30°，其中24°為參考方案。

在考慮帶束層強度以及鋼絲簾線附著力和覆膠量的前提下，帶束層經線密度共設計5個方案，其中帶束層經線密度為100%的設計方案為參考方案，其他4個方案的經線密度依次為參考方案的80%，90%，110%和120%。

為了便于觀察帶束層角度與經線密度變化對輪胎動態性能的影響，后續帶束層數據處理過程中均采用設計方案與參考方案差值處理的方法進行分析。

2 結果與討論

2.1 輪胎的滾動阻力分析

2.1.1仿真結果與試驗結果的一致性對比

ISO 28580—2018中將輪胎的滾動阻力定義為每單位行駛距離的能量損失（或能量消耗），等效于單位為N的力，計算公式如下：

式中：R為輪胎的滾動阻力，N；U″為輪胎滾動一周耗散的能量，N·m-1；re為輪胎的自由滾動半徑，m。

輪胎的滾動阻力仿真值與試驗值的相關性如圖2所示。

圖2 輪胎的滾動阻力仿真值與試驗值的相關性Fig.2 Correlation between simulation values and test values of tire rolling resistance

從圖2可以看出，輪胎的滾動阻力仿真值與試驗值具有較高的相關性。

2.1.2帶束層角度與經線密度對輪胎滾動阻力的影響

輪胎的滾動阻力隨帶束層角度的變化曲線如圖3所示。

圖3 輪胎的滾動阻力隨帶束層角度的變化曲線Fig.3 Variation curves of tire rolling resistance with belt angles

從圖3可以看出：輪胎的滾動阻力隨帶束層角度的增大呈下降趨勢；在輪胎的扁平率及輪輞的著合直徑相同的條件下，輪胎的斷面寬越大，隨著帶束層角度的增大，輪胎的滾動阻力降低幅度增大；增大輪胎的外直徑有利于降低其滾動阻力。

帶束層角度與經線密度對輪胎滾動阻力及滾動半徑的影響如表2所示。

表2 帶束層角度與經線密度對輪胎滾動阻力及滾動半徑的影響Tab.2 Influence of belt angles and warp densities on rolling resistances and rolling radius of tires

從表2可以看出：當帶束層角度從24°增大到30°時，輪胎的滾動阻力最大降低2.3 N；與帶束層經線密度相比，帶束層角度變化對輪胎的滾動阻力及滾動半徑的影響更大，這是由于帶束層角度增大，簾線間的縱向拉力增大，導致帶束層受力后更加偏斜，對胎體的橫向約束作用增大，而對胎體的周向約束作用減小，輪胎的滾動半徑增大，因此輪胎的滾動阻力降低[15]。

以215/55R17輪胎為例，輪胎滾動過程中的接地印痕如圖4所示。

圖4 215/55R17輪胎滾動過程中的接地印痕Fig.4 Footprints of 215/55R17 tires during rolling process

從圖4可以看出，帶束層角度增大，輪胎的接地印痕面積增大，此時胎肩部位接地壓力及生熱降低，胎冠受力減弱，表明增大帶束層角度可以協調輪胎的形變，合理分布能量損失，降低輪胎的滾動阻力。

2.2 輪胎的側偏特性分析

PRAT是影響車輛直線跑偏的關鍵因素，其正、負號分別代表輪胎左、右跑偏，采用輪胎正、反向滾動時的PRAT平均值表征輪胎的跑偏情況[16]。

在小側偏角度的情況下，輪胎的側向力與側偏角度近似成比例，其比值稱為輪胎的側偏剛度，主要影響輪胎的側偏特性，是評估車輛及輪胎的側偏特性的重要參數之一[5，17]。回正力矩是用來評估車輛的行駛穩定性的重要參數。在小側偏角度范圍內，側向力及回正力矩與側偏角度幾乎成線性關系，因此在計算時，取側偏角度為±0.5°的側向力平均值作為輪胎的側偏剛度，取側偏角度為±0.5°的回正力矩平均值作為輪胎的回正剛度[18]。

2.2.1仿真結果與試驗結果的一致性對比

對6種輪胎建立側偏有限元模型，求得相應模型在側偏工況下的PRAT、側偏剛度以及回正剛度3個評價指標。輪胎的側偏特性仿真結果與試驗結果如表3所示。

表3 輪胎的側偏特性仿真結果與試驗結果Tab.3 Simulation results and test results of cornering characteristics of tires

從表3可以看出：輪胎的側偏剛度及回正剛度仿真與試驗結果具有較高的一致性，誤差控制在±10%以內；輪胎的PRAT仿真精度略低。這是由于PRAT測試關注的是輪胎的小側偏角度范圍內的特性，相對于輪胎較大的垂直負荷，此時輪胎的側向力和回正力矩都很小，同時在輪胎的側偏特性測試時未考慮輪胎與地面接觸的力學響應與溫度等因素的影響。

2.2.2帶束層角度與經線密度對輪胎側偏特性的影響

帶束層角度與經線密度對輪胎側偏特性的影響如表4所示，輪胎的側偏剛度隨帶束層角度的變化曲線如圖5所示。

圖5 輪胎側偏剛度隨帶束層角度的變化曲線Fig.5 Variation curves of cornering stiffnesses of tires with belt angles

表4 帶束層角度與經線密度對輪胎側偏特性的影響Tab.4 Influence of belt angles and warp densities on cornering characteristics of tires

從表4和圖5可以看出：輪胎的PRAT及側偏剛度變化均隨帶束層角度的增大而減小，回正剛度變化隨帶束層角度的增大而增大；與帶束層經線密度相比，帶束層角度變化對輪胎的側偏特性影響更大；當帶束層角度從24°增大到30°，輪胎的PRAT最大變化為1.2 N·m，側偏剛度最大變化為337.8 N·（°）-1；隨著帶束層經線密度的增大，輪胎的PRAT變化較小，側偏剛度增大，回正剛度減小。因此，帶束層角度減小，其周向箍緊作用加強，胎肩著地區域加大，輪胎的側向抓著力及側偏剛度也隨之增大，此結論與帶束層角度增大輪胎變軟的結論一致[19]。

3 結論

（1）與帶束層經線密度相比，帶束層角度變化對輪胎的動態性能影響更大。

（2）增大帶束層角度可以適當降低輪胎的滾動阻力，但帶束層角度與經線密度變化對輪胎的滾動阻力影響較小。

（3）帶束層角度變化對輪胎的側偏剛性和回正剛性影響較大。

（4）輪胎的動態性能隨帶束層角度與經線密度的變化與輪胎的規格相關。