輪胎包絡特性及沖擊特性的影響因素研究

孫緒利，王志斌，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）

隨著汽車工業的發展，人們對駕駛體驗的要求不僅局限在安全性和操縱性，對車輛舒適性的要求也越來越高[1-3]。影響車輛舒適性的因素主要有懸架、座椅、發動機及輪胎等[4-7]。而輪胎作為車輛與路面的唯一接觸部件，能夠包覆、緩沖路面激勵對車輛的影響，因此汽車廠商對輪胎的舒適性提出了更高的要求[8-9]。目前主要通過輪胎包絡特性及沖擊特性的研究來提高輪胎的舒適性。

車輛類型不同，其輪胎的使用條件也不同，特別是充氣壓力與負荷不同，因此需要掌握充氣壓力與負荷對輪胎包絡特性及沖擊特性的影響規律，從而針對不同車輛的使用條件精準設計輪胎結構。

本工作以215/55R17輪胎為研究對象，研究不同充氣壓力與負荷下輪胎的包絡特性及沖擊特性。

1 實驗

1.1 試驗輪胎

試驗輪胎為215/55R17輪胎，青島森麒麟輪胎股份有限公司產品。

1.2 試驗設備

輪胎高速均勻性試驗機，德國ZF公司產品。采樣頻率為1 000 Hz。試驗中凸塊尺寸為15 mm×15 mm[7]，采用橫置90°安裝（只能激起輪胎面內特性）。

1.3 試驗方法

1.3.1 低速包絡特性

輪胎低速包絡特性測試采用公司內部標準，主要測試輪胎低速通過凸塊時，其徑向力與縱向力的變化情況[10]。試驗條件如表1所示。

表1 輪胎低速包絡特性試驗條件

低速包絡試驗中，為了更好地反映充氣壓力的影響，進行了3個負荷試驗，通過徑向力峰值與縱向力峰峰值考察輪胎的包絡特性，其中，徑向力峰值為徑向力曲線的中間峰峰值，縱向力峰峰值為縱向力曲線的波峰與波谷縱向力之差。

1.3.2 沖擊特性

輪胎沖擊特性測試采用公司內部標準，主要測試輪胎在3種充氣壓力（220，240，260 kPa）、3種負荷（460，535，600 kg）及2種較高速度（30和60 km·h-1）下通過凸塊時，其徑向力與縱向力在時域內的變化[10]。通過徑向力峰值與縱向力峰峰值考察輪胎的沖擊特性，其中，徑向力峰值為動態沖擊試驗中輪胎徑向力最大值與初始值之差，縱向力峰峰值為第1個波峰與第1個波谷縱向力之差[11]。

2 結果與討論

2.1 低速包絡特性

2.1.1 充氣壓力的影響

圖1為不同充氣壓力下輪胎的徑向力與縱向力-時間曲線，其中徑向力-時間曲線中矩形框中的峰為中間峰。

圖1 不同充氣壓力下輪胎的徑向力與縱向力-時間曲線

從圖1可以看出：不同負荷及充氣壓力下，輪胎的徑向力-時間曲線發生變化，在負荷較低（460 kg）時，不同充氣壓力下的輪胎徑向力曲線中間峰均為凸出形狀，隨著負荷的增大，充氣壓力低時中間峰下降的趨勢更明顯，這是由于充氣壓力較低且負荷較大時，輪胎的下沉量增大，輪胎能夠將凸塊包覆住，輪胎中心受到的力減小[12]；在負荷相同時，輪胎的徑向力峰值隨充氣壓力的增大而增大；輪胎的縱向力-時間曲線形狀基本未發生變化；輪胎的縱向力峰峰值隨充氣壓力的增大而增大，但變化幅度較小。

2.1.2 負荷的影響

圖2為不同負荷下輪胎的徑向力與縱向力-時間曲線。不同負荷及充氣壓力下輪胎的徑向力峰值與縱向力峰峰值如表2所示。

圖2 不同負荷下輪胎的徑向力與縱向力-時間曲線

表2 不同負荷及充氣壓力下輪胎的徑向力峰值與縱向力峰峰值 N

從圖2和表2可以看出：在同一充氣壓力下，負荷越大，輪胎的徑向力峰值越小，縱向力峰峰值越大但變化幅度較小；在同一充氣壓力及不同負荷下，輪胎的徑向力、縱向力開始變化的時間不同，負荷越大，力的變化出現得越早，這是由于同一充氣壓力下負荷增大時，輪胎的接地長度增大，導致輪胎接觸凸塊的時間提前。

2.1.3 接地印痕

在試驗工況下進行輪胎的接地印痕試驗，不同充氣壓力及負荷下的輪胎接地印痕參數如表3所示。

表3 不同充氣壓力及負荷下的輪胎接地印痕參數

從表3可以看出：在同一充氣壓力下，隨著負荷的增大，輪胎接地印痕的中間接地長度逐漸增大，與上述結論一致；輪胎的下沉量增大，能夠包覆凸塊的程度增大，可以解釋輪胎徑向力曲線中間峰在負荷增大時降低的現象。

從表3還可以看出：在相同的充氣壓力下，隨著負荷的增大，輪胎的徑向剛度增大；在相同的負荷下，隨著充氣壓力的增大，輪胎的徑向剛度也增大。

由公式（1）可知，在輪胎質量不變的情況下，輪胎的徑向剛度增大，其固有頻率也增大。因此，改變輪胎的充氣壓力和負荷可以調整其固有頻率，在整車調校過程中可通過此方法改善輪胎與車輛的共振。

式中，f為輪胎的固有頻率，k為輪胎的徑向剛度，m為輪胎的質量。

2.2 沖擊特性

2.2.1 充氣壓力的影響

試驗負荷為600 kg時，不同速度及充氣壓力下輪胎的徑向力與縱向力-時間曲線如圖3所示，輪胎的徑向力峰值與縱向力峰峰值如表4所示。

圖3 不同速度及充氣壓力下輪胎的徑向力與縱向力-時間曲線（600 kg負荷）

表4 不同速度及充氣壓力下輪胎的徑向力峰值與縱向力峰峰值（600 kg負荷） N

從圖3及表4可以看出：在相同的負荷及速度下，輪胎的徑向力峰值與縱向力峰峰值隨充氣壓力的增大而增大，徑向力與縱向力-時間曲線隨充氣壓力的增大有逐漸左移的趨勢，這是因為隨著充氣壓力的增大，輪胎的徑向剛度增大，從而使其徑向固有頻率增大[13-14]；速度變化后，相同負荷、不同充氣壓力下輪胎徑向力的衰減趨勢發生變化，說明調整充氣壓力及速度可以改變輪胎的阻尼特性。

2.2.2 負荷的影響

充氣壓力為220 kPa時，不同速度及負荷下輪胎的徑向力與縱向力-時間曲線如圖4所示，輪胎的徑向力峰值與縱向力峰峰值如表5所示。

圖4 不同速度及負荷下輪胎的徑向力與縱向力-時間曲線（220 kPa充氣壓力）

表5 不同速度及負荷下輪胎的徑向力峰值與縱向力峰峰值（220 kPa充氣壓力） N

從圖4和表5可以看出：當充氣壓力一定時，輪胎的徑向力峰值在30 km·h-1速度下隨負荷增大而增大，在60 km·h-1速度下隨負荷增大而減小，但兩個速度下的徑向力峰值變化幅度均較小；在不同速度下，輪胎的徑向力衰減表現出不同的趨勢，速度較大時，負荷較大的輪胎的徑向力衰減較快；兩個速度下輪胎的縱向力峰峰值均隨負荷的增大而增大。

3 結論

（1）在低速包絡試驗中，輪胎的徑向力峰值隨充氣壓力的增大而增大，隨負荷的增大而減小；縱向力峰峰值隨充氣壓力和負荷的增大而增大，但變化幅度不大。

（2）在沖擊試驗中，輪胎的徑向力峰值與縱向力峰峰值隨充氣壓力的增大而增大；徑向力峰值隨負荷的變化受到速度的影響但變化幅度較小，縱向力峰峰值隨負荷的增大而增大。