輪胎縱向滑移特性測(cè)量方法及試驗(yàn)研究

王宣鋒　蔣帥　石光　李同柱（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130011）

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輪胎縱向滑移特性測(cè)量方法及試驗(yàn)研究

王宣鋒蔣帥石光李同柱
（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130011）

針對(duì)某款車輛匹配同型號(hào)、不同廠家輪胎導(dǎo)致的制動(dòng)效能差異問(wèn)題，首先提出了輪胎縱向滑移特性的測(cè)量原理與方法，并進(jìn)行了道路試驗(yàn)驗(yàn)證，獲得了兩種輪胎的制動(dòng)剛度和峰值附著系數(shù)。然后測(cè)量了匹配不同輪胎的整車制動(dòng)距離和制動(dòng)減速度，結(jié)果表明，輪胎制動(dòng)剛度和峰值附著系數(shù)較大的輪胎制動(dòng)距離較短。該測(cè)試方法簡(jiǎn)單有效，可作為主機(jī)廠評(píng)價(jià)輪胎縱滑特性及整車制動(dòng)性能的手段，同時(shí)可指導(dǎo)ABS的標(biāo)定。

主題詞：汽車輪胎制動(dòng)力系數(shù)縱向滑移特性測(cè)量

1 前言

路面附著系數(shù)與滑移率的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系是輪胎縱向滑移特性的重要研究?jī)?nèi)容，其對(duì)車輛的制動(dòng)距離、制動(dòng)減速度都有較大影響［1］。目前，國(guó)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)主要依靠輪胎高速力學(xué)特性試驗(yàn)臺(tái)以及通過(guò)輪胎負(fù)荷拖車來(lái)進(jìn)行輪胎縱滑特性研究［2］。雖然輪胎高速力學(xué)特性試驗(yàn)臺(tái)及輪胎負(fù)荷拖車測(cè)量精度很高，但是設(shè)備價(jià)格昂貴，而我國(guó)可供利用的此項(xiàng)試驗(yàn)資源極少，還需委托國(guó)外公司進(jìn)行技術(shù)服務(wù)，使得試驗(yàn)成本增高。

為此，針對(duì)某款轎車匹配同型號(hào)、不同廠家輪胎而導(dǎo)致的制動(dòng)效能差異問(wèn)題，從車輛制動(dòng)動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，提出了基于整車道路試驗(yàn)的輪胎縱向滑移特性測(cè)量方法，并研究了制動(dòng)力系數(shù)隨滑移率的變化對(duì)整車制動(dòng)效能的影響。

2 制動(dòng)力系數(shù)測(cè)定原理分析

車輪制動(dòng)力系數(shù)φb1（即輪胎與路面間附著系數(shù)）為該車輪的地面制動(dòng)力FXb1與垂直載荷FZ1之比，即

車輪的地面制動(dòng)力和垂直載荷可通過(guò)對(duì)整車模型分析得到。

2.1 整車模型

建立了整車動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)整車制動(dòng)時(shí)受力情況進(jìn)行了分析，如圖1所示。圖1中，V為車速，αb為制動(dòng)減速度。

相對(duì)車輛靜載狀態(tài)，制動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)軸荷轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致前軸載荷增加、后軸載荷減少。為此，對(duì)后輪接地點(diǎn)建立了力矩平衡方程：

式中，F(xiàn)′Z1為制動(dòng)時(shí)地面對(duì)前軸的法向反作用力；m為車輛總質(zhì)量；a為汽車質(zhì)心到前軸距離；b為汽車質(zhì)心到后軸距離；h為車輛質(zhì)心高；L為車輛軸距。

圖1　整車制動(dòng)時(shí)受力情況

同理，在靜載狀態(tài)下對(duì)后輪接地點(diǎn)建立力矩平衡方程：

式中，F(xiàn)Z10為靜載狀態(tài)下地面對(duì)前軸的法向反作用力。

由式（2）和式（3）可得：

前軸地面制動(dòng)力F′Xb1根據(jù)測(cè)得的制動(dòng)強(qiáng)度和未制動(dòng)車輪的滾動(dòng)阻力來(lái)計(jì)算，驅(qū)動(dòng)橋和非驅(qū)動(dòng)橋的滾動(dòng)阻力分別為其靜載軸荷的0.015倍和0.01倍［3］。由于本次試驗(yàn)車輛為后輪驅(qū)動(dòng)，制動(dòng)力系數(shù)測(cè)量試驗(yàn)采用后軸制動(dòng)器失效的方式進(jìn)行，所以前軸地面制動(dòng)力F′Xb1計(jì)算式為：

式中，F(xiàn)Z20為靜態(tài)下地面對(duì)后軸的法向反作用力。

由式（1）～（5）可求得前軸制動(dòng)力系數(shù)為：

2.2 滑移率

車輛在正常行駛中采取制動(dòng)時(shí)，隨制動(dòng)強(qiáng)度的增加，車輪的滾動(dòng)成分會(huì)越來(lái)越少，而滑動(dòng)成分越來(lái)越多，直至車輪抱死時(shí)車輪純滑動(dòng)。滑移率為車輪的滑動(dòng)成分所占的比重，即

式中，s為車輪滑移率；R為車輪滾動(dòng)半徑；ω為車輪旋轉(zhuǎn)角速度。

2.3 待測(cè)參數(shù)

獲得輪胎縱滑特性（φb1-s）曲線需要測(cè)量出整車結(jié)構(gòu)參數(shù)（車輛總質(zhì)量m、靜載狀態(tài)下前、后軸荷FZ10和FZ20、車輛質(zhì)心高h(yuǎn)、輪胎滾動(dòng)半徑R、軸距L）和車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)（車輛速度V，前軸兩個(gè)車輪的旋轉(zhuǎn)角速度ω1、ω2，車輛減速度αb），共10項(xiàng)。

3 制動(dòng)力系數(shù)測(cè)量及試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)用樣車為已裝配防抱制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）的車輛。試驗(yàn)儀器包括Racelogic公司的基于GPS的Vbox3i整車性能測(cè)試系統(tǒng)、RLVBIMU 01型減速度傳感器和CORRSYSDATRON的SN-R型輪速傳感器。

試驗(yàn)前必須先確定車輛載荷及分配、輪胎型號(hào)及氣壓、試驗(yàn)段位置及路面狀況、初始制動(dòng)車速、制動(dòng)踏板踩踏速率等信息，換裝不同廠家輪胎進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)應(yīng)盡量保持這些條件相同，以減少對(duì)輪胎縱滑特性曲線測(cè)量的影響［4］，試驗(yàn)所用兩個(gè)廠家同型號(hào)輪胎（輪胎A、輪胎B）的胎面花紋見(jiàn)圖2。

圖2　試驗(yàn)用兩個(gè)廠家的輪胎胎面花紋

因測(cè)量輪胎縱向滑移特性主要目的是分析匹配不同輪胎后的整車制動(dòng)距離和制動(dòng)減速度差異，所以不僅需要測(cè)量制動(dòng)力系數(shù)-滑移率動(dòng)態(tài)特性［5］，還要測(cè)試匹配不同輪胎后的整車制動(dòng)效能。

3.2 試驗(yàn)方法

標(biāo)準(zhǔn)GB21670—2008中要求，附著系數(shù)應(yīng)在無(wú)車輪抱死的前提下，由最大制動(dòng)力除以被制動(dòng)車軸（橋）的相應(yīng)動(dòng)態(tài)載荷的商來(lái)確定。試驗(yàn)開(kāi)始前將防抱制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）斷開(kāi)，且保證車輛的后軸制動(dòng)器處于不工作狀態(tài)。試驗(yàn)時(shí)，以50 km/h的初速度只對(duì)試驗(yàn)車輛的前軸進(jìn)行制動(dòng)，記錄并測(cè)量此制動(dòng)過(guò)程中車速V、前軸各車輪的旋轉(zhuǎn)角速度ω1和ω2以及車輛制動(dòng)減速度αb。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)所用車輛的前、后靜態(tài)軸荷（包括車上試驗(yàn)人員及試驗(yàn)設(shè)備）及尺寸參數(shù)如表1所列。根據(jù)表1中的整車結(jié)構(gòu)參數(shù)及試驗(yàn)所測(cè)得的V、ω1、ω2和αb等值，由式（6）和式（7）可求得制動(dòng)力系數(shù)-滑移率曲線，如圖3所示。

由圖3可看出，無(wú)論使用輪胎A還是輪胎B，制動(dòng)力系數(shù)的整體趨勢(shì)走向是一致的。當(dāng)滑移率s＜5%時(shí)，制動(dòng)力系數(shù)-滑移率關(guān)系曲線呈線性趨勢(shì)增長(zhǎng)；滑移率s＞5%后制動(dòng)力系數(shù)-滑移率關(guān)系曲線開(kāi)始非線性增長(zhǎng)；滑移率s處于5%～20%范圍內(nèi)時(shí)制動(dòng)力系數(shù)出現(xiàn)峰值；滑移率s＞20%時(shí)，制動(dòng)力系數(shù)-滑移率關(guān)系曲線雖有波動(dòng)但整體呈線性趨勢(shì)緩慢下降。表2為兩種同型號(hào)、不同廠家輪胎的制動(dòng)力系數(shù)比較結(jié)果，由表2可知，輪胎A的制動(dòng)剛度［6］和峰值附著系數(shù)都比輪胎B的大，說(shuō)明輪胎A與地面間產(chǎn)生的制動(dòng)力大于輪胎B，即輪胎A的制動(dòng)效能更好一些。

表1　整車結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3　左、右前輪制動(dòng)力系數(shù)-滑移率關(guān)系曲線

4 制動(dòng)力系數(shù)對(duì)整車制動(dòng)距離的影響

為分析制動(dòng)力系數(shù)對(duì)整車制動(dòng)距離的影響進(jìn)行了制動(dòng)性能試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)條件

a.試驗(yàn)樣車相同，只更換同型號(hào)、不同生產(chǎn)廠家的兩種輪胎。為避免胎面深度和磨損程度影響制動(dòng)距離［7］，采用了經(jīng)過(guò)磨合且生產(chǎn)日期都在1年以內(nèi)的新輪胎。

表2　同型號(hào)、不同廠家輪胎制動(dòng)力系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

b.試驗(yàn)前須保證兩種輪胎胎壓與轎車規(guī)定的胎壓要求相同，即前輪胎壓為210 kPa，后輪胎壓為240 kPa。

c.制動(dòng)過(guò)程中采用相同的試驗(yàn)路段、相同的初始制動(dòng)位置和相同的車輛行駛方向。

d.采用相同的傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

e.試驗(yàn)保持駕駛員不變、制動(dòng)踏板踩踏速率不變［8］。

f.換裝不同輪胎后，應(yīng)根據(jù)表1的要求對(duì)車輛載荷進(jìn)行重新配載，以保證整車載荷和前、后軸荷分配不變。

4.2 測(cè)量方法

測(cè)量步驟如下：

a.車輛裝配輪胎A，在附著系數(shù)良好（干瀝青或者混凝土）的水平路面上將車輛加速至105 km/h，脫開(kāi)擋位，在車速下降至100 km/h時(shí)全力進(jìn)行行車制動(dòng)，測(cè)量車速和制動(dòng)減速度。

b.使用輪胎B替換輪胎A，換裝后重復(fù)進(jìn)行上述試驗(yàn)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

制動(dòng)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4　車輛裝配輪胎A和輪胎B的制動(dòng)過(guò)程曲線

兩種不同輪胎的制動(dòng)距離試驗(yàn)結(jié)果如表3所列。由表3可知，在100～0 km/h的制動(dòng)過(guò)程中，輪胎A的制動(dòng)距離均值比輪胎B的制動(dòng)距離均值小3.1m，采用輪胎A的MFDD（平均制動(dòng)減速度）比采用輪胎B大0.69m/s2，這與表2中的制動(dòng)力系數(shù)測(cè)量結(jié)果有較好的一致性［9］，由此表明，本文所提出的道路試驗(yàn)法測(cè)量制動(dòng)力系數(shù)-滑移率關(guān)系曲線是可行的。

表3　制動(dòng)距離試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

利用整車道路試驗(yàn)方法，首先通過(guò)實(shí)測(cè)的整車減速度來(lái)計(jì)算輪胎的縱向力及垂直載荷，從而得出輪胎制動(dòng)力系數(shù)；然后通過(guò)車速與輪速來(lái)計(jì)算車輪滑移率，從而得到輪胎的制動(dòng)力系數(shù)-滑移率關(guān)系曲線。通過(guò)制動(dòng)距離試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。該方法使用成本低、測(cè)試簡(jiǎn)單有效，可作為主機(jī)廠評(píng)價(jià)輪胎縱滑特性及整車制動(dòng)性能的手段，同時(shí)對(duì)指導(dǎo)ABS標(biāo)定具有重要意義。

1余志生.汽車?yán)碚?北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

2 http：//www.tassinternational.com/tyre-testing，Dedicated On-road test laboratory，Delft-Tyre TestCapabilities.

3 GB21670—2008乘用車制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法.

4 DW Goudie，JJBowler，CA Brown，etal.Tire Friction During LockedWheel Braking，SAE：2000-01-1314.

5 ISO 8349—2002 Road vehicles-Measurement of road surface friction.

6 GB/T 12549—2013汽車操縱穩(wěn)定性術(shù)語(yǔ)及其定義.

7 Damiano Capra，NicolòD’Alfio，Andrea Morgando and Alessandro Vigliani.Experimental Test of Vehicle Longitudinal Velocity and Road Friction Estimation for ABS System，SAE：2009-01-0428.

8 ISO 21994—2007 Passenger cars—Stopping distance at Straight-linebrakingwith ABS—Open loop testmethod.

9 G.萊斯特.汽車輪胎研發(fā)—策略、方法和工具.張英紅，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2016年4月21日。

M easurement M ethod and Experimental Study on Tire Longitudinalslip Property

Wang Xuanfeng，Jiang Shuai，ShiGuang，Li Tongzhu
（State Key Laboratory of Comprehensive Technology on Automobile Vibration and Noise&Safety Control，China FAW Co.，Ltd R&D Center，Changchun 130011）

【Abstract】The paper focuses on different braking efficiencies of two brands of tires equipped on a test vehicle.First，the principle and method of tire longitudinal slip characteristic measurement are proposed，and road test verification is carried out.Then，braking stiffness and peak adhesion coefficient，vehicle braking distance and braking deceleration of these two brands of tires are measured.The results indicate that，tire with greater braking stiffness and peak adhesion coefficient has shorter braking distance.This testmethod is easy and effective，can be used to evaluate tire longitudinalslip characteristic and vehicle braking property，meanwhile，it can also guide ABS calibration.

Automotive tire，Braking force coefficient，Longitudinal-slip property，M easurement

U463.52

A

1000-3703（2016）08-0039-04