輪胎包絡(luò)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(yè)的發(fā)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(fā)動機(jī)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(luò)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(fù)荷不同，因此需要掌握充氣壓力與負(fù)荷對輪胎包絡(luò)特性及沖擊特性的影響規(guī)律，從而針對不同車輛的使用條件精準(zhǔn)設(shè)計輪胎結(jié)構(gòu)。

本工作以215/55R17輪胎為研究對象，研究不同充氣壓力與負(fù)荷下輪胎的包絡(luò)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(chǎn)品。

1.2 試驗設(shè)備

輪胎高速均勻性試驗機(jī)，德國ZF公司產(chǎn)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(nèi)特性）。

1.3 試驗方法

1.3.1 低速包絡(luò)特性

輪胎低速包絡(luò)特性測試采用公司內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，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(luò)特性試驗條件

低速包絡(luò)試驗中，為了更好地反映充氣壓力的影響，進(jìn)行了3個負(fù)荷試驗，通過徑向力峰值與縱向力峰峰值考察輪胎的包絡(luò)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(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，主要測試輪胎在3種充氣壓力（220，240，260 kPa）、3種負(fù)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(nèi)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(tài)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(jié)果與討論

2.1 低速包絡(luò)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(fù)荷及充氣壓力下，輪胎的徑向力-時間曲線發(fā)生變化，在負(fù)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(fù)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(fù)荷較大時，輪胎的下沉量增大，輪胎能夠?qū)⑼箟K包覆住，輪胎中心受到的力減小[12]；在負(fù)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(fā)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(fù)荷的影響

圖2為不同負(fù)荷下輪胎的徑向力與縱向力-時間曲線。不同負(fù)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(fù)荷下輪胎的徑向力與縱向力-時間曲線

表2 不同負(fù)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(fù)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(fù)荷下，輪胎的徑向力、縱向力開始變化的時間不同，負(fù)荷越大，力的變化出現(xiàn)得越早，這是由于同一充氣壓力下負(fù)荷增大時，輪胎的接地長度增大，導(dǎo)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(jìn)行輪胎的接地印痕試驗，不同充氣壓力及負(fù)荷下的輪胎接地印痕參數(shù)如表3所示。

表3 不同充氣壓力及負(fù)荷下的輪胎接地印痕參數(shù)

從表3可以看出：在同一充氣壓力下，隨著負(fù)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(jié)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(fù)荷增大時降低的現(xiàn)象。

從表3還可以看出：在相同的充氣壓力下，隨著負(fù)荷的增大，輪胎的徑向剛度增大；在相同的負(fù)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(zhì)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(fù)荷可以調(diào)整其固有頻率，在整車調(diào)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(zhì)量。

2.2 沖擊特性

2.2.1 充氣壓力的影響

試驗負(fù)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(fù)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(fù)荷） N

從圖3及表4可以看出：在相同的負(fù)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(fù)荷、不同充氣壓力下輪胎徑向力的衰減趨勢發(fā)生變化，說明調(diào)整充氣壓力及速度可以改變輪胎的阻尼特性。

2.2.2 負(fù)荷的影響

充氣壓力為220 kPa時，不同速度及負(fù)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(fù)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(fù)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(dāng)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(fù)荷增大而增大，在60 km·h-1速度下隨負(fù)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(xiàn)出不同的趨勢，速度較大時，負(fù)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(fù)荷的增大而增大。

3 結(jié)論

（1）在低速包絡(luò)試驗中，輪胎的徑向力峰值隨充氣壓力的增大而增大，隨負(fù)荷的增大而減小；縱向力峰峰值隨充氣壓力和負(fù)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(fù)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(fù)荷的增大而增大。