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第 5期吕斌川等. 轮胎侧向力测试分析 试验 #测试 轮胎侧向力测试分析 吕斌川, 杨 浩, 赵 军 (中橡集团曙光橡胶工业研究设计院, 广西 桂林 541004) 摘 要: 分析了影响汽车操纵稳定性中最重要物理量之一))) 轮胎侧向力的影响因素轮胎的侧偏角、 侧倾角、 垂直载 荷、 充气压力、 轮胎结构和材料、 断面高宽比、 轮辋直径等对轮胎侧向力有一定的影响通过采用扁平率小的宽轮胎、 轮辋宽 度的增加以及采用钢丝子午线轮胎增加带束层屈挠刚性均可增加轮胎侧向力, 提高汽车的操纵稳定性 关键词: 轮胎; 侧偏特性; 侧向力; 侧偏角; 倾角 作者简介: 吕斌川 ( 1974- ), 男, 广西陆川人, 工程师, 主要从 事轮胎试验研究 随着人们对汽车行驶安全性意识的增强, 汽 车操纵稳定性作为直接影响行车安全的重要因素 而受到各大汽车厂和轮胎厂的高度重视汽车的 操纵稳定性是汽车在行驶过程中受外界干扰后保 持稳定行驶能力及抵御发生侧滑侧翻的能力侧 向操纵稳定性对汽车来说尤其重要汽车的操纵 稳定性主要是由轮胎的侧偏特性决定的, 轮胎的 侧偏特性主要是指侧向力、 回正力矩与侧偏角间 的关系, 是研究操纵稳定性的基础。

在车辆操纵 稳定性分析中, 车辆所受的最重要的外力就是侧 向力一般行驶时, 实际的侧偏角在 5 b 以下, 在 侧偏角较小情况下, 侧向力较大的轮胎, 轮胎侧偏 性能较优, 汽车的操纵稳定性就越好 本文借鉴有关轮胎侧偏特性理论对轮胎侧偏 特性最重要的物理量之一侧向力进行试验研究, 通过 MTS860转鼓试验机测量轮胎动态下的侧向 力特性, 分析了轮胎的侧偏角、 侧倾角、 垂直载荷、 充气压力、 轮胎结构和材料、 轮胎断面高宽比、 轮 辋直径等影响侧向力特性的因素, 并相应的提出 了改善轮胎侧向力特性的方法为轮胎性能的改 进及轮胎设计提供了依据 1 基本概念 1 . 1 轮胎六分力示意图 如图 1所示, 地面作用于轮胎接地印痕处 有 3个方向的力: FX( 纵向力 )、 FY(侧向力 )、 FZ( 垂直载 荷 ) , 它们和 3个 方向的 力矩 [ TX ( 翻转力矩 )、TY( 滚动 阻力 矩 )、TZ( 回 正力 矩 ) ]称为六分力 图 1 轮胎六分力示意图 1 . 2 轮胎的侧偏现象 因轮胎侧向弹性的影响, 当车轮有侧向力作 用时, FY没有达到附着极限, 车轮行驶方向亦将 偏离车轮直进的方向, 这就是轮胎的侧偏现象。

侧向力因转向、 路面倾斜、 风力等引起转向引起 的侧向力总是作用于汽车内侧侧偏角总是位于 与侧向力作用方向相反的一侧 1 . 3 轮胎外倾角 轮胎外倾角和外倾侧向力如图 2所示轮胎 产生外倾角的原因是由于车桥因载荷变形、 汽车 转向时的离心力、 路面倾斜、 前轮定位参数的需要 所致 2 轮胎侧向力的测试 测试轮胎侧向力的试验设备是 MTS860轮胎 29 现代橡胶技术2009年第 35卷 性能试验机该机是 1996年从美国 MTS公司购 进, 测试工位最大速度为 350k m /h , 最大垂直载荷 为 25kN, 最大侧向力 ? 9kN, 适合做轮胎 (动态、 静 态 )侧偏角、 倾角试验以及测量轮胎动态下的侧向 力 (侧向防滑力 ) 图 2 轮胎外倾角和外倾侧向力示意图 3 影响轮胎侧向力的因素 3 . 1 侧偏角 图 3所示为同一条轮胎 195/65R15 91V在垂 直载荷 285kg、 570kg、 670kg 、 800kg、 气压 180kPa 、 侧偏角 0~ 10b 、 速度 60km /h时的侧向力特性, 即 侧向力 FY与侧偏角 之间的关系从图 3中可以 看出, 在侧偏角 6b 时, 轮胎侧向力虽存在随侧偏角增大而略微增大 的趋势, 但大体上可看作是定值。

这是因为侧偏 角较小时, 就轮胎接地面整体而言, 胎面的滑动部 分较小, 几乎都是粘着部分, 粘着摩擦力对应着轮 胎横向刚性和横向变形量, 因横向变形量与侧偏 角成正比, 所以侧偏角较小时侧向力也与侧偏角 成正比侧偏角较大时, 就轮胎接地面整体而言, 胎面的滑动部分增多, 所以侧偏力随侧偏角增大 而减小当接地面全部处于滑动状态时, 侧向力 达到最大, 因此在汽车操纵过程中, 应尽量避免大 角度或大而急的转向, 以避免因轮胎无法提供足 够大的汽车转弯能力而造成事故 3 . 2 轮胎垂直载荷 如图 3所示, 通过试验表明, 当轮胎垂直载荷 为 285kg 、 570kg、 670kg时, 随着轮胎垂直载荷的 增大, 轮胎侧向力也增大; 达到一定的垂直载荷 时, 侧向力增大的幅度减小; 载荷过大 ( 800kg)时, 轮胎与地面接触区的压力变得极不均匀, 轮胎侧 向力反而有所减小因此, 超载不利于车辆的操 纵稳定性和安全性除此之外, 超载引起的轮胎 切向力 (包括侧向力和纵向力 )变大也会导致轮胎 磨损加剧, 大大缩短轮胎的使用寿命 图 3 侧向力与侧偏角的关系 图 4 侧向力与侧偏角的关系 3 . 3 轮胎气压的影响 选用两条胎体结构、 材料、 花纹相同的 195/ 65R15 91V轮胎分别以 180kPa 、 240kPa的轮胎气 压在垂直载荷为 285kg、 侧偏角 0 ~ 10b 、 速度 60km /h的条件下测试其侧向力。

在本试验条件 下, 由于轮胎气压调节范围较窄, 轮胎侧向力随气 压变化不明显, 但从图 4中仍然可以看出随着气 压的增大, 轮胎的侧向力也增大这是因为提高 轮胎气压使轮胎的横向刚性增大, 一般来说, 侧偏 30 第 5期吕斌川等. 轮胎侧向力测试分析 力也增大, 但轮胎气压提高使轮胎接地面积减少, 受轮胎负荷的影响, 侧向力可能减小轮胎负荷 大, 即使轮胎压力增大, 轮胎接地面积几乎没变 化, 侧偏力随横向刚性增大而增大但在轮胎负 荷小的情况下, 与轮胎气压增加带来的横向刚性 增大的作用相比, 轮胎接地面积的减少使得侧向 力降低的作用更大因此, 为了保证汽车的可操 纵性和安全性, 保持合适的轮胎气压非常重要 3 . 4 轮胎外倾角影响 195/65R15 91V轮胎在 210kPa 、 615kg 、 60km / h 、 倾角 - 8~ + 8b的试验条件进行倾角试验的结 果如图 5所示, 图中可看出侧向力 FY和外倾角 成线性关系, 侧向力随倾角增大而呈线性增大 FY= KCC 外倾角增大会影响最大地面侧向反作用力, 降低极限侧向加速度, 故高速汽车转弯时应使前 外轮尽量垂直于地面。

图 5 倾角试验结果 3 . 5 轮胎结构和材料的影响 由于子午线轮胎胎面屈挠刚性比斜交轮胎 大, 子午线轮胎接地面较宽, 所以子午线轮胎侧向 力比斜交轮胎大 另外由于钢丝子午线轮胎带束层屈挠刚性比 尼龙子午线轮胎大, 所以侧向力更大, 以致钢丝子 午线轮胎的转向性能和高速直行稳定性得到极大 提高 3 . 6 高宽比 以百分数表示的轮胎断面高 H 与轮胎断面宽 B之比 H /B @ 100 % 称为扁平率使轮胎断面形 状扁平化且增加胎面宽度的轮胎, 其带束层宽度 也相应增加, 使胎面屈挠刚性增大, 随着轮胎高宽 比减小, 侧向力增大 (见图 6) 图 6 侧向力与侧偏角的关系 现代轮胎的扁平率逐渐减小, 不少轿车已采 用扁平率为 60 % ( 60系列 )宽轮胎追求高性能 的运动型轿车也有采用扁平率为 50 % 甚至 35 % 宽轮胎的 3 . 7 轮辋宽度影响 增加轮辋宽度可增加轮胎的横向刚性, 所以 侧向力也相应增大图 7为 205/55R16轮胎分别 装配 6 . 5J 、 7J轮辋在 210kPa 、 615kg、 60km /h条件 下进行侧偏试验的结果曲线图结果表明增加轮 辋宽度侧向力增大, 这是因为增加轮辋宽度可增 加轮胎的横向刚性, 所以侧向力也相应增大。

图 7 侧向力与侧偏角的关系 4 结 论 以上分析表明, 表示轮胎侧偏特性的侧向力 受多方面因素的影响, 但主要起作用的是轮胎接 地面积和轮胎的横向刚性因此要增大轮胎侧向 力, 提高轮胎的转弯性能和稳定性, 就必须提高轮 胎接地面积和轮胎的横向刚性研究结果表明, 31 现代橡胶技术2009年第 35卷 在轮胎结构方面, 采用扁平率小的宽轮胎以及增 加轮辋宽度都会增大轮胎侧向力; 另外, 我们也可 以通过采用子午线轮胎以增加侧向力的方法来提 高车辆操纵稳定性还可以通过采用钢丝子午线 轮胎来提高带束层屈挠刚性, 里面提高轮胎侧偏 性能 轮胎的气压和负荷在国内外早已成为轮胎设 计过程中的标准参数, 这些数据的选取主要根据 一般情况下汽车的负荷而确定但是随着汽车性 能的改善和人们要求的提高, 轮胎的实际使用气 压和负荷在一些情况下不同于标准, 而是选择一 个最佳的数据, 使轮胎具备较优的侧偏性能 为保证轮胎具有满足汽车正常行驶所必 需的侧偏特性, 降低轮胎磨损, 延长轮胎使用 寿命, 应尽量避免轮胎超负荷运行或大而急的 转向操作 参考文献: [ 1]郭孔辉. 汽车操纵动力学 [M ]. 长春: 吉林科学技术出版社, 1991. [ 2]高延令. 汽车运用工程 [M ]. 北京: 人民交通出版社, 2004 . [ 3]刘 刚, 张子达, 赵丁选. 工程轮胎静力学特性实验研究与参 数识别. 工程机械 [ J], 2004, ( 7): 22- 29. 资讯速递 朗盛开发生物燃料汽车用弹性体 从事特种化学品生产的朗盛公司于 2009年 7 月 14日宣布, 开发出具有极高丙烯腈 ( ACN)含量 的系列化 HNBR橡胶, 该类产品适用于生物燃料 汽车使用。

许多汽车驾驶者已相信生物柴油和生物乙醇 拥有应对气候变化的潜力, 但是, 这一领域使用的 燃料对现在汽车工程所用的材料方面存在很大挑 战朗盛公司表示, 新的合成橡胶 Therban AT 5065 VP、 Therban AT 5005VP和 Therban 5008VP 能更好地阻止 /绿色燃料 0罐的膨胀, 这归功于它 的组成中有高的丙烯腈含量, 高达 50 . 5 % (达规 格上限 ), 属于合成橡胶中的精品, 这是橡胶组件 耐用性方面的一大进步 Therban AT 5005VP和 Therban 5008VP等级 产品使新的 HNBR产品可进一步增加抗老化能 力, 这归咎于其有极少的双键含量 ( 0 . 9 % )为 此, 朗盛公司新的加氢丁腈橡胶的使用性能与氟 橡胶相似, 但还增加了优异的抗动力负荷效益 固特异发布耐乘轮胎新品 固特异轮胎公司 2009年 9月 7日面向全中 国推出了一款全新的乘用车轮胎 ))) 耐乘 ( Dura - Plus)这款专为亚洲地区设计的轮胎采用创新 的长里程科技, 具有超长的行驶里程 固特异北亚区常务董事长兼固特异亚太区商 用轮胎副总裁迈克 #马丁司表示安全和性能是固 特异品牌的核心所在, 在当前充满挑战的经济环 境下, 越来越多的亚洲消费者希望找到一款超值 的轮胎。

研究发现, 众多小排量轿车的车主希望 其汽车轮胎能够行驶更长的里程、 拥有更久的使 用寿命固特异耐乘充分满足了这些车主的需 要, 让每千米的驾乘都物超所值 固特异测试团队在公司位于法国米诺沃和卢 森堡科尔马尔 - 贝尔格的专业测试赛道以及泰国 的普通开放路段, 分别对耐乘和同级别的其他轮 胎产品进行了对比测试, 结果显示, 固特异耐乘的 实际行驶里程超出同类产品 80 % 同时, 在包括 了操控性、 舒适性、 抓地力和滚动阻力的综合性能 测试中, 耐乘也具有很大优势 (钱伯章供稿 ) 32 。