劉 坤，王 君，曲賓建，徐 超，魏成龍

（青島雙星輪胎工業(yè)有限公司，山東 青島 266555）

汽車操縱穩(wěn)定性一般包括行駛穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向響應(yīng)性兩個重要方面。行駛穩(wěn)定性是車輛能抵抗路面?zhèn)认蝻L(fēng)、路面不平等因素保持穩(wěn)定行駛的能力。轉(zhuǎn)向響應(yīng)性是車輛按照駕駛者轉(zhuǎn)動方向盤的方向行駛，不僅要求在高速行駛時安全、穩(wěn)定、不跑偏，又要求轉(zhuǎn)向輕便，輸入與輸出之間的延遲小。輪胎是車輛上與路面直接接觸的唯一零部件[1]，目前汽車企業(yè)開發(fā)中高端新車型時，在操縱穩(wěn)定性方面對輪胎配套廠商提出越來越高的要求，例如在直道高速公路上，駕駛員不需要緊握方向盤，車輛可以保持直線行駛；在遇到路面干擾因素時，方向盤不發(fā)生左右搖擺；高速行駛時，輕打方向盤一定角度，回正順暢；車輛轉(zhuǎn)彎時，輪胎極限抓著力大等。

本工作對轎車輪胎操縱穩(wěn)定性設(shè)計因素相關(guān)性進(jìn)行研究。

1 輪胎操縱穩(wěn)定性的評價方法

汽車操縱穩(wěn)定性客觀路試評價主要按照GB/T 6323—2014《汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法》進(jìn)行，評價項目很多，主要包括蛇行、轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)、轉(zhuǎn)向回正性能、轉(zhuǎn)向輕便性以及穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗。輪胎操縱穩(wěn)定性的客觀評價大多通過靜態(tài)剛性（縱向、橫向、徑向、扭轉(zhuǎn)）測試和六分力[回正力矩、側(cè)偏剛度、輪胎殘余回正力矩（PRAT）]測試進(jìn)行，主要用來作為產(chǎn)品研發(fā)的參考數(shù)據(jù)。其中，徑向剛性體現(xiàn)輪胎徑向承載能力；縱向剛性和橫向剛性主要體現(xiàn)輪胎的縱向和橫向的操控性能；扭轉(zhuǎn)剛性主要體現(xiàn)輪胎轉(zhuǎn)向操控性，具體表現(xiàn)為轉(zhuǎn)向的靈活性；回正力矩具體體現(xiàn)在輪胎轉(zhuǎn)向回正的響應(yīng)。

在輪胎操縱穩(wěn)定性的主觀評價方面，目前并沒有統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)，2020年中國計量協(xié)會發(fā)布的《轎車輪胎性能主觀評價方法》給出了較為詳細(xì)的評價內(nèi)容和評價原則，可以作為評價參考。評價內(nèi)容主要包括直線穩(wěn)定性、中立感、線性感、響應(yīng)性、車道變換穩(wěn)定性、前/后平衡性、抓著力、制動穩(wěn)定性、側(cè)傾量、不足轉(zhuǎn)向/過度轉(zhuǎn)向、駐車/低速轉(zhuǎn)向力、回正性能、安心感和轉(zhuǎn)向應(yīng)答[2]。為簡化輪胎操縱穩(wěn)定性的主觀評價，建立更為清晰明了的評價與改善思路，便于分析與研究，評價工程師將其劃分為兩部分，即低速/中高速基礎(chǔ)轉(zhuǎn)向性能以及中度操控性能（側(cè)向剛性、極限抓著力、卷入感、均衡性）。本研究重點考察扭轉(zhuǎn)剛性、回正力矩、側(cè)偏剛度、PRAT和接地印痕等指標(biāo)。

2 轎車輪胎行駛穩(wěn)定性研究

2.1 克服車輛特性和傾斜路面引起的車輛跑偏

為克服拱形傾斜路況和左舵車的車輛特性對汽車保持直線行駛的影響，輪胎設(shè)計時必須保證輪胎PRAT數(shù)值保持在一定范圍內(nèi)，以防止車輛跑偏[3]。一般乘用車主機(jī)廠對PART數(shù)值要求的大致區(qū)間為－5～－1 N·m。

研究表明：影響PRAT的主要因素是胎面花紋傾斜走向和帶束層角度，胎面花紋傾斜走向（見圖1）可以實現(xiàn)PRAT負(fù)值化；2#帶束層的傾斜方向需要與肩部花紋橫溝的走向趨勢保持一致，且肩部花紋橫溝角度越大，對增大PRAT負(fù)值越有利[2]。大體上，胎面花紋傾斜走向?qū)RAT影響占80%，帶束層角度走向影響占20%。

圖1 胎面花紋溝設(shè)計總體方向示意

2.2 輪胎行駛穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向響應(yīng)性的提高

依據(jù)操縱穩(wěn)定性主觀評價的測試結(jié)果及以往經(jīng)驗，結(jié)合輪胎剛性、接地印痕、六分力等測試參數(shù)，提出了如下研究思路和方法。

研究車輛行駛穩(wěn)定性與轉(zhuǎn)向響應(yīng)，需要分析力（力矩）的輸入、力（力矩）的傳遞路徑和力（力矩）的輸出響應(yīng)三要素。分析回正力矩的傳遞路徑：輪胎直接與路面接觸感受路面力（力矩）→胎肩部位→上胎側(cè)（簾線）→下胎側(cè)耐磨膠（三角膠＋簾線）→車輪→轉(zhuǎn)向裝置→方向盤→駕駛者。同樣，轉(zhuǎn)向力矩的傳遞可以看作回正力矩傳遞路徑的逆向反饋。分析認(rèn)為，基礎(chǔ)轉(zhuǎn)向性能容易同時受胎側(cè)剛性和胎冠剛性的影響，這些半部件材料性能不同，比如目前大多數(shù)產(chǎn)品整個輪胎部位材料分布特點是胎面膠、胎側(cè)膠、胎圈護(hù)膠和三角膠硬度分別為69，59，75和90度左右，1#胎體簾布貫穿整個胎側(cè)部位，它們之間的組合與搭配將直接影響轉(zhuǎn)向力矩與回正力矩的傳遞效果。

主觀評價過程中，胎冠剛性要與胎側(cè)剛性相匹配。實際測試中，胎冠剛性與胎側(cè)剛性不匹配主要有以下幾種情況。

（1）胎側(cè)剛性大，胎冠剛性小，會出現(xiàn)輪胎抓地困難，側(cè)滑，轉(zhuǎn)向過于靈敏，穩(wěn)定性差的現(xiàn)象，這時需要對胎冠剛性進(jìn)行調(diào)整。胎冠剛性與輪胎地面抓著力和側(cè)偏剛度存在相關(guān)性。

這種情況可采用以下方法調(diào)整。輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計時，增大行駛面寬度，可增大接地寬度和接地面積，有利于干地抓著力的提高；胎冠弧度半徑較大，可使胎面接地更加充分，有利于干地抓著力的提高；花紋溝深度較小以及花紋塊較大，有利于提高胎冠剛性；花紋塊邊緣采用斜向倒角設(shè)計，可以使輪胎與地面接觸更加充分，避免出現(xiàn)卷邊效應(yīng)。施工設(shè)計時，增大帶束層寬度，可以增大接地印痕橫軸寬度和接地面積，輪胎行駛時側(cè)偏角也會變大，有利于輪胎地面抓著力的提高；帶束層角度較小，可以實現(xiàn)輪胎接地印痕偏向于矩形化；增強(qiáng)纏繞方式，可以使胎冠剛性增大，輪胎接地更加充分，各種纏繞方式的胎冠剛性從大到小依次為：2層平鋪，1層平鋪＋肩部纏繞，1層平鋪；胎面花紋溝底膠厚度（一般不小于2 mm）小，即設(shè)計厚度較小的基部膠，可以提高胎冠剛性。

輪胎接地印痕形狀對其抓著力影響很大，一般設(shè)計時，采取改善措施后要通過試驗對比分析改善前后輪胎的接地印痕。輪胎接地面積增大，有利于提高抓著力；一般接地印痕形狀趨于矩形有利于提高側(cè)偏剛度和總體操控性，圖2和3分別示出了矩形和橢圓形輪胎接地印痕。

圖2 矩形接地印痕

圖3 橢圓形接地印痕

（2）胎冠剛性過大，胎側(cè)剛性小，易導(dǎo)致輪胎與地面抓著力過大，輪胎轉(zhuǎn)向和回正遲滯，需要根據(jù)具體情況，結(jié)合室內(nèi)測試所得輪胎剛性和接地印痕形狀，通過調(diào)整各部位相關(guān)參數(shù)，對胎面和胎側(cè)剛性進(jìn)行調(diào)整。

為避免出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，以微型電動車專用165/65R15輪胎為例，產(chǎn)品初始方案設(shè)計原則為：三角膠端點與胎圈護(hù)膠端點錯開10 mm以上，1#胎體簾布反包端點與胎圈護(hù)膠端點錯開20 mm以上，以保持端點位置呈階梯線性分布。三角膠端點和1#胎體簾布反包端點整體上移，可以提高胎側(cè)的垂直剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，對轉(zhuǎn)向響應(yīng)、側(cè)傾支撐等操控性有利，同時也可以提高側(cè)偏剛度，改善轉(zhuǎn)向過程中輪胎變形，從而提高轉(zhuǎn)向響應(yīng)[4-5]。

胎圈耐磨膠與胎側(cè)膠的搭接量根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格扁平比的不同，設(shè)計時可選擇15，25和35 mm，配套輪胎產(chǎn)品性能提升時可對此搭接量進(jìn)行調(diào)整。

值得注意的是，耐磨膠需要與輪輞緊密接觸，耐磨膠下端點位置向上調(diào)整，容易裸露在輪輞上方，與空氣接觸易加速老化；下端點位置向下調(diào)整，容易使胎側(cè)膠與輪輞接觸，加速胎側(cè)膠磨損。因此，只能通過調(diào)整耐磨膠上端點位置來改變胎側(cè)膠與耐磨膠的搭接量，從而改變耐磨膠的寬度，耐磨膠下端點的位置不能輕易改變。

綜上所述，制定3個胎側(cè)部位剛性調(diào)整方案，如表1所示，選取扭轉(zhuǎn)剛度和回正力矩對輪胎轉(zhuǎn)向和回正性能進(jìn)行驗證。

表1 胎側(cè)部位剛性調(diào)整

從表1可以看出：通過對三角膠端點（高度）、胎圈護(hù)膠上端點（胎側(cè)膠與耐磨膠的搭接量的調(diào)整）和1#胎體簾布反包上端點絕對或者相對位置提高（見圖4），增大胎側(cè)厚度，可以實現(xiàn)胎側(cè)轉(zhuǎn)向等性能的提高。

圖4 胎側(cè)部位端點位置示意

減小機(jī)頭寬度，可以增大簾線張力；增強(qiáng)簾線材質(zhì)，也可以提高胎側(cè)剛性，有利于提高輪胎轉(zhuǎn)向和回正性能。在回正性能改善試驗時，可以參照輪胎接地印痕形狀和輪胎的側(cè)偏特性規(guī)律圖（見圖5）制定改善措施并進(jìn)行驗證。目標(biāo)接地印痕趨于橢圓形，且中心接地長度長，中心接地壓力大，對于輪胎保持直線行駛、提高回正性能有利[6]。

圖5 輪胎側(cè)偏特性規(guī)律

（3）除此以外，還存在胎冠剛性適中、胎側(cè)剛性偏小等情況，本文不再一一分析。

3 結(jié)論

（1）介紹轎車輪胎操縱穩(wěn)定性的主客觀評價方法，針對車輛操縱穩(wěn)定性特點，將轎車輪胎操縱穩(wěn)定性主觀評價重點劃分為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)向性能和中度操縱性能，重點關(guān)注輪胎轉(zhuǎn)向響應(yīng)和具有良好抓著力的行駛穩(wěn)定性。

（2）影響PRAT的主要因素是胎面花紋傾斜走向和帶束層角度，大體上胎面花紋傾斜走向?qū)RAT影響占80%，帶束層角度走向影響占20%。

（3）主觀評價反饋的輪胎操縱穩(wěn)定性問題分為胎面和胎側(cè)剛性不匹配的幾種情況，可以通過調(diào)整胎冠部位半部件剛性來調(diào)整胎冠和胎側(cè)剛性，使兩者匹配。提高胎冠剛性，有利于提高抓著力和側(cè)偏剛度，設(shè)計時主要通過增大帶束層寬度、減小花紋溝底膠厚度以及增強(qiáng)纏繞方式來實現(xiàn)。提高胎側(cè)剛性方面，可以根據(jù)材料特性的不同，使三角膠上端點、胎圈耐磨膠上端點與1#胎體簾布反包端點三者之間保持一定的階梯差，有利于避免應(yīng)力集中以及進(jìn)行力的緩沖；同時，使各端點整體上移，增大胎側(cè)厚度，也有利于整體胎側(cè)剛性的提高。

（4）通過調(diào)整輪胎的整體剛性，使胎冠和胎側(cè)部位剛性匹配，實現(xiàn)胎冠至胎側(cè)的剛度分布均勻，滿足地面抓著力的需求，同時使轉(zhuǎn)向響應(yīng)更加流暢。

（5）在設(shè)計驗證方面，除了主觀評價方式以外，重點參考輪胎接地印痕的形狀和面積、側(cè)偏剛度、PRAT、扭轉(zhuǎn)剛性和回正力矩等參數(shù)。

轎車輪胎操縱穩(wěn)定性是一項復(fù)雜的性能，包括很多主客觀評價指標(biāo)，這些評價指標(biāo)與設(shè)計因素之間的相關(guān)性是非線性的，輪胎行業(yè)目前還沒有規(guī)范、統(tǒng)一、公認(rèn)的評價體系。本工作通過以往設(shè)計經(jīng)驗以及實際輪胎與車輛進(jìn)行匹配的各個項目，總體上簡單給出了性能與結(jié)構(gòu)設(shè)計因素的關(guān)聯(lián)性趨勢，后續(xù)研究需要從定性主觀評價轉(zhuǎn)變?yōu)楦敿?xì)的客觀定量、細(xì)化、精確的方向，建立主客觀評價相關(guān)性。