轿车轮胎操纵稳定性匹配研究

摘要：轿车作为便捷交通的主体，其操纵稳定性的好坏直接影响行车的安全性能和舒适性能，因此，轿车轮胎操纵稳定性匹配研究，对于车辆、轮胎制造商的发展，有着愈来愈重要的意义。本文简述了轿车轮胎匹配研究的意义，并对轮胎部件和轮胎侧偏刚度对轿车操纵稳定性进行了影响研究与分析，同时也对阐述了轮胎各种特性参数对操纵稳定性的具体影响，以及轮胎操纵稳定性匹配研究的应用。

关键词：轿车轮胎 操纵稳定性 匹配研究

中图分类号：C35 文献标识码： A

对于轿车来说，一项非常重要的性能指标就是轮胎操纵稳定性，随着轿车的发展和行车环境的改善优化，轿车的速度也随着发展越来越高，因此，对车辆的操纵稳定性也就提出了更高的要求。首先，有些轿车由于车辆自身的原因，经常会出现操纵稳定性差的现象，对于这些我们是不愿意看到的，因为这直接关系着行车的安全性和舒适性；其次，对于轿车制造本身来说，尤其是在操纵稳定性的研究中也存在着矛盾，那就是如何让轮胎操纵稳定性和汽车舒适性达到完美匹配。在这种情况下，操纵稳定性的研究就变得越来越为重要，需要我们在改善车辆操纵稳定性的同时，还要兼顾车辆环保舒适性发展趋势。

一、轿车轮胎匹配研究的意义

近年来，随着社会的发展，汽车作为一种不可或缺的交通工具，越来越多的走进人们的生活，而一个不容忽视的现象就是交通事故呈现出不断上升的趋势，给人民生命和财产安全带来了巨大威胁，其中一个很重要的原因是车辆自身性能没有达到安全标准，再加上人为和道路环境因素，导致车辆操纵稳定性变差。汽车在行驶时的过程中，受到路面对汽车产生的不同方向的作用力，这些作用力中，汽车的轮胎对路面产生的作用力直接传递，因此，轮胎的力学研究在汽车的制造和研究设计中都尤为重要。轮胎的力学特性对汽车许多重要的性能都有很大的影响，那么如何根据车辆的性能要求，设计生产出匹配合适的轮胎，这是汽车制造商和轮胎设计制造商最为关心的问题。

目前，轮胎制造厂商评价和生产轮胎基本上只是针对轮胎本身，没有和整车性能进行紧密的匹配研究；而车辆制造设计单位在设计车辆时也只是被动的选择轮胎产品，缺乏与轮胎制造厂商同步开发产品的过程，多数情况下都是根据车型定位和轮胎特性选配合适的轮胎，所以，针对这种现状，开展轿车轮胎操纵稳定性匹配研究工作意义深远。综上所述，轿车轮胎匹配研究工作，不仅关系着车辆的基本性能，更关系着车辆运行的安全性能、舒适性能，以及发展竞争中的优势体现。

二、轮胎部件和轮胎侧偏刚度对轿车操纵稳定性的影响

轮胎作为汽车所有零部件中与发动机同样重要的零部件之一，具备支撑车辆荷重、缓冲路面带给车辆的冲击力、传达驱动与制动力、方向正确转换的基本功能。而轿车轮胎作为乘用子午线轮胎，在操纵稳定性、耐久性、低噪音、制动及驱动性能、耐磨性，以及低耗燃油性能方面要求更高，尤其是良好的操纵稳定性能，是轿车轮胎必须具备的首要功能，也是车辆安全行驶，制动性能、高速性能提升改善的前提与保障。

车辆通过轮胎与地面的接触来实现对整车的操纵，而轮胎是这个过程中各种作用力的传递转换者，直接影响车辆的整体操纵稳定性能。因此，我们首先通过轮胎各部件的性能和轮胎侧偏刚度来分析轮胎对轿车转向等操纵性能的影响因素。

1、轮胎部件的影响与分析

结构和尺寸对汽车性能影响较大的轮胎部件有胎而、冠带和三角胶和汽车的其他部件。

1）胎面

汽车最终通过胎面与路面之间的反作用力来获得行驶动力，胎面的花纹形式（纵向、横向或混合块状花纹）、沟槽空隙比、沟槽宽度及角度、沟槽深度、块大小、钢片设置和肩块刀槽形式决定或影响车辆的牵引力、制动性能和操纵稳定性等。另外，胎而花纹形式和结构也是影响车俩噪声的关键因素。因为轮胎的胎面要直接和路面接触，因此，它的耐磨性要好，滚动阻力和噪声要小，同时还要具备极好的耐热性和耐刺激性能。此外，子午线轮胎的缓冲伸张小，使胎而的承受负荷增大，特别是在较差的路面上更为明显，因此，胎面胶还要具有良好的弹性、耐疲劳性和较高的耐老化性能。

2）冠带层

刚性带束层与柔性胎面之间设置纤维帘布冠带层使得轮胎与路面之间的接地压力分布更加均匀，从而改善了车辆的操纵性和稳定性能和响应灵敏度，但冠带层的结构或尺寸不当，会降低车辆的行驶平顺性和操纵稳定性。

3）三角胶

在非直线行驶状态下，三角胶在承受胎圈部位垂直负荷的同时，还将通过转向机构施加给轮轴的侧向力传递给胎冠花纹，从而达到操控的目的，为了加强胎圈部位，使胎圈能够稳定成形，并形成胎圈向胎侧的刚性过渡，一般采用由一种硬度较大或两种不同硬度的三角胶条来填充钢圈和加强胎圈部分的胎侧，保证子午胎钢丝圈向柔软胎侧的平缓过渡。此外，这种三角胶还要具有良好的粘合性能。

因此，三角胶的结构、尺寸及胶料的物理性能对轮胎的侧偏特性影响很大。与不同车辆配合时，轮胎的三角胶结构、尺寸及胶料性能需要根据路试结果来调整；另外，反包胎体对汽车行驶性能的影响与三角胶相似，但由于胎体帘布反包端点处存在应力应变，因此必须使反包胎体帘布的端点位置与三角胶、胎侧、胎圈结构匹配；在胎圈对应轮缘位置处设置向保护胶棱不仅可以保护车辋，使之免受外力冲击，同时可以改善车辆的操纵性能，该技术在高性能轮胎及越野轮胎中已应用得越来越多。

2、轮胎侧偏刚度的影响与分析

从各项关于车辆稳定性研究来看，轮胎铡偏刚度直接影响车辆操纵稳定性。而现代多数汽车都是采用前后尺寸相同的轮胎，就会产生过多转向，直接影响操纵稳定性，但是有些大功率、发动机后置的运动型跑车，就是采用了前后不同型号的轮胎来提高后轮侧偏刚度，以避免过多转向，从而提高车辆的操纵稳定性。

车辆垂直载荷的变化对轮胎侧偏特性有着显著的影响，侧偏力随垂直载荷的增加而增大，在侧偏角一定时，轮胎侧偏刚度与侧偏力成正比，侧偏刚度也增加。另外，改变轮胎的充气压力也能小幅度地改变侧偏刚度，在轮胎正常工作载荷范围内，增加胎压可使轮胎侧偏刚度增加，因此，在车辆使用中，这种调节胎压的方法经常会用来补偿车辆装载条件的变化对车辆转向特性的影响。对典型的轿车来说，空载至满载的变化可导致车辆质心位置的显著改变。因此，为增加车辆操纵稳定性，不同载荷情况下采用相应的不同胎压被推荐为一个实际中采用的标准方法。 另外，可采用子午线轮胎增加车辆操纵稳定性，过去的车辆采用的多为斜胶轮胎，与相同型号的子午线轮胎相比，普通斜胶轮胎的侧偏刚度明显偏低，因此，我们也可以采用子午线轮胎，通过增加侧偏刚度的方法来增加车辆操纵稳定性。

三、轮胎各种特性参数对操纵稳定性具体影响

1、轮胎的结构形式对侧偏刚度的影响

如图所示，子午线轮胎接地面宽，一般侧偏刚度高，钢丝子午线轮胎比尼龙子午线轮胎的侧偏刚度还要高些。轮胎的结构形式对回正力矩-侧偏角特性也有影响，在同样侧偏角下，尺寸大的轮胎一般回正力矩较大；子午线轮胎的回正力矩比斜交轮胎大。

2、扁平率、行驶面宽对轮胎侧偏刚度的影响

扁平率和行驶面宽对轮胎侧偏刚度也有很大的影响，因为扁平率小，接地面积变宽，侧偏刚度成反比例提高，同理，行驶面越宽，接地面越大。故采用扁平率小、行驶面宽的宽轮胎是提高侧偏刚度，改善车辆操纵稳定性的主要措施，也符合轿车高速运动型发展方向和子午线轿车轮胎低扁平比、宽基化的发展趋势。

3、垂直载荷的变化对轮胎侧偏特性的影响

侧偏力随垂直载荷的增加而变大，但垂直载荷过大时，轮胎产生很大的径向变形，侧偏力反而有减小。另外，通过试验表明，回正力矩随垂直载荷的增加而增大。

4、轮胎充气压力对侧偏力的影响

由下图可知，随着充气气压的增加，侧偏力增大，但气压达到一定值后，侧偏力不再变化，与此相反，轮胎的气压降低，接地印迹变长，轮胎拖距增大，回正力矩也就变大。因此，正确使用气压也是保证车辆操控稳定性能的重要方法。

路面种类及干湿状况对侧偏特性，尤其是最大侧偏力有很大影响。

另外，行驶速度对侧偏力的影响很小，但随着速度增大，侧偏力的最大值降低，这主要是由于速度增高时，侧偏力的最大值降低，这主要是由于速度增高时，滑动摩擦系数降低的缘故。

5、外侧倾向力对侧偏力的影响

外侧倾向力是轮胎有外倾角，并在无侧偏角的情况下滚动时所产生的侧向反作用力。由外倾角所引起的外倾向力与侧偏角产生的侧向里相比相对较小，大概1°的侧偏角相当于斜交轮胎外倾4°～6°，子午线轮胎对外倾角更不如斜交轮胎敏感。

四、轮胎操纵稳定性匹配研究的应用

车辆在设计过程中，首先需要对车型进行定位，要根据车型对应的消费群体、市场环境等多方面的市场调查，最终确定未来车型的使用侧重点，是偏重于运动操控性还是稳定舒适性等，只有明确了这些要求的车辆性能之后，才能根据市场上提供的多款轮胎，选择最符合车型定位的轮胎，或者选择合适的轮胎制造厂商进行同步开发，最终也需要我们将轮胎对轿车操纵稳定性影响客观评价结果和驾驶员主观感受客观指标表述结合起来。

目标车辆轮胎匹配及验证结构图图

通过轮胎力学各项参数和整车车型定位的关系，我们一方面可以指导轮胎厂商根据轮胎特性生产适合各种车型定位的轮胎，另一方面整车厂根据车型定位和轮胎力学特性匹配合适的轮胎，从而达到轮胎操稳匹配的目的。

五、结束语

轿车轮胎操纵稳定性匹配研究的目的是：首先让轮胎制造厂商知道哪些轮胎特性才能符合车辆操纵稳性能的要求；其次为汽车制造厂商提供选配轮胎的依据，知道符合自己的车型定位的轮胎特性，以及逐步实现车辆制造厂商与轮胎制造厂商同步开发出具备优越匹配性能的产品。