轮胎的结构形式与参数对车辆性能的影响

1、轮胎的结构形式与参数对车辆性能的影响轮胎的结构形式与参数对车辆性能的影响（长安大学 陕西 西安 710010）摘要：由于轮胎性能是影响操纵稳定性 、安全性及平顺性的重要因素 ,因而研究轮胎的力学特性一直是汽车工程界和轮胎工业界的重要课题 。利用数值方法和试验方法对某型子午线 轮胎的 自由振 动以及轮 胎与路 面接触 等特性进 行了研 究和探讨 。对影响子午线轮胎特性的结构参数 ,如带束层的 分布 、铺层角 度以及 使用情况 等对子 午线轮 胎的特性 的影响进行了定量或定性的讨论 。关键词：子午线轮胎，斜交线轮胎，特性，结构形式，结构参数，花纹车轮与轮胎是汽车行驶系中的重要部件，其功用是：支承整

2、车；缓和由路面传来的冲击力；通过轮胎同路面间存在的附着作用来产生驱动力和制动力厂汽车转弯行驶时产生平衡离心力的侧抗力，在保证汽车正常转向行驶的同时，通过车轮产生的自动回正力矩，使汽车保持直线行驶方向；承担越障提高通过性的作用等。现代汽车几乎都采用充气轮胎。轮胎安装在轮辋上，直接与路面接触，它的作用是：1）和汽车悬架共同来.缓和汽车行驶时所受到的冲击，并衰减由此而产生的振动，以保证汽车有良好的乘坐舒适性和行驶平顺性。2）保证车轮和路面有良好的附着性，以提高汽车的牵引性、制动性和通过性。3）承受汽车的重力，并传递其它方向的力和力矩。此外，车轮滚动时，轮胎在所承受的重力和由于道路不平而产生的冲击载荷

3、作用下受到压缩。压缩消耗的功，在载荷去除后并不能完全回收，有一部分消耗于橡胶的内摩擦，结果使得轮胎发热。温度过高将严重地影响橡胶的性能和轮胎的组织，从而大大增加轮胎的磨损而缩短轮胎的使用寿命。因此，轮胎的结构形式与参数对车辆性能有重要影响，了解这些问题对改善车辆性能有重要影响。一.轮胎分类汽车轮胎按用途分，可分为载货汽车轮胎和轿车轮胎；而载货汽车轮胎又分为重型、中型和轻型载货汽车轮胎。汽车轮胎按胎体结构不同可分为充气轮胎和实心轮胎。现代汽车绝大多数采用充气轮胎。充气轮胎按组成结构不同，又分为有内胎轮胎和无内胎轮胎两种。充气轮胎按胎体中帘线排列的方向不同，还可分为普通斜交胎、带束斜交胎和子午线胎

4、。 二.轮胎六分力轮胎的宏观力学性能主要是指轮胎的六分力,六分力是轮胎与路面及汽车之间作用力的集中体现。轮胎的六分力如图2 所示。(1) 纵向力( FX) FX 是地面作用在轮胎上的力在X 轴方向即轮胎前进方向的分量, FX 包括车轮驱动时产生的驱动力、车轮自由滚动时的滚动阻力、车轮制动时的制动力。(2) 横向力( FY ) FY 是地面作用在轮胎上的力在Y 轴方向的分量。在FY 的作用下,轮胎会产生很复杂的侧向变形,侧向变形导致的侧偏现象对车辆的操纵稳定性有很大影响。(3) 法向力( FZ) FZ 是地面作用在轮胎上的力沿Z 轴方向的分量。FZ 将引起轮胎径向变形,其与轮胎承受的载荷力相等。

5、(4) 回正力矩( MZ) MZ 是地面作用到轮胎上的力绕Z 轴旋转产生的力矩, MZ 使轮胎恢复原来的行驶方向,保证汽车能稳定地直线行驶。(5) 滚动阻力矩( M Y ) M Y 是地面作用到轮胎上的力绕Y 轴旋转产生的力矩, M Y 的方向与车轮的旋转方向相反,汽车的燃料经济性与M Y 有关。(6) 翻转力矩( MX) MX 是地面作用到轮胎上的力绕X 轴旋转产生的力矩。三.轮胎动态力学性能对汽车行驶性能的影响3. 1 动力性能轮胎与路面的附着性能、轮胎的速度性能及滚动阻力是影响汽车动力性能的主要因素,轮胎的附着性能直接影响汽车的驱动、加速和减速性能,配用附着性能好的轮胎有利于提高汽车的加

6、速性能。3.2 燃料经济性轮胎的滚动阻力是影响汽车燃料经济性的主要因素之一。统计表明,在发达国家,汽车的燃料消耗量约占总燃料消耗量的25 % ,而轮胎克服滚动阻力的燃料消耗量约占车辆燃料消耗量的20 % ,故即使轮胎燃料消耗量稍有减小,对国家总燃料消耗量的减小也是一个很大的贡献。滚动阻力是轮胎在行驶过程中与路面接触发生变形而产生的阻碍轮胎滚动的力。轮胎的滚动阻力越大,汽车驱动时输出的驱动力矩也越大,这样才能使轮胎的受力趋于平衡或使轮胎产生加速度,但这必然会导致汽车燃料消耗量增大。在相同条件下,不同轮胎产生的滚动阻力不同。3.3 制动性能轮胎的滑动摩擦性能对汽车制动性能影响很大。显然,汽车的制动

7、性能与轮胎与路面的摩擦力密切相关,而轮胎与路面的摩擦力取决于轮胎与路面的接触状况。轮胎与路面的摩擦力过小,会导致汽车制动性能下降。因此,对轮胎摩擦性能的研究是轮胎工业的重要课题。3.4 操纵稳定性汽车通过操纵系来操纵轮胎(如图3 所示) 。轮胎的侧偏特性(主要指侧偏力、回正力矩和侧偏角间的相关性) 是轮胎重要的力学性能,直接影响汽车的操纵稳定性。轮胎侧偏特性及其与汽车悬架系统的协同配合是影响汽车转向性的主要因素,通过改善轮胎侧偏特性可以解决汽车转向不足或过大的问题。四充气压力对轮胎特性的影响图 320mm 下沉量时轮胎的印迹值的比较图 3 给出了光面轮胎在不同的充气压力下的印迹形状 。从图中可

8、以看出 ,虽然充气压力增大 ,轮胎的径向刚度发生了变化 ,但是在相同的下沉量时轮胎的接地印迹的形状却没有较大变化 ,而只是在边缘地方出现差别 。由于子午线轮胎胎冠的刚性比较大 ,不易于变形 ,另外 子午线轮胎 的扁平率也 比较大 ,因此形成了这种充气压力变化时 ,轮胎的接地印迹变化不大的情况。图 4不同下沉量时轮胎的载荷随充气压力的变化图 4 中给出了在不同的充气压力下轮胎的垂直载荷比较 ,其中计算值均以光面轮胎为计算模型 ,而光面轮胎与花纹轮胎的型号一致只是没有进行花纹加工工序 。随着充气压力增加 ,轮胎所承受的垂直载荷也不断增加 。光面轮胎的实验值明显比花纹轮胎的实验值低。光面轮胎由于没有

9、胎冠上的外层橡胶 ,因此降低了垂直方向的承载能力 。但从总的数值差别来看 ,光面轮胎承受的垂直载荷大小与花纹轮胎还是比较接近。因此将在数值模拟中比较难以计及的轮胎花纹部分进行适当简化 ,而对计算精度不会有太多的降低 。另一方面 ,轮胎径向刚度也近似与充气压力呈正比关系 。五斜交线轮胎与子午线轮胎的比较。5.1 影响安全性 两种轮胎都是无内胎轮胎 。无内胎轮胎有 一个 公认的优点 自我封闭 ，即轮胎被扎后 ，能在一段时间内使轮胎保持气压 ，从而提高了汽 车的行 驶安全性（而有内胎的轮胎则会马上漏气 ，产生爆裂 ，这是非常危险的 ）在这方面代用轮胎与原设计 轮胎是相同的，对车辆安全性的影响是很小的

10、。5.2 负荷能力轮胎 的负荷能 力是 选择 轮胎 的重要 参数 。主要 是指在规定气压 和行驶速 度下 ，轮胎可承受 的负荷 。5.2.1充气压力对于货车的轮胎充气压力应符合 国家标准的规定 。这两种轮胎的充气压力都符合标准规定 。5.2.2行驶速度 住运输过程中，工程 车辆用最 高车速行驶的时间只占总运输时间的 ，因此 要求 轮胎在规定气压下的行驶速度不小于车辆最大行驶速度的。的设计满载最大车速为 ，两种 轮胎都能达到以上要求。5.2.3负荷能力 每种规格的轮胎在 一定的充气压力和行驶速度下都有一定的负荷能力 。如果轮胎上的负荷超过 规定的标准值 ，就会使胎体帘线的应力增大，发热量增大，胎

11、侧应力增大，这时就容易产生爆破 ，所以必须使轮胎在规定负荷下工 作 。 的 满载质量为4300kg，三桥单眙，则每条轮胎的最大负荷为 ：5.3而国产斜交线轮胎的负荷能力（7500kg）不仅大于轮胎的最大负荷，而且比子午线轮胎的负荷能力（7300kg还大一些）。5.4整车动力性的变化。5.4.1 整车动力性的变化换用斜 交线 轮胎 后 ，由于滚 动半径 的变化 ，对 车 辆动力性的几 个指标 ：最高车速 ，驱动力，动力因素及满载最大爬 坡度都有影 响，这些影响不应大于 。5.4.1.1 车速 的变化5.4.1.1.1 采用子午线轮胎时的最大车速式中：采用子午线 轮胎时最 大车速 ，子午线 轮胎滚

12、 动半径 ，发动机 最高转速 ，变 速器 最高档传动 比 ，驱动桥总速比，16.625.4.1.1.2采用斜交线轮胎时的最大车速 式中：采用斜 交线轮胎 时最 大车速 ， 斜交线轮 胎滚 动半径 ，0.730将两值相比较即装斜交线 轮胎后 ，最高车速增加 了 增加 百分 比为5.4.1.2 各档车速的变化由于发动机转速不同 ，变速器所处的档位不同 ，所以车速是随时变化的。在发动机转速相同 、变速器所处以车速是随时变化的。在发动机转速相同 、变速器所 处车速表传感器是安装在变速器上的 ，不能直接反映轮胎变化后的实际车速 ，所以就要求更换轮胎后的车速变化值不应超过，否则就会给司机造成车速判断上的困

13、难 。式 中： V 车速 ，发动机转速，r/min（见表13M11-C280发动机转速） 轮胎滚 动半径 ，驱动桥总速比，16.62变速器各档传动比（见表23Z6WG200变速器格挡速比）表1 M11-C280发动机转速及输出动力转速，r/min净净扭矩，Nm净功率，k3814001254183.3315001234193.8216001186198.717001125200.2618001071201.8619001017202.342000979205.032100949208.68 表2 ZF6WG200变速器各档速比 前进 倒退1234561235.9913.

14、4472.5961.4941.1790.6785.9912.5961.179将发动机的转速 、变速器各档速比以及两种轮胎的滚动半径分别代入上式 ，就可得出在不同发动机转速下 ，变速器不同档位时的车速 。计算结果见表3.表3 不同发动机转速下变速器不同档位时的车速发动机转速，r/min130014001500160017001800190020002100档位1 ig=5.991子午线胎车速，km/h3.513.784.064.334.64.875.145.415.68斜交线胎车速，km/h3.593.874.154.424.74.985.255.535.8两者相差，%2.242.242.242

15、.242.242.242.242.242.24档位2 ig=3.447子午线胎车速，km/h6.116.587.057.527.998.468.939.49.87斜交线胎车速，km/h6.256.737.217.698.178.659.139.6410.09两者相差，%2.242.242.242.242.242.242.242.242.24档位3 ig=2.596子午线胎车速，km/h8.118.739.369.9810.611.2311.912.513.1斜交线胎车速，km/h8.298.939.5710.210.811.4812.112.813.4两者相差，%2.242.242.242.2

16、42.242.242.242.242.24档位4 ig=1.494子午线胎车速，km/h14.0915.1816.317.418.419.5120.621.722.77斜交线胎车速，km/h14.4115.5216.617.718.819.9521.122.223.28两者相差，%2.242.242.242.242.242.242.242.242.24档位5 ig=1.179子午线胎车速，km/h17.8619.2320.62223.424.7326.127.528.85斜交线胎车速，km/h18.2619.6621.122.523.925.2826.728.129.49两者相差，%2.242

17、.242.242.242.242.242.242.242.24档位6 ig=0.678子午线胎车速，km/h31.0533.4435.838.240.64345.447.850.16斜交线胎车速，km/h31.7534.1936.639.141.543.9646.448.951.29两者相差，%2.242.242.242.242.242.242.242.242.24从 表 3的计算 结 果 中可 以看 出 ，换 装 斜交 线 轮 胎后 ，车速有所 变化 ，增加2.24%。5.5结论：通过对整车动力性的比较计算表明，采用斜交线内台轮胎与采用子午线无内胎轮胎相比，对汽车性能的影响主要有一下几个方面

18、：（1） 轮胎寿命有所下降。（2） 最高车速增加2.24%。（3） 各档车速都增加了2.24%。六轮胎花纹对车辆性能的影响 轮胎胎面的花纹形状对轮胎的防侧滑性，操纵稳定性，牵引附着性等使用性能和作业性能都有明显的影响。不同工程机械所配用的车轮的胎面花纹形状也各不相同，表45示出了机械种类与花纹形式的对应关系。表4 工程轮胎花纹形式与机械种类的对应关系用途所配机械种类轮胎分类编号花纹形式作业类型土石方及木材运输铲运机，自卸卡车，越野牵引车，越野载重车等E-1条形短途运输，即一个作业循环不超过5公里，最高速度：Umax=48km/hE-2牵引形E-3块形E-4块形，加深花纹路面平整平地机G-1条形最高速度：Umax=40km/hG-2牵引形G-3块形G-4块形，加深花纹推土，装载推土机，装载机，挖掘机，叉车，矿车，混凝土搅拌机等L-2牵引形作业速度：U=8km/hL-3块形L-4块形，加深花纹L-5块形，超深花纹路面压实压路机C-1光胎面作业速度：U=8km/hC-2条形或小块形花纹七.结语综