汽车轮胎侧偏特性研究综述

稳态长度是指在瞬态激励下， 轮胎从开始滚动到 所有的力和力矩平衡时所经过的距离 ! 他们在文 中推导出了任意转向输入下计算侧偏力模型， 首 先用一阶微分方程计算出侧向位移， 然后再求侧 偏力 ! 他们分别在阶跃输入和正弦输入的情况下 进行试验研究， 并用系统时间常数和稳态增益系 数表示侧向力的阶跃响应特性 （系统时间常数是 指响应达到最后的稳态值的 0. 1 23 时所用的时 间； 稳态增益是指单位输入下的稳态响应值） ! 幅 值比和相位角则被用来表示正弦输入下的侧偏力 响应特性 ! 研究表明， 转向刚度和侧向刚度可以 用来估计稳态长度， 在频率响应测试中幅值的相 关性较好， 而相位角则有较大的偏移， 误差的产生 可能是因为相位角的确定方法或接触区被简化为 一 个 点 ! "##/ 4 "##"(56* (， 758-9:%;, < ［." > ..］ 分别对轮胎的纯纵滑、 纯侧偏、 纯外倾、 纵 = 滑 > 侧偏、 侧偏 > 外倾、 纵滑 > 侧偏 > 外倾等各种 工况下的轮胎侧偏特性进行了理论研究， 在研究 中假设轮胎印内垂直载荷分布为抛物线形分布， 轮胎弹性集中在胎面 ! "##" 年 ? 1 @ 1 <9A%B89，= 1 “ C9D5A @98%- 通 过 大 量 的 实 验 建 立 了 著 名 的 模型， 该模型可以准确地描述在稳态下 E&-6)F9” 轮胎侧偏特性， 其主要公式： （ "） ｛$ 9-A+9* ［ %" > ! G # ;5* （ %" > 9-A+9* （ %" ） ］ ｝ & 都有一定的物 式中的 " 、 ! 分别表示输入输出， 理和几何意义 !
［收稿日期］!##; A ;! A "# ［基金项目］国家自然科学基金资助项目 （$E=>$#!$） ［作者简介］魏道高 （;E<$ A ） ， 男， 安徽巢湖人， 江苏大学博士生 ?
大量深入广泛的研究 ?
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轮胎侧偏特性研究过程与现状
（;）"# C $# 年代处于开始研究阶段： 这个阶
段主要是对轮胎静态侧偏特性的研究 ? 轮胎侧偏特性研究是研究车辆操纵稳定性的 基础， 我国起步较晚， 但国 D# 年代初才开始研究，
［($］ 对带束轮胎建立了圆环模 ()## 年， 5>,?7 型， 通过胎体的轨迹与接触区的差别来计算胎冠 ［((］ 指出橡胶的摩擦系数受滑 变形 ’ 此时 @3A9>>+ 移速度和温度的影响较大， 在轮胎的侧偏特性研
型， 虽然这种模型只限于纯制动或纯侧偏工况， 但 它为进一步研究转向与制动联合工况下轮胎侧偏 特性半经验模型奠定了基础 ’ ():) 年， 5,99,+ 等 人又提出了转向与制动联合工况下轮胎侧偏特性 的半经验模型， 主要公式： （ （ +$ ’ ) +" /12 !） "" $ $ <>/ $ ） （ +# ’ ) + " !） # $ /12 , - ’ , - . %［ / ( +# %（ / " + - % / G ） +$ # % / !］ 式中 + $ 、 侧向 +# 、 , - 分别为轮胎所受的纵向力、 力、 回正力矩 ’
［(&］
部分组成： (）胎带； "）用于计算轮胎与地面之间 力的胎冠模型， 在此他们将胎冠元素简化成如同 刷子上的一根根毛， 其与胎带连成一端为自由端； 即如何确定滑动摩擦系数的问题， G）摩擦模型， 该模型的一个最大优点是考虑了轮 （自 然 科 学 版）
第 2. 卷
的联系， 在模型中轮辋与车身通过纵向和侧向的 弹簧 和 阻 尼 器 相 连， 以代表测试车辆悬架的特
"
于 ():# 年根据新的实验数据进行了改进 ’ 该模 型的一个很大的优点就是用无量纲的量来表示侧 向力和回正力矩与侧偏角之间的关系， 从而使模
［"8］ 型变得比较简单实用 ’ ():& 年， 酒井秀男 提出 了在纵滑和侧滑联合工况下垂直载荷分布为抛物 ［"#， "&］ 等人提 线分布的轮胎侧偏特性模型 ’ 5,99,+ 出了用于车辆动力学研究的轮胎侧偏半经验模
［; A "］ 外早在 "# 年代就开始研究轮胎侧偏特 性 ? ;E"$ 年， F&&G42*( 橡 胶 轮 胎 有 限 公 司 的 H 9 I 9
［!］ 中定性地分析了侧向力、 回正力 J1*)/ 在文献 矩与侧偏角、 径向载荷以及外倾角之间的关系， 并 且指出侧偏力的极限值由附着力决定 ? 侧偏力依 赖轮胎侧偏刚度大小， 可能与轮胎接地印迹长度 的平方成正比 ? 他在文中定义的侧偏力与回正力 矩与现在的定义基本一致 ? ;E"E 年， @ 9 K 9 L’++ 在 J1*)/ 和 M*N 的基础上通过轮胎转鼓试验分析了 轮胎侧偏特性， 且在当时就分析了转向、 制动联合 工况 下 侧 偏 力 与 侧 偏 角 之 间 的 关 系 ? ;E=; 年， ［=］ 通过胎冠的侧向变形解释了稳态侧偏角 O(&P) 与侧向力关系， 在研究中他把轮胎与地面的接触 区分成两个部分： 附着区与滑移区 ? 但是对轮胎 侧偏特性理论研究有突破进展还是在 $# 年代，
［"G， "!］ 工程院士郭孔辉 以 *1343 的理论为基础通过 试验建立了侧向力和回正力矩的半经验模型， 并
验研究， 并引入了带有胎冠微元的受拉伸弦模型， 该模型用很多弹性支承的受拉伸平行弦来表示胎 体， 这些弦通过横向的帘线连接在一起， 微分方 程： ) * !# （ $） % &# ’ ( " !$
［":］ 郭孔辉 等人提出了基于任意载 ())$ 年， 荷分布与胎体变形规律的轮胎侧偏特性的一般理 ［")］ 等 论模型 J320,2 K L32，M9?3+.0 N 和 E-0O320 K 人通过试验建立了一个动态模型， 该模型由三个
究中， 还必须考虑橡胶的摩擦系数变化 ’ ()#) 年， ［("］ 提出了 “胎带 C 胎冠 C 轮辋” 模型 ’ B144-7,10 在模型中胎带被简化成无质量的圆环， 它与可变 形的胎冠连结在一起， 胎侧被看成与轮辋和胎带 相连的膜 ’ 他以 D-77,+ 的标准摩擦圆为基础， 通过胎带变形， 计算出了胎带与路面之间的剪切 力， 该模型展示了车轮载荷、 侧向力、 回正力矩、 外 倾力矩、 切向力、 侧偏角和侧向变形之间的关系 ’ 该模型力学概念清楚， 数学处理简单， 并且对于实 验结果可以给出令人满 意 的 解 释 ’ ()#) % ()&$ ［(G C (8］ 年， 分析了轮胎印迹内 E1A12 6/0>2 和 5+>F2 三种不同垂直载荷分布 （均匀分布、 椭圆分布和抛 物线 分 布） 对 轮 胎 侧 偏 特 性 的 影 响 ’ ()&& 年， ［(#］ 假设轮胎印内垂直载荷 5,73+. @,6,4 和 B14. 分布为梯形， 给出了在纵滑和侧偏联合工况下轮 胎纵向力和侧向力模型 ’ @H,+412 6 把轮胎看作 弹性滚动轮， 建立了弹性滚动体模型， 也许是他第
!
一个把弹性滚动轮胎模型引入车辆系统 ’ （G）:$ 年代后对多种参数影响下轮胎的侧 偏特性进行广泛深入研究 ’ ［(:］ 等人在轮胎力学特性实 ():$ 年， I3<3.321 验的基础上， 提出了在纵滑和侧偏联合工况下的 轮胎侧偏特性半经验模型， 它是对 5,+23+. 等人 提出的轮胎侧偏特性模 型 的 改 进 ’ ():( % ():"
要］轮胎的侧偏性是影响操纵稳定性的重要因素， 也是研究操纵稳定性的基础， 因此轮
胎的侧偏特性以及整个轮胎的力学特性一直是汽车行业发达的国家和地区的研究热点 ? 轮胎 侧偏特性研究过程是从它的静态特性到动态特性， 主要的方法是理论和实验相结合， 目的是为 了建立较为准确的轮胎侧偏特性模型 ? 本文介绍与分析了国内外轮胎侧偏特性研究状况， 并 且提出了对此方面研究的展望 ? ［关键词］汽车轮胎；侧偏特性；侧偏力；回正力矩 ［中图分类号］0=<" 9 "=; ［文献标识码］@ ［文章编号］;<>; A >>>$ （!##!） #" A ##$= A #< 汽车轮胎作为汽车与道路直接接触的部件， 地面给车辆的全部作用力是通过它传给整车的， 它是影响汽车的操纵稳定性、 行驶平顺性、 主动安 全性最主要因素之一 ? 汽车的操纵稳定性主要是 由轮胎的侧偏特性决定的， 包括各种垂直载荷下 的侧向力及回正力矩与侧倾角的关系 ? 汽车前轮定位参数的合理选择， 在很大程度 上取决于轮胎的侧偏特性 ? 解放牌 B@;# 型汽车 长期使用不合理的前束值， 当汽车直线行驶时， 使 前轮经常受有 =## C <## 5 的侧向力， 这就明显 加速了前轮磨损 ? 汽车的前轮摆振是我国汽车常见的问题之 一， 它与轮胎的侧向弹性、 侧向力及回正力矩的动 态响应特性有着十分重要的联系 ? 汽车转弯、 制动联合工况下运动稳定性的研 究， 要涉及更复杂的轮胎多向受力运动特性、 因此 轮胎侧偏特性研究是研究车辆操纵稳定性的基 础， 在整个车辆动力学系统中占有重要地位 ? 轮 胎的侧偏特性是指轮胎在侧偏条件下的侧向力与 回正力矩的特性， 而影响轮胎侧偏力与回正力矩 的因素很多， 诸如轮胎的侧偏角、 侧倾角、 垂直载 荷及其印迹上的分布、 路面摩擦系数及轮胎的纵 向滑移率等 ? 这就给研究轮胎的侧偏特性带来了 很大的难度 ? 然而自从发现轮胎的侧偏现象以 来， 国内外的学者对汽车轮胎的侧偏特性进行了
［$］ 德国学者 O-*+* 提出了著名的轮胎弹性 ;E$= 年， 梁模型 ? 他假设轮胎胎面只在接触区内产生横向