轮胎基础知识预习

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1、 1车用轮胎的测试与评估车用轮胎的测试与评估 Eugen Mihai Negrus、Claudiu Teodorescu、Gabriel Anghelache 轮胎（在车辆轮胎（在车辆 道路交互作用中充当连接元件）的基本功能道路交互作用中充当连接元件）的基本功能 轮胎对机动车的以下性能有着重要贡献： 牵引； 制动； 转向； 舒适性； 燃油经济性； 安全性能。 因此， 轮胎必须能够提供较高的接地附着性、 适当的行驶平稳性和刚度、 较低的滚动阻力和噪声、较高的可靠性（抗疲劳和脱层）及抗磨性能（包括抗擦伤、割伤、开裂及抗撕裂能力） 。 除了轮胎特性之外，车辆-道路交互作用还受机动车和路面特性的影响。

2、下文将从车辆-道路交互作用的视角，对这些部件的一些影响因素作进一步阐述。 轮胎特性受以下因素影响： 胎体（和缓冲层）结构类型； 轮胎规格和形状； 轮胎和道路之间的接触面的大小和形状； 材料特性 尤其是轮胎胶料特性； 胎面花纹的设计； 胎面磨损状况； 轮胎充气压。 机动车特性受以下因素影响： 道路的承载能力； 车身设计和空气动力学性能（直线行驶时施加在每个轮胎上的负荷） ； 悬挂的结构（牵引、制动和转弯时的负荷传递） ； 最高车速； 可用牵引扭矩； 转向控制类型和四轮定位； 制动机构类型（抱死或防抱死系统） 。 路面特性受以下因素影响： 路面硬度； 干燥时的摩擦系数 ； 路面的微观和宏观结构（粗

3、糙度、平顺度、光滑度和尖角） ； 排水能力； 磨损特性； 污染情况（水、冰、雪、灰尘、泥土或沙粒） ； 温度。 2遗憾的是，轮胎无法同时具备所有理想的性能。例如，在干燥路面具有良好抓着性能的轮胎，在潮湿路面或结冰路面的抓着性就可能较差。 表 1 列出了轮胎特性与其使用性能之间的一些极其简化的关系。 表表 1 轮胎特性及轮胎性能之间的简化关系轮胎特性及轮胎性能之间的简化关系 轮胎性能轮胎性能 轮胎特性轮胎特性 影响参数影响参数 附着能力附着能力 乘坐舒适性乘坐舒适性 滚动阻力滚动阻力 抗磨性抗磨性噪声噪声 胎体和带束层的设计 轮胎刚性 ， 轮胎规格 接触面 ， ， 胶料特性 橡胶滞后性 胎面花纹

4、设计 花纹刻得多 ， ? 红色箭头表示量的增加。 概述概述 轮胎/路面交互作用是产生振动和噪声的重要原因之一，这些振动和噪声会对车辆内及在车流量很大的公路附近居住和工作的人员造成干扰。 另外， 轮胎振动还会影响车辆的乘坐舒适性和完善性，并会损伤路面和运输货物。乘坐舒适性不良会导致驾驶员疲劳、增加维护成本、轮胎快速磨损并降低车辆控制性能。 轮胎/路面交互作用产生的作用力被认为是引起多种故障的根源。引起轮胎振动和噪声的两种主要作用力是： 1. 因路面不规则和轮胎特性（诸如轮胎弹性系数、包容性及胎体共振特性）而产生的随机作用力输入； 2. 因轮胎和轮辋的不平衡和不均匀产生的周期性作用力输入；它们可能

5、会在制造过程中和使用条件下出现。轮胎的结构须能减小而非放大这种不均匀产生的影响。 这些输入性作用力施加在车轮转轴上， 成为车辆振动和噪声的一个激励源。 附图 1 表示出轮胎动力学性能对车辆舒适性的影响。 3附图附图 1 - 轮胎动力学性能对车辆舒适性的影响轮胎动力学性能对车辆舒适性的影响 轮胎同时充当一个隔离器和一个激励源。对于隔离器，轮胎充当悬挂系统的一个构件，过滤因道路不规则而产生的影响，并使车身保持较低的加速度水平。对于性能较好的轮胎，该频率范围在15 到 100 Hz 之间。较低频率的振动被弹簧和减振器吸收。 影响车辆舒适性的轮胎因素包括： 弹性系数； 可传输性； 包容性； 胎体振动特

6、性； 力和力矩变化； 轮胎/路面交互作用产生的噪声。 下文对这些因素进行了探讨。 轮胎弹性系数轮胎弹性系数 在静止状态下，轮胎对垂直、横向及纵向作用力的响应由轮胎的偏移量表示。 在静止状态下，轮胎对垂直、横向及纵向的弹性系数（通常也被称作弹簧刚度）是作用力变化量F 和轮胎沿着所述作用力的作用方向上的合成偏移量h 的比值： 轮胎弹性系数是低频乘坐舒适性和车辆动态特性的一个重要的决定因素。 轮胎弹性系数是控制轮胎在遇到比接地印痕更长的路面凸起时， 其弹跳响应的主要参数之一。 轮胎在垂直向和纵向的弹性系数会影响最低阶（刚性体）轮胎振动模式的自由振动。加速度和制动动态特性受轮胎切向刚度影响。 轮胎垂直

7、向弹性系数轮胎垂直向弹性系数 垂直向偏移率为轮胎在垂直向的偏移量与轮胎自由高度之比，附图 1。 随机道 路输入随机道 路输入 轮胎包容轮胎包容 被 过 滤 道 路输入被 过 滤 道 路输入 轮胎振动模态周期性的轮胎轮胎振动模态周期性的轮胎 /轮辋输入轮辋输入 货车动力学性能货车动力学性能轮轴作用力轮轴作用力 客 观 乘 坐 舒 适 性客 观 乘 坐 舒 适 性 人体反应人体反应 4附图附图 1 - 轮胎偏移轮胎偏移 乘用车轮胎和货车轮胎的垂直向静态弹性系数的对比，及与轮胎充气压力 pi的关系分别如附图2 和 附图 3 所示。 附图附图 2 垂直负荷与轮胎偏移量的关系，垂直负荷与轮胎偏移量的关系

8、，175/70R13乘用车子午轮胎，压力乘用车子午轮胎，压力 1） pi = 200 kPa； 2） pi = 150 kPa； 3） pi = 200 kPa 附图附图 3 -垂直负荷与轮胎偏移量的关系，垂直负荷与轮胎偏移量的关系，295/75R22.5 重型货车子午轮胎重型货车子午轮胎 附图 2 和附图 3 的结果显示货车轮胎的垂直向弹性系数大约比乘用车轮胎大 6 倍。 在附图 2 中， 加载曲线和卸载曲线之间的差异是由迟滞现象引起的。 荷载轮胎垂直向的阻尼出现在无转动时，但当轮胎快速转动时，如在附图 2 所示的阻尼就会消失，橡胶的迟滞现象反而会引起滚动阻力。 附图 4 表示的是三种规格的

9、重型子午轮胎与 10.00-20 斜交轮胎的偏移特性的比较曲线，胎充气压均为 690 kPa。 在公路上行驶时，货车轮胎的典型的偏移率范围在 14%和 18%之间。 附图 5 表示的是双普通 11R22.5 轮胎和单宽基 425/65R22.5 货车轮胎的垂直向负荷 偏移量比较曲线图，胎充气压均为 720 kPa。 轮胎偏移量 轮胎自由高度 偏移率 轮胎偏移量量 轮胎自由高度 垂直向作用力 轮胎偏移量 垂直向荷载 轮胎偏移量 5附图附图 4 垂直向负荷与货车轮胎的偏移率关系曲线垂直向负荷与货车轮胎的偏移率关系曲线 附图附图 5 双普通轮胎和单宽基轮胎的垂直向负荷与偏移率比较曲线双普通轮胎和单宽

10、基轮胎的垂直向负荷与偏移率比较曲线 宽基轮胎的垂直向弹性系数大约比双轮胎小 40%。 垂直向弹性系数降低会提高货车舒适性并降低驾驶员的疲劳程度。 货车的悬挂系统对轮胎的垂直向弹性系数依赖较小， 因此可从双轮胎转换成单轮胎。 轮胎的垂直向弹性系数对车轮的负荷冲击系数有着重要影响。轮胎越硬，须将阻尼调整的越硬，底盘零件所受的应力越大。 当出现以下情况时，轮胎的垂直向弹性系数增大： 胎充气压增大； 与滚动状态相比，轮胎不滚动时； 轮胎有斜交结构； 轮胎高宽比增大； 双轮胎取代单宽基轮胎。 轮胎横向和纵向弹性系数轮胎横向和纵向弹性系数 附图 6 表示的是在不同充气压状态下，295/75R22.5 货车

11、轮胎的横向与切向作用力 偏移率曲线。轮胎结构和尺寸对轮胎横向和切向刚度的影响分别如附图 7 和附图 8 所示。 附图附图 6 - 295/75R22.5 货车轮胎的横向和切向作用力与偏移量的关系曲线，垂直向负荷货车轮胎的横向和切向作用力与偏移量的关系曲线，垂直向负荷=23 600 N 附图附图 7 横向作用力与偏移量的关系曲线：横向作用力与偏移量的关系曲线：1） 10.00 20；2） 11R22.5；3） 295/75R22.5； 垂直向负荷垂直向负荷= 23 600 N；胎充气压：；胎充气压：pi1 = 690 kPa；pi2 = 760 kPa；pi3 = 790 kPa 偏移率偏移率

12、偏移率偏移率 偏移量偏移量 横向偏移量横向偏移量 垂直向荷载垂直向荷载 垂直向荷载垂直向荷载 负荷横向力负荷横向力6附图附图 8 切向作用力与偏移量的关系曲线：切向作用力与偏移量的关系曲线：1） 10.00 20；2） 11R22.5；3） 295/75R22.5；垂直向负荷；垂直向负荷=23 600 N；胎充气压：；胎充气压：pi1 = 690 kPa；pi2 = 760 kPa；pi3 = 790 kPa 货车轮胎横向刚度受胎体总的刚度的影响。以下情况会导致轮胎横向刚度增大： 轮胎充气压增大； 轮胎斜交结构； 高宽比增大。 轮胎构造和高宽比对切向刚度有相同的影响， 与对横向刚度的影响相同。

13、 但是轮胎充气压对切向刚度的影响很小。 表 1 给出了附图 4、 附图 7 和附图 8 中所示的三个轮胎例中， 轮胎径向、 横向和切向的弹性系数。在表 1 中，纵向的刚度最小，切向刚度次之，径向刚度最大。 表表 1 -货车轮胎弹性系数对比货车轮胎弹性系数对比 弹性系数，弹性系数， pi = 690 kPa， 【， 【kN/m】轮胎尺寸轮胎尺寸 垂直向负荷垂直向负荷【kN】 径向径向 横向横向 切向切向 295/75R22,5 23.6 972 262.7 455.3 11R22.5 23.6 1130 280.2 516.6 10.00-20 23.6 1165 306.5 569.2 轮胎（

14、振动的）可传输性轮胎（振动的）可传输性 重型货车产生振动并通过轮胎传输给路面， 是路面受损伤的主要原因。 垂直向作用力从车桥传输给路面是充气轮胎的基本动态特性。 轮胎可传输性对车辆舒适性 （尤其是乘用车） 、 路面损伤 （尤其针对重型货车）有着重要影响。可传输性的放大系数为： 作用力的可传输性可被看作是一个垂直向动态弹性系数。 轮胎对作用力传输由轮胎结构特性、 轮胎的使用条件以及振动频率决定。 测量轮胎可传输性的方切向偏移量切向偏移量 轮胎轴受力幅度 可传输性的放大系数 印痕位移幅度 切向作用力切向作用力 7法是向轮胎施加一个静态垂直荷载， 然后在轮胎底部施加一个垂直直方向的单频振动。 下面给

15、出了关于乘用车和重型货车的传输特性的一些试验结果。 附图 1 和附图 2 分别表示普通轮胎和宽基货车轮胎的静态负荷及充气压对轮胎可传输性的影响。 附图附图 1 -静态负荷对静态负荷对 11R22.5 普通货车轮胎可传输性的影响；胎充气压普通货车轮胎可传输性的影响；胎充气压= 720 kPa；垂直向负荷：；垂直向负荷： A） 26.7 kN； B） 17.8 kN附图附图2 胎充气压对胎充气压对425/65R22.5宽基货车轮胎可传输性的影响；垂直向负荷宽基货车轮胎可传输性的影响；垂直向负荷 = 35,6 kN；胎充气压：；胎充气压：A） 830 kPa； B） 550 kPa从附图 1 中可以看出轮胎的垂直向荷载对可传输性或谐振频率的影响可以忽略不计。 对于宽基货车轮胎，情况相似。对于这两种类型的轮胎，轮胎充气压对可传输性有轻微影响，可从附图 2的宽基轮胎数据看出这一点。轮胎充气压显著增加时（280 kPa） ，谐振频率仅增大 2Hz。 附图 3 是普通轮胎和宽基货车轮胎可传输性的对比曲线。 宽基轮胎的谐振频率稍低于普通货车轮胎的谐振频率。另外，宽基轮胎的可传输性小于普通轮胎的传输性的两倍。因此，从宽基轮胎输送到路面的负荷的动态分量小于双轮胎。 为了便于对重型货车轮胎进行比较，附图 4 对两种乘用车轮胎的可传输性进行了比