轮胎锥度效应及角度效应对车辆直行性能影响研究

金凌鸽 秦民

（中国第一汽车股份有限公司 汽车振动噪声和安全控制综合技术国家重点实验室）

轮胎锥度效应及角度效应对车辆直行性能影响研究

金凌鸽 秦民

（中国第一汽车股份有限公司 汽车振动噪声和安全控制综合技术国家重点实验室）

根据轮胎锥度效应及角度效应的产生机理，建立了相应的轮胎特性模型，通过对轮胎性能的测试及车辆动力学建模分析，阐明了轮胎锥度效应及角度效应对车辆直行性能的影响规律。研究结果表明，轮胎的锥度效应对车辆直行性能影响很大，需对其进行限值要求，而角度效应对车辆直行性能影响较小。

1 前言

由于橡胶材料的各向异性及轮胎制造过程中的工艺误差，导致轮胎性能有一定的不均匀性，这些不均匀性使得轮胎产生角度效应及锥度效应，而角度效应及锥度效应会对车辆的直线行驶性能产生不同的影响。为此，本文根据轮胎锥度效应及角度效应的产生机理建立相应的轮胎特性模型，并通过轮胎性能测试及车辆动力学建模分析，阐明轮胎锥度效应及角度效应对车辆直行性能影响的规律。

2 轮胎锥度效应和角度效应特性建模

2.1 轮胎锥度效应和角度效应产生机理

当轮胎在侧偏角为零的状态下滚动时，轮胎自身的不均匀性会产生相应的轮胎侧向力Fy，如图1所示。

根据图1，轮胎的锥度效应Fy（CON）与角度效应Fy（PLY）定义如下[1]：

式中，Fy（CW）为轮胎顺时针滚动时的侧向力；Fy（CCW）为轮胎逆时针滚动时的侧向力。

轮胎锥度效应主要是由于轮胎成型贴合时的误差引起的[3]，该误差使得轮胎在圆周方向产生一定的锥度，如图2所示。锥度效应使得轮胎像锥体一样在自由滚动时会向一侧偏转，若迫使轮胎沿直线滚动，则轮胎会产生侧向力。

轮胎角度效应主要是由于帘布层的角度及橡胶材料的各向异性引起的[3]，如图3所示。当胎体承受垂直载荷时，橡胶单元会产生剪切变形，进而产生侧向力，该侧向力的方向会随着轮胎滚动方向的变化而发生改变。轮胎最外层帘布层的角度对于角度效应影响最为显著。

由于轮胎锥度效应与角度效应产生的机理不同，因此更换轮胎在汽车上的左、右安装位置可使锥度效应改变方向，而轮胎的角度效应则不随轮胎在汽车上的安装位置而改变方向。此外，轮胎的锥度效应受制造工艺误差影响较大，因而其分布范围相对较宽；而轮胎的角度效应主要是由帘布层的角度引起，主要由轮胎的设计参数决定，因而其分布范围相对较窄[3]，如图4所示。锥度效应和角度效应的不同特性使得二者对车辆直行性能有不同的影响。

2.2 轮胎锥度效应和角度效应特性建模

为分析轮胎锥度效应及角度效应对车辆性能的影响，首先应在轮胎的力学特性模型中加入相应的描述。

轮胎锥度效应及角度效应体现为轮胎在侧偏角为0°时的侧向力。由于锥度效应产生的力与轮胎的滚动方向无关，与轮胎的侧倾推力相似，因此，通常将锥度效应作为轮胎的等效侧倾推力；轮胎的角度效应与轮胎的滚动方向有关，与轮胎的侧偏力类似，故通常将角度效应作为轮胎的等效侧偏力[2]，如图5所示。

等效的轮胎锥度效应Fcon及角度效应Fply通常用下式描述：

式中，Ky为轮胎的侧偏刚度；αply为轮胎角度效应产生的等效侧偏角；Kγ为轮胎的侧倾刚度；γcon为轮胎锥度效应产生的等效侧倾角。

文献[6]给出了等效侧偏角αply及等效侧倾角γcon的辨识方法，即首先通过侧偏试验数据，在小侧偏角范围内辨识出轮胎的侧偏刚度Ky，再通过纯侧倾试验数据，在小侧倾角范围内辨识出轮胎的侧倾刚度Kγ，最后利用全部小侧偏角和小侧倾角试验数据采用式（5）辨识αply和γcon。

式中，Fy为轮胎侧向力；α为轮胎的侧偏角；γ为轮胎的侧倾角。

除侧向力外，轮胎的锥度效应及角度效应还会产生相应的力矩，对于回正力矩同样可以采用等效侧偏及等效侧倾的概念进行分析。由于轮胎侧偏运动及侧倾运动所产生力矩的机理不同，因而相对应的轮胎角度效应及锥度效应产生的力矩也有所差别。主要的差别是角度效应产生的力矩有回正的作用，即可起到使车辆恢复直线行驶的作用；而锥度效应产生的力矩则使车辆有跑偏的趋势。这一差别使得锥度效应与角度效应对车辆直行性能的影响有较大差别。

由于本文只关注车辆在直线行驶工况下的特性，因此轮胎的侧偏角及外倾角较小，仍处于线性区。为简化模型，并便于调整轮胎的锥度效应及角度效应的大小，以考察其对车辆直线行驶性能的影响，将角度效应及锥度效应转化为等效的侧偏角及侧倾角输入至车辆动力学模型中进行分析。

3 车辆动力学分析

3.1 车辆动力学建模

本文采用CarSim动力学分析软件建立整车动力学模型，模型基于系统特性进行建模，所需输入数据包括整车质量及惯量参数、悬架系统特性参数、转向系统特性参数、减振器特性参数和轮胎特性参数等。其中整车质量、惯量信息及悬架特性参数由K&C特性试验获得，包括车轮定位参数随车辆跳动量及外力的变化。转向系统特性参数包括转向系统的传动比、助力特性等，由转向系统特性试验得到。减振器的特性通过减振器阻尼力与减振器压缩速度的关系来表征，由减振器特性试验台测试得到。轮胎特性建模采用Magic Formula模型，轮胎模型的参数由轮胎力学特性试验数据辨识得到。利用所建车辆动力学模型分别进行转向盘角阶跃及蛇行工况的仿真分析，并将仿真数据与试验数据进行对比以验证模型精度，结果如图6～图9所示。由图6～图9可看出，动力学模型可以较精确地描述车辆的运动特性。

3.2 角度效应对车辆直行性能的影响

如前所述，轮胎的角度效应受设计因素影响较大，因而其数值较为确定，一般在轮胎结构确定后，不同轮胎的角度效应值相差较小。此外，轮胎角度效应的方向不随轮胎在车辆上的安装位置而改变。

为分析角度效应对车辆直行性能的影响，在动力学模型中，将转向盘转角固定为0°，使车辆以80 km/h的速度沿直线行驶，分别考虑轮胎的角度效应为50 N、100 N、200 N及300 N等几种情况。因轮胎的角度效应方向相同，与轮胎在车上的安装位置无关，故左、右轮胎的角度效应方向相同。图10和图11为车辆侧向偏移量及横摆角速度曲线。由图10和图11可看出，由于轮胎的角度效应相同，车辆在直线行驶时达到稳定状态后产生较小的横摆角速度，因而车辆的侧向偏移量较小。

3.3 锥度效应对车辆直行性能的影响

由于锥度效应分布范围较宽，且其方向随轮胎在整车上的安装位置不同而改变，因而其对整车直行稳定性的影响较复杂。若轮胎的安装较合理，使左、右车轮轮胎的锥度效应反向，则左、右轮胎锥度效应的影响可相互抵消，从而车辆基本上可维持直线行驶，如图12所示。

为分析轮胎锥度效应对车辆直行性能的影响，取左、右轮胎锥度效应分别为50 N、100 N、200 N和300 N，左、右轮胎的锥度效应方向相同，车辆转向盘转角为0°，以80 km/h速度沿直线行驶。图13和图14分别为车辆侧向偏移量及车辆横摆角速度曲线。

通过图13和图14可看出，若左、右车轮的锥度效应同向，则车辆的直线行驶稳定性会受到很大影响。通过对比可发现，当锥度效应与角度效应相同时，锥度效应对车辆直线行驶稳定性的影响比角度效应要明显很多，同时可看出，当锥度效应超过一定限值时，车辆的跑偏量急剧增大。产生这一现象的根本原因是轮胎的角度效应力从本质上讲是一种等效的侧偏力，而轮胎的锥度效应是等效的侧倾推力。角度效应产生的等效侧偏现象使轮胎产生回正力矩，因而在角度效应的作用下，车辆产生一定程度的跑偏，在回正力矩作用下，车辆有回到直线行驶位置的趋势，因而会减小车辆的跑偏；而锥度效应产生的力矩作用与车辆的跑偏趋势相同，因而形成正反馈，加剧了车辆跑偏。因此，在实际轮胎与车辆的匹配中，要约束轮胎的锥度效应。

4 结束语

轮胎的锥度效应及角度效应影响车辆的直线行驶性能。角度效应受轮胎设计参数影响较大，其方向不随轮胎在车辆上的安装位置而改变，对车辆的直行性能影响较小，因而在实际轮胎性能匹配过程中，不需要对角度效应做严格限制。锥度效应受轮胎的制造工艺影响较大，其分布范围较宽，若左、右侧轮胎的锥度力相互抵消，则车辆具有较好的直行稳定性，若左、右侧轮胎的锥度力同向或不能完全抵消，车辆的跑偏趋势会非常显著，因而需对轮胎锥度效应做出严格限制，以减小其对车辆直行性能的影响。

1 SAE J2047 V002,Tire Performance Technology,1998.

2 Hans.Pacejka.Tyre and Vehicle Dynamics.Butterworth-Heinemann,2006.

3 Gent A N,Walter J D.,Pneumatic Tire.NHTSA,2005.

4 JUNG-HWAN LEE,Analysis of Tire Effect on the Simula⁃tion of Vehicle Straight Line Motion,Vehicle System Dy⁃namics,33(2000),pp.373-390.

5 Identification of a Vehicle Pull Mechanism.Seoul 2000 FIS⁃ITA World Automotive Congress F2000G353 June 12-15, 2000,Seoul,Korea.

6 卢荡,郭孔辉.轮胎结构不对称性对其力学特性建模的影响.吉林大学学报（工学版），2004，34（2）.

（责任编辑文 楫）

修改稿收到日期为2015年2月25日。

The Influence of Tire Conicity and Plysteer Effect on Vehicle Straight Line Driving Performance

Jin Lingge,Qin Min
（State Key Laboratory of Comprehensive Technology on Vehicle Vibration Noise&Safety Control, China FAW Co.,Ltd R&D Center）

The tire property model is established according to the generating mechanism of the tire conicity and plysteer effect.Through tire performance test and vehicle dynamics modeling simulation,the influence of tire conicity and plysteer on vehicle straight line driving performance is expounded.The study shows that the tire conicity has great influence on the vehicle straight line driving performance,so it need to be controlled,on the other hand,the plysteer has less influence on the vehicle straight line performance.

Tire，Conicity effect，Plysteer effect，Vehicle performance，Straight line driving performance

轮胎 锥度效应 角度效应 车辆性能 直行性能

U463.341

A

1000-3703（2015）09-0059-04