轮胎锥度效应和帘布效应对车辆跑偏的差异性影响分析

陈国军，吕彦青，包戴远

(湖南猎豹汽车股份有限公司，湖南长沙 410000)

轮胎锥度效应和帘布效应对车辆跑偏的差异性影响分析

陈国军，吕彦青，包戴远

(湖南猎豹汽车股份有限公司，湖南长沙 410000)

因轮胎结构不对称性导致的锥度效应及帘布效应显著影响轮胎的力学特性，也是造成车辆跑偏的主要因素。对轮胎结构不对称性进行深入分析，研究轮胎结构不对称性所导致的锥度效应和帘布效应的结构成因，以及对跑偏的影响差异性，通过实例验证和分析得出轮胎锥度效应是影响车辆跑偏的主要因素。

轮胎结构不对称性；锥度效应；帘布层效应；车辆跑偏

0 引言

车辆跑偏是一个综合性问题[1]。轮胎作为与路面直接接触的重要部件，它对车辆行驶性能影响最大。由于橡胶材料的各向异性及轮胎制造过程中的工艺误差，导致轮胎结构的不对称性，这些不对称性会使得轮胎产生锥度效应和帘布效应[2]，显著影响轮胎的力学特性[3]，是造成车辆跑偏的主要因素。在车辆跑偏问题分析中，如何考虑轮胎锥度效应及帘布效应的影响，是改善车辆由于轮胎结构不对称性引起跑偏的关键。为此，作者对轮胎锥度效应和帘布效应的形成机制进行深入分析，着重阐述两者对车辆跑偏的差异性。

1 轮胎锥度效应和帘布效应

1.1 锥度效应与锥度力

轮胎锥度力是受负荷轮胎在旋转时不因轮胎旋转方向改变而改变方向的侧向力偏移值。锥度力的大小为正转(CW)和反转(CCW)侧向力测试值FL的积分平均值，其方向与侧向力方向一致，轮胎侧向力测试曲线如图1所示，图中U/F表示轮胎测试仪、ΔF表示轮胎侧向力的最大变化量。轮胎锥度的形成与子午线轮胎胎体带束偏离中心位置有关，受制造工艺误差影响较大，因而其分布范围相对较宽，当轮胎滚动方向改变时，锥度效应导致的轮胎侧向力及回正力矩的方向相对于绝对坐标系是不变的。

图1 轮胎侧向力测试曲线

1.2 帘布效应与帘布力

轮胎帘布力是由轮胎最外层帘布层角度不同而引起的随轮胎旋转方向改变而改变方向的侧向力偏移值。帘布力由轮胎带束层帘布线的角度设计参数决定，且最外层的帘布线起主要作用，当轮胎滚动方向改变时，帘布层效应导致的轮胎侧向力及回正力矩的方向相对于绝对坐标系是改变的。

1.3 残余侧向力与残余回正力矩

定义在轮胎侧向力和回正力矩与侧偏角特性曲线中，如图

2所示，轮胎侧向力(FL)为0时的侧偏角α1对应的回正力矩为轮胎残余回正力矩(TRA)；轮胎回正力矩(TA)为0时的侧偏角α2对应的侧向力为轮胎残余侧向力(FRL)。由文献[5]可知，轮胎残余侧向力和残余回正力矩均与轮胎帘布效应无关，只与轮胎锥度效应呈线性关系，同时，文献[6]通过试验研究证明车辆跑偏与轮胎锥度效应呈线性关系。

图2 轮胎侧向力和回正力矩与侧偏角特性曲线

2 车辆跑偏影响差异性分析

由于轮胎锥度效应与帘布效应产生的机制不同，故更换轮胎在车辆上的左、右安装位置可使锥度效应改变方向，而轮胎的帘布效应则不随轮胎在车辆上的安装位置而改变方向。因此，锥度效应和帘布效应的不同特性使得两者对车辆跑偏有不同的影响。

2.1 锥度效应

当车辆的轮胎由于存在结构不对称性而产生了锥度效应时，意味着轮胎的断面呈现圆锥形过程，其外倾角等于0°而引发了车轮外倾现象[1]。轮胎保持某种角度进行直线运动时，由于轮胎的锥度效应引起的侧向力作用于轮胎而使其向某侧偏摆。产生这一现象的根本原因是轮胎的锥度效应是等效的侧倾推力[2]，锥度效应产生的力矩作用与车辆的跑偏趋势相同，因而形成叠加效应，进一步加剧车辆跑偏。

当车辆两个前轮具有方向一致的锥度效应(包含侧向力和回正力矩)时，即两个前轮的锥度效应进行同向叠加后，该车辆跑偏的可能性增大，如图3所示；反之，车辆两个前轮的锥度效应进行反向叠加后，能够抵消掉一部分某一方向的锥度效应，则该车辆跑偏的可能性会降低，如图4所示。当轮胎在某一方向上的锥度效应超过一定限值时，车辆跑偏就不可避免。因此，严格控制轮胎由于锥度效应产生的侧向力和回正力矩的大小与方向，有利于降低车辆跑偏的风险。

图3 锥度效应同向叠加效果

图4 锥度效应反向叠加效果

2.2 帘布效应

轮胎的帘布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，由轮胎帘布效应引起的车辆跑偏原理如图5所示。

图5 轮胎帘布效应引起车辆跑偏原理

图5中横坐标表示路面侧倾角λ，纵坐标表示由于帘布效应导致的轮胎侧向力(FL)或回正力矩(TA)。

图5(a)表明：在平直路面上，即λ=0°，且FL=TA=0时，车辆保持直线行驶。

图5(b)表明：在倾斜路面上，即λ≠0°，但FL=TA=0时，车辆会出现行驶跑偏现象，跑偏方向为路面倾斜较低的一侧。如当车辆靠右行驶在倾斜路面上时，车辆会承受到左高右低的行驶状态，使车辆产生向右推的横向力，并作用于车辆使其向右侧跑偏，跑偏程度与λ有关。但由于轮胎的帘布效应相同，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，即轮胎的帘布效应对车辆跑偏的影响程度较小。

图5(c)表明：在倾斜路面上，即λ≠0°，且FL≠0°、TA≠0°时，车辆能够保持直线行驶。如当车辆靠右行驶在倾斜路面上时，当轮胎需要对抗倾斜路面所产生的横向力时，其自身结构(设计上考虑)会产生向左推的力，也就是由轮胎帘布效应引发的回正力矩，以此来对抗路面倾斜造成的横向力。产生这一现象的根本原因是轮胎的帘布效应力从本质上讲是一种等效的侧偏力[2]，帘布效应产生的等效侧偏现象使轮胎产生回正力矩，因而在帘布效应的作用下，车辆产生一定程度的跑偏，但在回正力矩作用下，车辆有回到直线行驶位置的趋势，因而会减小车辆的跑偏，进一步说明轮胎的帘布效应对车辆跑偏的影响程度较小。

3 实例验证

为进一步考察轮胎锥度效应和帘布效应对车辆跑偏的差异性影响，采用10条具有不同锥度力值和帘布力值的某型号轮胎(225/60R18)，标明轮胎的锥度效应方向，设计12种不同的轮胎锥度力和帘布力搭配方案，将轮胎配对安装在试验车的前轮进行试验。试验在车辆跑偏测试专用水泥路面上进行，路面平坦干燥，试验时微风，试验车经过检查调整后，在专用测试路面上反复试验，均无行驶跑偏现象。规定锥度力合力(左前轮-右前轮)为正值时合力方向向左，负值时合力方向向右，试验车前轮锥度力和帘布力对车辆跑偏的影响结果如表1 所示。

表1 前轮锥度力和帘布力对车辆跑偏的影响结果

由表1的试验结果可以看出：

(1)轮胎的锥度效应对车辆跑偏有很大影响，车辆的跑偏方向基本上由轮胎锥度力的合力方向决定；

(2)通过对比可发现：当锥度效应与帘布层效应相同时，锥度效应对车辆直线行驶稳定性的影响比帘布效应要明显很多；

(3)从这12组轮胎的锥度力和帘布力数据可以看出：锥度力因制造工艺误差影响使其分布范围相对较宽，帘布力主要由帘布角度等设计参数决定因此其分布范围相对较窄；

(4)当锥度效应超过一定限值时，车辆的跑偏量急剧增大，若左、右轮的锥度效应同向，则车辆的直线行驶稳定性会受到很大影响，因此，在实际轮胎与车辆的匹配中，要约束车辆轮胎的锥度效应。

4 结论

由于轮胎的结构不对称性导致的锥度效应及帘布效应会影响车辆的直线行驶性能。帘布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。锥度效应受轮胎的制造工艺影响较大，其分布范围较宽，能够显著影响车辆的跑偏趋势，因而需对轮胎锥度效应做出严格限制，以减小其对车辆跑偏的影响。

【1】GENT A N,WALTER J D.Pneumatic Tire[R].National Highway Traffic Safety Administration,2005.

【2】卢荡，郭孔辉.轮胎结构不对称性对其力学特性建模的影响[J].吉林大学学报(工学版)，2004,34(2):185-188. LU D,GUO K H.Structure Unsymmetry Effect on Tire Mechanical Behavior Modeling[J].Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition),2004,34(2):185-188.

【3】余双玉.轮胎均匀性及其影响因素[J].轮胎工业，2008,28(8):463-469.

【4】金凌鸽，秦民.轮胎锥度效应及角度效应对车辆直行性能影响研究[J].汽车技术，2015(9):59-62. JIN L G,QIN M.The Influence of Tire Conicity and Plysteer Effect on Vehicle Straight Line Driving Performance[J].Automotive Engineering,2015(9):59-62.

【5】杭柏林，赵明达.轮胎均匀性径向特性参数影响因素的分析[J].橡胶工业，2011,58(3):146-150. HANG B L,ZHAO M D.Factors Affecting Radial Parameters of Tire Uniformity[J].Rubber Industry,2011,58(3):146-150.

【6】沈逸敏.轮胎对汽车行驶跑偏的影响[J].轮胎工业，2005,25(8):498-499.

The Difference Influence of Tire Conicity Effect and Plysteer Effect on Vehicle Pull

CHEN Guojun,LV Yanqing,BAO Daiyuan

(Hunan leopaard auto Limited by Share Ltd.,Changsha Hunan 410000,China)

Conicity effect and plysteer effect caused by tire structure asymmetry have significant influence on tire mechanical behavior,they are also the main factors for vehicle pull. The tire structure asymmetric was investigated in detail, causes of tire structure asymmetry resulting in conicity effect and plysteer effect were researched, as well as the impact difference on vehicle pull.The study shows that the tire conicity effect is the main factor for vehicle pull through verification and analysis of examples.

Tire structure asymmetry; Conicity effect; Plysteer effect; Vehicle pull

2017-01-10

陈国军(1983—)，男，硕士，工程师，主要从事整车质量管理和底盘质量整改工作。E-mail:gjchencc@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.05.009

U461

B

1674-1986(2017)05-042-04