通过接地特性预测轮胎干地制动距离

高玲茹，张凯凯，王龙庆，李慧敏

（青岛森麒麟轮胎股份有限公司，山东 青岛 266229）

当今社会，汽车安全性能越来越受到重视，由于制动距离是衡量汽车安全性能的重要指标，对制动距离研究的关注度也在不断提高[1-2]。作为汽车与路面直接接触的唯一部件，轮胎与路面的相互作用可以通过轮胎接地特性体现出来，汽车的诸多性能，如操纵稳定性、安全性和舒适性等也需要通过轮胎接地印痕得以体现[3-4]。

轮胎接地特性包含轮胎接地的几何与力学信息，其研究方法主要有印痕试验、静负荷性能测试、轮胎接地3D扫描和有限元模拟分析[5-8]。采用上述方法的轮胎接地特性研究较多，但是对轮胎接地特性与实车测试的相关性研究较少，并且不够深入。因此，有必要从轮胎接地特性的角度出发，研究不同方案轮胎的干地制动距离，进而利用接地特性来指导轮胎的结构设计。

本工作通过改变轮胎胎侧搭接宽度设计了3个方案，分析不同方案轮胎的接地特性，并研究通过接地特性预测轮胎干地制动距离的方法。

1 轮胎方案设计

轮胎结构对接地印痕的影响极大，稍微改动某一部位数据便会对接地印痕产生明显影响，从而影响轮胎性能。本工作以215/55R17半钢子午线轮胎为例，设计3个方案（胎侧搭接宽度分别为15，20，25 mm），通过改变胎侧搭接宽度使轮胎干地制动距离发生变化。

轮胎干地制动距离是轮胎接地特性参数（充气压力、温度、负荷、外缘尺寸、下沉量、接地面积、最大接地长度和最大接地宽度等）变化的综合体现，轮胎接地特性应对各种路况变化的能力越强，轮胎干地制动距离越短；轮胎的接地印痕越趋近于椭圆，越有利于轮胎的操纵安全性，轮胎干地制动距离越短。本工作通过轮胎接地特性参数对3个方案轮胎的制动性能进行分析。

2 轮胎接地试验

2.1 试验流程

在静负荷下进行轮胎接地印痕试验，步骤如下。

（1）清理轮胎表面的泥土、碎屑等污染物，将试验轮胎与轮辋的组合体固定在试验机上。

（2）在轮胎胎侧标出所需的试验点。轮胎充气压力为250 kPa，负荷为670 kg。

（3）在轮胎与试验平台间放置压力毯，以50 mm·min-1的速度施加径向负荷，确保压力毯受压部位不起皱，加载完毕保持2 min以上，记录该负荷下的轮胎下沉量、接地印痕形状及接地压力分布。

（4）将轮胎以72°等间隔划分为5个区域，分别对5个区域进行接地印痕试验，记录轮胎下沉量、接地印痕形状及接地压力分布。

（5）使用Tirescan软件分析轮胎接地压力分布特征，取每条轮胎5次试验结果的平均值，从而保证试验数据的精确性与可信度。

2.2 接地特性参数

轮胎部分接地特性参数如图1所示。

图1 部分接地特性参数示意

（1）接地面积。充气轮胎在静负荷作用下与刚性地面、试验台接触的几何图形（接地印痕）的面积。

（2）中间接地长度。接地印痕中部沿车辆行驶方向的长度。

（3）接地宽度。接地印痕中部垂直车辆行驶方向的长度。

（4）外侧和内侧胎肩接地长度。外侧和内侧胎肩接地长度为两侧胎肩花纹筋中部、80%接地宽度处的接地长度。

（5）接地长度比值。接地长度比值＝2×中间接地长度/（外侧胎肩接地长度＋内侧胎肩接地长度）。

（6）下沉量。下沉量＝无负荷时充气轮胎断面高度－负荷下充气轮胎断面高度。

（7）矩形率。矩形率＝接地印痕面积/（中间接地长度×接地宽度）。

本工作通过3种方案轮胎的接地特性参数和接地印痕，研究接地特性对轮胎干地制动距离的影响，并通过实车测试结果进行验证。

3 试验结果分析

3种方案轮胎的接地印痕如图2所示，3种方案轮胎的接地特性参数如表1所示。

图2 3种方案轮胎的接地印痕

表1 3种方案轮胎的接地特性参数

轮胎接地面积越大，其抓着性能越好，同时其接地压力分布越均匀。从表1可以看出，方案1—3轮胎的接地特性参数并未单纯地递增或递减，而是存在最佳值，使得轮胎整体接地特性最佳，操纵安全性好，干地制动距离短。

从图2可以看出：方案1和2轮胎接地印痕右侧花纹块的长度明显比中间花纹块的长度大，方案2轮胎的中间接地长度明显偏小，这2种方案轮胎的接地印痕形状不良，方案3轮胎的接地印痕形状稍好；方案2轮胎的接地面积、中间接地长度、接地宽度和接地长度比值均最小，矩形率最大，轮胎的接地特性最差，预测其干地制动距离最长；方案1轮胎的矩形率较小，方案3轮胎的接地面积大、中间接地长度大、下沉量小、接地长度比值大、矩形率介于方案1和2轮胎之间，方案3轮胎的整体接地特性最好；预测3种方案轮胎的干地制动距离由长到短依次为方案2，1，3。

方案1—3轮胎的实测干地制动距离分别为37.4，37.8和36.4 m，方案3轮胎的干地制动距离最短，轮胎干地制动距离变化规律与预测结果一致，说明通过接地特性预测轮胎干地制动距离的方法是有效的。

4 结语

（1）同一轮胎结构设计参数变化对轮胎接地特性参数及接地印痕的影响并不是单纯地递增或递减，而是存在最佳值。

（2）通过接地特性参数来量化接地印痕，可以预测轮胎干地制动距离；当轮胎接地面积大、中间接地长度大、接地宽度大、接地长度比值大、下沉量和矩形率小，轮胎接地印痕接近椭圆形时，可以预测轮胎接地特性和操纵安全性好，干地制动距离短。

（3）实车测试结果表明，通过接地特性预测轮胎干地制动距离的方法是有效的。