汽车轮胎的侧偏现象及侧偏力曲线解析

汽车在行驶过程中，由于路面的侧向倾斜、侧向风或曲线行驶时的离心力等的作用，车轮中心沿y轴方向将作用有侧向力Fy，相应地在地面上产生地面侧向反作用力FY，FY也称为侧偏力。当有地面侧向反作用力时，若车轮是刚性的，则可以发生以下两种情况：

（1）当侧偏力FY未超过车轮与地面间的附着极限时，车轮与地面间没有滑动，车轮仍在其自身平面内运动（图8.6）。

图8.6　有侧向作用时刚性车轮的滚动

（2）当侧偏力FY达到车轮与地面间的附着极限时，车轮发生侧向滑动，若滑动速度为Δu，车轮便沿合成速度u′的方向行驶而偏离了车轮平面。

当车轮有侧向弹性时，即使FY没有达到附着极限，车轮行驶方向亦将偏离车轮平面，这就是轮胎的侧偏现象。为了说明侧偏现象，我们讨论具有侧向弹性的车轮在垂直载荷W的条件下，车轮中心受到侧向力Fy，地面相应的有侧偏力FY时的两种情况。一是车轮静止不滚动。由于车轮有侧向弹性，轮胎发生侧向变形，轮胎胎面接地印迹的中心线aa与车轮平面cc不重合，错开Δh，但aa仍平行于cc[图8.7（a）]。二是车轮滚动。接触印迹的中心线aa不只是和车轮平面错开一定距离，还不再与车轮平面cc平行，aa与cc的夹角α即为侧偏角。此时，车轮是沿着aa方向滚动的[图8.7（b）]。

图8.7　轮胎的侧偏现象

（a）静止；（b）滚动(www.xing528.com)

为了说清楚出现侧偏角α的原因，下面具体分析车轮的滚动过程[图8.7（b）]。在轮胎胎面中心线上标出A0、A1、A2、…各点，随着车轮向前滚动，各点将依次落于地面上相应的、…各点上。在主视图上可以看出，靠近地面的胎面上A0、A1、A2、…各点连线在接近地面时逐渐变为一条斜线，因此它们落在地面相应各点、…的连线并不垂直于车轮旋转轴线，即与车轮平面cc有夹角α。当轮胎与地面没有侧向滑动时，、…的连线就是接地印迹的中心线，当然也是车轮滚动时在地面上留下的痕迹，即车轮并没有在车轮平面内向前滚动，而是沿着侧偏角α的方向滚动。显然，侧偏角α的数值是与侧向力Fy的大小有关的；换言之，侧偏角α的数值与侧偏力FY的大小有关。

图8.8所示为一条由试验测出的侧偏力-侧偏角曲线。曲线表明，侧偏角不超过5°时，FY与α呈线性关系。汽车在正常行驶时，侧向加速度不超过0.4g，侧偏角不超过4°～5°，可以认为侧偏角与侧偏力呈线性关系。侧偏力—侧偏角曲线在α=0°处的斜率称为侧偏刚度k，单位为N/rad或N/（°）。由轮胎坐标系有关符号的规定可知，负的侧偏力产生正的侧偏角，因此侧偏刚度为负值。FY与α的关系式可写作：

图8.8　轮胎的侧偏特性

小型轿车轮胎的k值在-28 000～-80 000 N/rad。侧偏刚度是决定操纵稳定性的重要轮胎参数。轮胎应有高的侧偏刚度（指绝对值），以保证汽车具有良好的操纵稳定性。

在侧偏力较大时，侧偏角以较大的速率增长，即侧偏力—侧偏角曲线的斜率逐渐减小，这时轮胎在接地面处已发生部分侧滑。最后，侧偏力达到附着极限时，整个轮胎侧滑。显然，轮胎的最大侧偏力决定于附着条件，即垂直载荷，轮胎的胎面花纹、材料、结构、充气压力，路面的材料、结构、潮湿程度以及车轮的外倾角等。一般而言，最大侧偏力越大，汽车的极限性能越好，譬如圆周行驶的极限侧向加速度就越高。