轮胎侧偏特性的影响因素及汽车工程应用力学

图1-30 轮胎的回正力矩—侧偏角特性

1.轮胎结构对侧偏特性的影响

轮胎按结构的不同分为子午线轮胎和斜交线轮胎。图1-31给出了子午线轮胎和斜交线轮胎的侧偏特性。从图1-31中的两条特性曲线对比可以看出，子午线轮胎曲线的位置总是在斜交线轮胎曲线的上方，即在同一侧偏角下，子午线轮胎所获得的地面侧向反作用力（即侧偏力F_Y）总是大于斜交线轮胎；或者说，在同一侧向力（如离心力F_y）的作用下，子午线轮胎的侧偏角总是小于斜交线轮胎。这说明了子午线轮胎的抗侧滑性能好于斜交线轮胎，其原因是子午线轮胎具有较高的侧偏刚度。子午线轮胎较高的侧偏刚度主要来源于子午线轮胎在结构上设置有带束层。用钢丝和高模量低收缩纤维做帘线的带束层，犹如金属环箍在胎体周面，使轮胎具有又宽又平的胎面，增大了的接触面大大改善了与地附着性能；刚度高的接地基部不易被扭曲，使轮胎侧偏角减小。

图1-31 不同结构轮胎的侧偏特性

图1-32给出了四种不同高宽比子午线轮胎的侧偏刚度与载荷的关系曲线，可以看出轮胎侧偏刚度随着高宽比的降低而逐渐提高，高宽比为0.60的60系列轮胎的侧偏刚度增长幅度均比其他系列轮胎的大；而且随着载荷的增加，不同高宽比轮胎之间的侧偏刚度差值越来越悬殊。

图1-32 不同高宽比子午线轮胎的侧偏刚度与载荷关系

“高宽比”亦称“扁平比”。高宽比是指轮胎断面高H与断面宽B之比值。它的比值越小则说明胎面越扁平。越扁平的轮胎，所配用的轮辋的直径越大、胎侧显得越缩窄。轮胎高宽比更小就表示该轮胎更加扁平、胎侧更加缩窄，这当然是有利于提高侧偏刚度。当前的普通轿车子午线轮胎的高宽比已经普遍为65～55系列；追求高性能的运动型子午线轮胎已提高到50～40系列，甚至为30系列。如布加迪威航跑车的前轮轮胎为265/30R20、后轮为365/30 R20。

对于有高性能要求的轮胎，其中都少不了要有良好的弯道性能，以保证操纵稳定性、安全性。所谓弯道性能（转向性能）主要是指轮胎转向时的抗侧滑性能。要提高轮胎的抗侧滑性能就必须提高轮胎的侧偏刚度，亦即在扁平比、带束层和胎面花纹等方面的设计上有相应的要求。

2.垂直载荷对侧偏特性的影响

汽车行驶时，轮胎的垂直载荷常发生变化。例如，转向时内侧车轮轮胎的垂直载荷减小，外侧车轮轮胎的垂直载荷增大，这种现象叫载荷转移。垂直载荷的变化对轮胎侧偏特性有显著影响。图1-33表明，垂直载荷增大后，侧偏刚度随垂直载荷的增大而增大；但垂直载荷过大时，轮胎与地面接触区的压力变得极不均匀，使轮胎侧偏刚度反而有所减小。轮胎的侧偏刚度在某一载荷下达到最大，大于或小于这载荷时，侧偏刚度均下降。一般情况下，轮胎侧偏刚度最大时的载荷大约为额定载荷的1.5倍。

3.充气压力对侧偏刚度的影响

轮胎的充气压力对侧偏刚度有显著影响。由图1-34可知，侧偏刚度随着气压的增加而增加，但气压过高后侧偏刚度不再变化。

图1-33 垂直载荷对轮胎侧偏特性的影响

4.干、湿路面对侧偏特性的影响

同样的路面但路面的状态不同，如干湿度以及积水等对轮胎的侧偏特性也有较大的影响。图1-35为干、湿路面上的侧偏力系数与侧偏角之间的关系。

图1-34 轮胎充气压力对侧偏刚度的影响

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图1-35 干、湿路面对侧偏特性的影响

5.车速对侧偏特性的影响

随着行驶速度的增大，侧偏力的最大值降低。这是由于速度增高后，滑动摩擦系数降低造成的。而在侧偏角较小时，车速几乎对轮胎的侧偏特性没有影响。

6.地面切向反作用力对侧偏特性的影响

上面讨论是没有切向反作用力作用时的轮胎侧偏特性。实际上，在轮胎上常同时作用有侧向力和切向力。这里所讲的切向力主要是指驱动力和制动力。

图1-36是由试验得出的地面切向反作用力对侧偏力的影响关系曲线。曲线表明，一定的侧偏角下，侧偏力随驱动力的增加而逐渐减小，这是由于车轮传递驱动力矩使轮胎侧向弹性有所改变的缘故。但是，当驱动力相当大时，侧偏力显著下降，因为此时切向驱动力已占用了胎地间绝大部分附着力，而在侧向上能利用的附着力已所剩无几。有制动力作用时，轮胎侧偏力的变化与上述情况相似。把两者的曲线组合起来成为一个近似的椭圆，一般称之为附着椭圆。附着椭圆明显地表明在一定的附着条件下切向力和侧向力合力的极限值。它为纵向力和侧向力之间的合理调节提供了理论基础。

由上述分析可知，在弯道上作加速行驶或者作强制动都会大大削弱轮胎的侧向附着力，会助长侧滑现象的发生，使汽车的操纵稳定性变差。

图1-36 地面切向反作用力对轮胎侧偏特性的影响

7.“滑水现象”将导致轮胎侧偏力完全丧失

在不同结构的路面上轮胎的侧偏特性是不一样的。即使相同结构的路面，由于干湿程度不一样，也会对侧偏特性造成影响。雨天有积水层路面的影响特别明显，如果车速过快将出现“滑水现象”（Hydroplaning），使汽车完全丧失侧偏力。

图1-37给出了一轮胎在不同的胎面状况、路面粗糙度和水层厚度等条件下，最大侧偏力随车速的下降情况。现将各情况分述如下。

图1-37 轮胎胎面、路面粗糙度、水层厚度与滑水程度的关系

胎面有四条纵向花纹沟的轮胎在水层厚度为1.02mm的粗混凝土路面上：当车速为50km/h时，轮胎还具有大约85%的最大侧偏力；车速为130km/h时，轮胎还具有大约40%的最大侧偏力，这说明这种轮胎在这些情况下还具有防滑水能力。如果胎面变为光滑面，在相同的条件下车速为30km/h时，轮胎还具有大约80%的最大侧偏力；而车速提高到130km/h时，只具有大约6%的最大侧偏力，轮胎出现高滑移率，但尚未完全打滑，说明这种轮胎不宜用较高速度通过。

如果水层厚度为7.62mm时，不论胎面是否有沟槽、路面是否粗糙，当车速达到80km/h时均出现滑水现象，轮胎的最大侧偏力降至零。在这种情况下，汽车只宜采用低速（如50km/h以下）通过。

滑水（又称为水漂）

汽车滑水是指汽车通过有积水层的路面时，轮胎失去与路面接触的现象。滑水机理是：当轮胎在具有积水层的路面上滚动时，会对积水层进行排挤，于是轮胎与路面接触区前部的水便会因为惯性而产生动压力（与速度平方成正比）。当轮胎转速提高时，动压力随车速的提高而增大，逐渐使轮胎与路面的直接接触面减小；当车速高达一定值时，动压力的升力与车轮的垂直载荷相平衡，此时轮胎将完全被水层托起，从而失去了与路面的接触。这时，轮胎的纵向附着力和侧向附着力均几乎等于零。

8.车轮外倾对侧偏特性的影响

当车轮有了外倾角引起了外倾侧向力，这究竟对轮胎的侧偏特性产生什么影响？行驶中的汽车在受到侧向力作用时，轮胎抗侧滑能力仅是依靠胎地间的附着力，这时地面作用于轮胎的其他切向或侧向反作用力都可以看成是对附着力的占耗，外倾侧向力也不例外，它的存在削弱了轮胎抗侧滑能力。随着外倾角的增大，胎地间的附着状况越来越差，会影响最大地面侧向反作用力，而损害汽车的极限性能（降低极限侧向加速度）。因此，对于高速轿车特别是采用宽断面轮胎的赛车，在转弯时承受大部分侧向力的外侧前轮应尽可能地垂直于地面，即外倾角等于零。因为现代公路路面都比较平直，不像以往那样存在拱形，如果车轮在转向时有了正外倾角，扁平而又刚度大的胎面因受外倾角的影响而使压力分布不均匀，减小了胎地间的附着力。而摩托车却不同，它在转弯时外倾角很大，人与车体明显向内侧倾斜，为了保证获得最大地面侧向反作用力，它的轮胎必须具有圆形断面，以便在倾斜时胎面与地有较大接触面。如果摩托车的轮胎也做成扁平断面，在侧倾过弯道时可能会出现只有胎肩着地的情形。

最后还应说明，按照轮胎坐标系的规定，正侧偏角对应于负的侧偏力和正的回正力矩；正外倾角对应于负的外倾侧向力和负的外倾回正力矩。