輪胎側偏特性

輪胎側偏特性主要是指側偏力、回正力矩與側偏角間的關係。汽車動力學的研究中必須考慮輪胎模型，輪胎側偏特性是輪胎極其重要的特性，它是研究汽車操縱穩定性的基礎。

基本介紹

• 中文名：輪胎側偏特性
• 外文名：Cornering behaviors
• 領域：汽車

側偏力產生原因

汽車在行駛過程中，由於路面的傾斜、側向風或曲線行駛時的離心力等的作用，車輪中心沿Y軸方向將作用有側向力Fy，相應地在地面上產生地面側向反作用力，也稱為側偏力。當有地面反作用力時，若車輪是剛性的，則可能發生兩種情況（如圖1）：

（1） 當地面側向反作用力Fy未超過車輪與地面間的附著極限時，車輪與地面間沒有滑動，車輪仍在其自身平面cc沒運動。

（2）當地面側向反作用力Fy達到車輪與地面間的附著極限時，車輪發生側向滑動，若滑動速度為∆u，車輪便沿合成速度u^‘的方向行駛，偏離cc平面。

圖1

側偏角

當車輪有側向彈性時，即使FY沒有達到附著極限，車輪行駛方向亦將偏離車輪平面cc，這就是輪胎的側偏現象。為了說明側偏現象，我們討論具有側向彈性的車輪在垂直載荷為W的條件下，車輪中心受到側向力Fy，地面相應的有側偏力FY時的兩種情況（圖2）。一是車輪靜止不滾動。由於車輪有側向彈性，輪胎髮生側向變形，輪胎胎面接地印跡的中心線aa與車輪平面cc不重合，錯開∆h，但aa仍平行於cc。二是車輪滾動。接觸印跡的中心線aa不只是和車輪平面錯開一定距離，而且不再與車輪平面cc平行，aa與cc的夾角α，即為側偏角。此時，車輪就是沿著aa方向滾動的。

圖2

側偏角產生原因

為了說清楚出現側偏角α的原因，下面具體分析車輪的滾動過程（圖3）。在輪胎胎面中心線上標出A1、A2、A3…各點，隨著車輪向前滾動，各點將依次落於地面上相應的A1^、A2^、A3^…各點上。在主視圖上可以看出，靠近地面的胎面上，A1、A2、A3…各點連線在靠近地面時逐漸變為一條斜線，因此他們落在地面相應各點A1^、A2^、A3^…的連線並不垂直於車輪旋轉軸線，即與車輪平面cc有夾角α。當輪胎與地面沒有側向滑動時，A1^、A2^、A3^…的連線就是接地印跡的中心線，當然也是車輪滾動時在地面上留下的痕跡，即車輪並沒有在車輪平面cc內向前滾動，而是沿著側偏角α的方向滾動。顯然，側偏角α的數值是與側向力Fy的大小有關；換言之，側偏角α的數值與側偏力Fy的大小有關。

圖3

側偏力與側偏角關係

圖4給出了一條由試驗測出的側偏力-側偏角曲線。曲線表明，側偏角不超過5°時，與α成線性關係。汽車正常行駛時，側向加速度不超過0.4g，側偏角不超過4°~5°，可以認為側偏角與側偏力成線性關係。FY-α曲線在α=0°處的斜率稱為側偏剛度k，由輪胎坐標系有關符號規定可知，負的側偏力產生正的側偏角，因此側偏剛度為負值。側偏角不超過4°~5°FY與α的關係式可寫作，FY=ka。

圖4

回正力矩與側偏角關係

回正力矩是由接地面內分布的微元側向反力產生的。車輪在靜止時受到側向力時，印跡長軸線aa與車輪平面cc平行，錯開∆h，故可認為地面側向反作用力沿aa線是均勻分布的（如圖5）。

圖5

而車輪滾動時，印跡長軸線aa不僅與車輪平面錯開了一定距離，而且轉動了α角，因而印跡前端離車輪平面近，側向變形小；印跡後端離車輪平面遠，側向變形大。可以認為，地面微元側向反作用力的分布與變形成正比，故地面微元側向反作用力的分布情況如圖6所示，其合力就是側偏力FY，但其作用點必然在接地印跡幾何中心的後方，偏移某一距離e。e稱為輪胎拖距，FYe就是回正力矩Tz。

圖6

在FY增加到一定程度時，接地印跡後部的某些部分便達到附著極限，隨著FY的進一步加大，將有更多的部分達到附著極限，知道整個接地印跡發生側滑，因而輪胎拖距會隨著側向力的增大而逐漸變小。

實驗結果表明，回正力矩開始時隨著側偏角的增大而逐步變大，側偏角在4°~6°時達到最大值；側偏角在增大，回正力矩下降；在10°~16°時回正力矩為零；側偏角再大，回正力矩成為負值。