CN110610055A - 一种载重用轮胎操纵稳定性能设计方法和该方法设计的载重轮胎 - Google Patents

Abstract

本申请涉及载重轮胎设计领域，尤其涉及一种载重用轮胎操纵稳定性能设计方法和采用该方法设计的载重轮胎。一种载重用轮胎操纵稳定性能设计方法，该方法包括以下的步骤：1）将载重用轮胎材料分布的胎面部分分割为若干单元，使用CAD计算每个单元的面积；2）测量每个单元格底部的宽度W_i、然后根据滚压系数a，确定胎面设计单元宽度W_i’；3）根据每个分割单元的面积S_i’、胎面设计单元宽度W_i ^‘，然后确定胎面设计单元的高度h_i。本申请利用不同的胎面设计方法而制定了不同的胎面形状并改善了载重用轮胎的接地印痕形状，并且还基于胎面形状的设计提高了载重用轮胎的侧偏特性。

Description

一种载重用轮胎操纵稳定性能设计方法和该方法设计的载重 轮胎

技术领域

本申请涉及载重轮胎设计领域，尤其涉及一种载重用轮胎操纵稳定性能设计方法和采用该方法设计的载重轮胎。

背景技术

特种低平板及多轴(n＞3)半挂车具有运输效率高、单轴轴荷下降、总载荷量大等优点，但与单体载货车相比其侧向稳定性大幅下降，行驶时会产生“蛇行”、甩尾、侧翻等失稳现象，增加了其发生交通事故的可能性。另外，相较于乘用车，半挂车尤其是多轴半挂车由于在结构、类型、用途上差异很大，其发生失稳的机理也是不同的。目前国内外针对半挂车操纵稳定性能的研究主要有采用主动防倾杆来提高半挂车的侧翻稳定性能，利用车辆动态控制系统控制半挂车的侧翻，也有通过电子稳定控制系统、差式制动、后轮主动转向等方法提高汽车行驶时的操纵稳定性。

从上也可以发现，半挂车操纵稳定性能的研究还主要集中在汽车研发上，而针对载重胎与操纵稳定性能之间的关联性研究还寥寥无几。这主要是由于一方面轮胎是车辆重要且唯一的接地部件，虽然汽车运动性能的发挥与它息息相关，但由于轮胎本身结构的复杂性、使用状况的多变性、运动状态的多维性，又使轮胎的力学特性研究难以有效开展。另一方面，目前载重胎结构设计与汽车整车研发之间的桥梁连接还不够通畅，但随着我国汽车工业的稳步发展，橡胶行业的做大做强，轮胎力学特性与汽车的性能匹配研究将日趋成为轮胎企业与车企新产品开发的关键。

轮胎侧偏特性与轮胎结构、材料、使用路况等密切相关，也是轮胎力学特性的重要评价指标及操纵稳定性研究的基础，尤其是针对半挂列车的横向稳定性问题。因此，针对特种低平板、多轴半挂车的特殊使用工况条件及目前国内外对于载重胎力学性能的研究现状，建立起轮胎设计与力学性能之间的联系是轮胎企业技术人员必须重视及突破的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请的第一个目的在于通过一种载重用轮胎操纵稳定性能设计方法来提高轮胎的侧偏特性，从而解决半挂列车的横向稳定性问题，降低交通事故发生的可能性。

本申请的载重用轮胎冠部位主要有胎面、1号带束层、2号带束层、3号带束层、4号带束、胎体，胎面花纹形式为条花。其中，由于载重胎的运动性能是在A4纸大小的接地印痕面积上完成的，在这里，以胎面设计为自变量，接地特性为因变量，建立起胎面设计与轮胎侧偏特性间的联系。

为了实现上述的第一个目的，本申请采用了以下的技术方案：

一种载重用轮胎操纵稳定性能设计方法，该方法包括以下的步骤：

1)将载重用轮胎材料分布的胎面部分分割为若干单元，使用CAD计算每个单元的面积：S₁、S₂、S₃、…、S_i、…；其中，对于单元中包含花纹沟的，用沟占单元面积比k进行修正，k为0～0.5；如下公式：

S_i’＝S_i×(1-k)， (1)；

2)测量每个单元格底部的宽度W_i、然后根据滚压系数a，确定胎面设计单元宽度W_i’，即：

W_i’＝W_i×a， (2)；

3)根据每个分割单元的面积S_i’、胎面设计单元宽度W_i ^‘，然后确定胎面设计单元的高度h_i，从而根据W_i ^‘和h_i制定胎面的挤出形状，胎面设计单元高度h_i公式如下：

其中，b’：硫化后胎面比重；b：硫化前胎面比重。

作为进一步改进，所述的步骤1)分割方法为：画出与胎体垂直的辅助线，以胎冠中心为起点画第一条线，胎面端点为终点画最后一条线，并以5～10mm为一个间隔对胎面进行分割；其中，分割线中必须有一条经过肩部顶点。

作为进一步改进，所述的胎面滚压系数a取值范围为0.86～1.0。

此外，本申请从轮胎结构设计的角度出发提高载重胎的侧偏特性，目的是改善半挂列车的横向稳定性能，降低交通事故发生的可能性。在这里，主要用侧偏力、回正力矩与侧偏角的关系来评价载重用轮胎的侧偏特征。

作为进一步改进，所述的该方法还包括采用用侧偏力、回正力矩与侧偏角的关系来评价载重用轮胎的侧偏特征；

当外倾角为零时，侧向力F_y称为侧偏力；当轮胎载荷一定时，侧偏力随着侧偏角α的增大而增大；侧偏角α较小时，侧偏力F_y与侧偏角α呈线性关系，即：

F_y＝C_αα，(4)；

其中，α的范围为-5°～5°，比例系数C_α称为侧偏刚度，将其定义为侧偏角α＝0时F_y对α曲线的斜率。

轮胎在周向行驶发生侧偏时，回正力矩M_Z是使转向车轮恢复直线行驶位置的主要恢复力矩。

本申请的第二个目的在于提供一种载重用轮胎，该载重用轮胎采用所述的方法设计。

本申请由于采用了上述的技术方案，利用不同的胎面设计方法而制定了不同的胎面形状并改善了载重用轮胎的接地印痕形状，并且还基于胎面形状的设计提高了载重用轮胎的侧偏特性。

附图说明

图1是本发明的轮胎结构示意图。

图2是本发明胎面形状的柱状图。

图3是本发明胎面设计图。

图4是对比案例胎面设计图。

图5是本发明的接地压力分布。

图6是对比案例的接地压力分布。

图7是本发明与对比案例的侧偏力对比。

图8是本发明与对比案例的侧偏刚度对比。

图9是本发明与对比案例的回正力矩对比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。

以载重用轮胎255/70R22.5为例，通过本发明胎面设计方法及常规胎面设计方法得到不同的胎面设计口型，从轮胎的实际接地压力分布测试结果来看，本发明载重用轮胎的接地压力分布更均匀、接地矩形度更理想。另外，轮胎六分力测试结果表明，本发明基于胎面形状的设计一定程度上提高了载重用轮胎的侧偏特性。

图1是本发明轮胎的结构示意图。胎冠部位主要有胎面0、1号带束层1、2号带束层2、3号带束层3、4号带束层4、胎体5，胎面花纹形式为条花。其中，由于载重胎的运动性能是在A4纸大小的接地印痕面积上完成的，在这里，以胎面设计为自变量，接地特性为因变量，建立起胎面设计与轮胎侧偏特性间的联系。首先，将载重用轮胎材料分布的胎面部分分割为若干单元，然后分别计算每个单元的宽度与高度，最后确定胎面设计尺寸。

如图1所示，画出与胎体垂直的辅助线，以胎冠中心为起点画第一条线，胎面端点为终点画最后一条线，以10mm为一个间隔对胎面进行分割。其中，分割线中必须有一条经过肩部顶点。然后，使用CAD计算每个单元的面积：S₁、S₂、S₃、…、S_i、…。其中，对于单元中包含花纹沟的，用沟面积比k进行修正，k为0-0.5；如下公式：

S_i’＝S_i×(1-k)， (1)；

在成型时根据胎面滚压位置、压力、速度、时间确定不同胎面位置的滚压系数a，取值范围为0.86～1.0。

测量每个单元格底部的宽度W_i、然后根据滚压系数a，确定胎面设计单元宽度W_i’，即：

W_i’＝W_i×a， (2)；

根据每个分割单元的面积S_i’、胎面设计单元宽度W_i ^‘，然后确定胎面设计单元的高度h_i，从而根据W_i‘和h_i制定胎面的挤出形状，胎面设计单元高度h_i公式如下：

其中，b’：硫化后胎面比重；b：硫化前胎面比重。

图2是用胎面分割法同时通过计算得到每个单元的宽度W_i’、高度h_i而制得相应的胎面柱状趋势图。图3是根据胎面体积和胎面柱状趋势图而得到的胎面设计样板图。同时为了对比本发明，图4是采用常规胎面设计方法的对比案例胎面设计图。

为评价不同胎面设计所带来的轮胎实际接地性能的变化，试验轮胎进行接地压力分布测试。

图5与图6是255/70R22.5轮胎在标准负荷2500kg、标准气压830kPa、标准轮辋7.50×22.5的条件下利用接地压测试设备而得到的接地压力分布图。从图中可以看到，本发明胎面设计方法的轮胎接地印痕形状更理想，接近于矩形，而对比案例的胎面形状接地印痕呈反弧状。从接地压力分布云图来看，本发明的接地压力分布也更加均匀。

表1

	接地长度/mm	接地宽度/mm	接地系数	偏度值/kPa	矩形系数
						本发明	191	197	0.97	288.6	0.98
对比案例	180	199	0.90	327	0.92

从表1可见，本发明较对比案例的接地长度变大，接地系数提高，矩形系数也更好，接地印痕形状改善明显。另外，本发明接地压力偏度值为288.6kPa，对比案例接地接地压力偏度值为327kPa，通过接地压力偏度值的计算也验证本发明载重用轮胎的接地压力分布均匀性优于对比案例轮胎。

此外，本发明从轮胎结构设计的角度出发提高载重胎的侧偏特性，目的是改善半挂列车的横向稳定性能，降低交通事故发生的可能性。在这里，主要用侧偏力、回正力矩与侧偏角的关系来评价载重用轮胎的侧偏特征。

当外倾角为零时，侧向力F_y称为侧偏力。当轮胎载荷一定时，侧偏力随着侧偏角α的增大而增大。侧偏角α较小时，侧偏力F_y与侧偏角α呈线性关系，即：

F_y＝C_αα，(4)；

其中，α的范围为-5°～5°，比例系数C_α称为侧偏刚度，将其定义为侧偏角α＝0时F_y对α曲线的斜率。

轮胎在周向行驶发生侧偏时，回正力矩M_Z是使转向车轮恢复直线行驶位置的主要恢复力矩。

本发明力学特性通过转鼓式轮胎六分力测试设备评价，试验条件如下：

纯侧偏工况，侧偏角为-15°至15°、试验负荷为分别为1500kg、2500kg、3000kg、3500kg四个梯度、试验气压为830kPa、试验机转鼓直径为2m、转鼓速度为40km/h。

图7是本发明与对比案例在2500kg负荷下的侧偏力对比，从图中可知，在侧偏角-5°～5°范围内，本发明与对比案例的侧偏力与侧偏角均呈线性关系，另外，通过对比可以看到，本发明载重用轮胎的侧偏力有提升。

图8是本发明与对比案例在不同负荷梯度下的侧偏刚度对比，从侧偏刚度对比来看，本发明的侧偏刚度明显优于对比案例，以2500kg下的侧偏刚度为例，侧偏刚度提高7.6％。

图9是本发明与对比案例的回正力矩对比，从回正力矩的曲线趋势来看，本发明与对比案例均在侧偏角为6°时出现下降且趋势一致，但本发明案例峰值高于对比实施案例，一定程度上反映了本发明案例的直线行驶稳定性有所改善。

综上可以看出，本发明轮胎的侧偏特征对比实施案例有所改善提升，这是由于本发明通过轮胎结构设计的方法改善了轮胎的接地性能。同时，本发明在轮胎结构设计与轮胎侧偏特性间建立起关联性，这既可以在一定程度上改善半挂列车的横向稳定性问题，又填补了国内载重用轮胎操纵稳定性能研究的空白。

以上为对本申请实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的。本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施列，而是要符合与本文所公开的原理和新颖点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种载重用轮胎操纵稳定性能设计方法，其特征在于，该方法包括以下的步骤：

1)将载重用轮胎材料分布的胎面部分分割为若干单元，使用CAD计算每个单元的面积：S₁、S₂、S₃、…、S_i、…；其中，对于单元中包含花纹沟的，用沟占单元面积比k进行修正，k为0～0.5；如下公式：

S_i’＝S_i×(1-k)， (1)；

2)测量每个单元格底部的宽度W_i、然后根据滚压系数a，确定胎面设计单元宽度W_i’，即：

W_i’＝W_i×a， (2)；

3)根据每个分割单元的面积S_i’、胎面设计单元宽度W_i‘，然后确定胎面设计单元的高度h_i，从而根据W_i‘和h_i制定胎面的挤出形状，胎面设计单元高度h_i公式如下：

其中，b’：硫化后胎面比重；b：硫化前胎面比重。

2.根据权利要求1所述的一种载重用轮胎操纵稳定性能设计方法，其特征在于，步骤1)分割方法为：画出与胎体垂直的辅助线，以胎冠中心为起点画第一条线，胎面端点为终点画最后一条线，并以5～10mm为一个间隔对胎面进行分割；其中，分割线中必须有一条经过肩部顶点。

3.根据权利要求1所述的一种载重用轮胎操纵稳定性能设计方法，其特征在于，胎面滚压系数a取值范围为0.86～1.0。

4.根据权利要求1所述的一种载重用轮胎操纵稳定性能设计方法，其特征在于，该方法还包括采用侧偏力、回正力矩与侧偏角的关系来评价载重用轮胎的侧偏特征；

当外倾角为零时，侧向力F_y称为侧偏力；当轮胎载荷一定时，侧偏力随着侧偏角α的增大而增大；侧偏角α较小时，侧偏力F_y与侧偏角α呈线性关系，即：

F_y＝C_αα，(4)；

其中，α的范围为-5°～5°，比例系数C_α称为侧偏刚度，将其定义为侧偏角α＝0时F_y对α曲线的斜率。

5.一种载重用轮胎，其特征在于，该载重用轮胎采用权利要求1～4任意一项权利要求所述的方法设计。