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轮胎胎压对整车性能的影响

2020-05-22 山东科大集团 阅读

摘 要:轮胎是车辆与地面接触的唯一部件,汽车轮胎气压的高低,将直接影响到整车行驶的舒适性、安全性以及燃油经济性等整车综合性能。在保证整车操纵稳定性、舒适性的同时,适当的提高轮胎胎压,将有利于整车阻力降低,进而降低整车油耗、电耗,以应对工信部越来越收紧的乘用车平均油耗目标。文章通过不同轮胎气压的整车性能实车试验,分析了轮胎气压变化对整车性能的影响。


关键词:轮胎;气压;整车性能;实车试验

01

序 言


轮胎是整车与地面直接接触的部件,对整车的动力性和经济性、行驶平顺性、操纵稳定性、制动性能等有直接的联系。在车型研发过程中,首先根据车型的定位、车重、轮胎尺寸等要求设定整车胎压,在确定车型胎压后,再进行后续的轮胎选型以及与轮胎相关的各项验证试验,因此车型开发初期的胎压设定显得尤为重要。在整车开发过程中,如何设定轮胎胎压,使其既能满足整车性能的要求,又能和车型定位相匹配,需要进行大量的研究。本文结合整车各性能对轮胎气压的要求,通过试验验证了轮胎气压对整车性能的影响。


02

对标车分析


车型开发过程中,对标车分析是及其重要的环节,因此本文对市场上的主流车型的轮胎胎压作了大量分析统计,如图1所示,可以看出市场上主流车型的轮胎气压多在220kPa-250kPa之间,占到所有统计车型的79%以上。对于新能源车型因其车重较重,胎压通常设置为250kPa以上。因此本文对装备两种不同型号的轮胎选择220、230、240、250kPa的胎压进行整车性能的试验验证。

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图1 不同车型轮胎胎压统计


03

轮胎胎压对整车性能的影响


胎压变化,对整车性能的影响评价,主要有主观评价和客观评价两种方法。因主观评价易受评价人员主观因素的影响,不同评价人员可能给出差别较大的评价结果,且无法量化胎压变化对整车性能的影响,而客观评价法可以利用试验设备测试出表征性能的物理量。因此本文利用客观试验的方法去验证胎压变化对整车性能的影响。


3.1 燃油经济性


轮胎的滚动阻力是影响汽车燃油经济性的重要因素之一。数据统计表明,我国目前汽车的燃料消耗量已经占总的燃料消耗量的25%,而克服轮胎滚动阻力的燃油消耗量约占车辆燃油消耗的20%以上,故克服轮胎滚动阻力的燃料消耗量是我国燃料消耗的重要组成部分。


轮胎气压升高,滚动的轮胎变形减小,迟滞损失减小,导致轮胎的滚阻系数降低,进而有利于整车道路行驶阻力的降低,降低油耗。为验证胎压升高后轮胎滚动阻力系数的影响,选取三种不同尺寸的轮胎分别在220kPa、240kPa、260kPa下进行轮胎滚阻台架测试,试验结果如下表1所示。胎压220→240kPa,滚动阻力系数降低2.6%-3.6%左右;胎压240→260kPa,滚动阻力系数降低4.4%-7.7%;且同一尺寸轮胎,轮胎扁平率越大,胎压升高后,滚动阻力系数降低越多,即胎压升高对高扁平率的轮胎影响更大。


表1 不同胎压下滚阻系数

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胎压升高对燃油经济性的影响,不仅取决于轮胎本身的滚动阻力系数,更取决于整车的道路行驶阻力,因此测试了两种轮胎在不同胎压下的道路行驶阻力,试验结果如表2所示。可知胎压升高20kPa后,120-10km/h的道路行驶阻力平均降低22N。


3.2 制动性能


良好的制动性能是汽车安全行驶的保障,为研究轮胎胎压升高对制动性能的影响,针对同一辆车、相同的试验场地、相同的试验人员,采取不同的轮胎压力进行国标100-0 km/h与50-0 km/h的制动距离试验,可见胎压升高,接触面积减小,轮胎的抓地力降低,制动距离稍有变大,但不明显。


表2 不同胎压下道路行驶阻力

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表3 不同胎压下的制动距离

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3.3 操纵稳定性


本文通过稳态回转试验,验证胎压变化对操稳特性的影响。试验过程中调整方向盘,使试验车辆以最低稳定车速沿着半径为40m的轨迹圆行驶,记录此时方向盘转角。保持此方向盘转角,然后均匀地加速,调整方向盘确保汽车能绕固定的圆行驶,直至汽车不能保持在圆周上行驶为止。利用测力方向盘、陀螺仪、高度计等测量相关参数,计算不同轮胎及胎压下车辆的不足转向度、侧倾梯度、最大侧向加速度。试验结果如表4所示。(各项结果均取左、右转的平均值)


表4 不同胎压下的操纵稳定性

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轮胎的充气压力对侧偏刚度有明显的影响,在一定范围内,随着胎压的升高,轮胎的侧偏刚度增加,轮胎的最大侧偏力增加,汽车的极限性能增强,稳态回转的极限侧向加速度变大。


轮胎充气压力增加,车轮的垂向支撑变大,车身侧倾量变小,整车的侧倾梯度会变小。


轮胎充气压力增加,转向时车身侧倾减小,左、右轮垂直载荷差别变小,平均侧偏刚度变大。汽车前后轴的左右轮载荷变动取决于:悬挂质量、质心高度、侧倾中心位置、胎压等一系列参数,且考虑试验误差,胎压变化20kPa对不足转向特性的影响较难通过试验去验证。


3.4 转向轻便性


车辆的转向轻便性是评价转动方向盘轻便程度的特性,又分为原地转向轻便性、低速转向轻便性、高速转向轻便性,主要评价转向时的平均力矩水平、锁止前最大力矩水平两个参数。根据轮胎的回正特性,可知轮胎气压越高,轮胎的接地印迹越短,轮胎的拖距也就越小,回正力矩也就越小,驾驶员所施加的方向盘力矩会越小。本次只进行原地转向与低速双纽线试验验证胎压变化对转向性能的影响,试验结果如表5所示,可见胎压升高20kPa后转向力矩稍有减小,但不明显。


表5 不同胎压下的转向轻便性

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3.5 行驶平顺性


轮胎及悬架系统的刚度、柔性是影响整车平顺性的主要因素。轮胎胎压升高,会导致轮胎刚度增加,最终会导致汽车行驶,尤其是在不平路面、冲击路面、减速带等路面上的乘坐舒适性变差。


表6 不同胎压下的平顺性

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所以在提高胎压时必须注重整车的平顺性。因主观评价存在主观性强、难以量化等缺点,测量车辆与乘员直接接触的方向盘、驾驶员座椅导轨、驾驶员脚底板、后排乘员坐垫地板四个测点的平顺性客观数据,量化胎压升高对平顺性的影响。测试路面选取粗糙路、光滑路、脉冲路三种典型的路面,通过加权加速度均方根值来评价振动对人体舒适和健康的影响。分别测量在两种胎压、三种典型路面下的平顺性数据,如表6所示。可见胎压升高后,各测点的振动均变差,各测点振动平均增大7%。


3.6 轮胎寿命


轮胎的气压是决定轮胎寿命与整车性能的重要因素,因此胎压设定必须符合要求。试验表明,轮胎气压过高或过低,其使用寿命均会缩短,如图2所示。轮胎气压过低,易导致胎肩磨损;轮胎气压过高时,轮胎接地面积小,易造成胎冠磨损,且胎压过高,轮胎的刚度增加,在大冲击工况下,极易产生爆胎等事故。

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图2 胎压对轮胎寿命的影响


04

结论


本文通过实车试验分析了胎压升高后整车性能的变化,胎压升高20kPa后:轮胎滚阻及整车道路行驶阻力均有一定程度的减小,有利于燃油经济性。但制动距离稍有增加,整车平顺性变差较明显。在整车胎压设定过程中需综合考虑,在满载各项性能开发目标的前提下,适当提高胎压,降低油耗。


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