雙前橋轉向汽車輪胎異常磨損的“內因”與“外因”探析

程源

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

隨著我國交通運輸業的迅猛發展，雙前橋轉向汽車的應用越來越普遍。但雙前橋轉向汽車在使用一段時間后，轉向輪不可避免會出現不同程度的異常磨損故障。

本文從雙前橋轉向機構原理出發，創造性的將其輪胎異常磨損的原因分為“輪胎異常磨損外因”和“輪胎異常磨損內因”，并結合多年實踐經驗提出了改進措施和探討方向。

1 輪胎異常磨損的外因探析

1.1 輪胎異常磨損外因定義

輪胎異常磨損外因指車輛可以通過調整裝配、簡單更換或增加零部件、按車輛使用要求正常保養維修等方式將輪胎異常磨損問題解決或有所改善的輪胎異常磨損原因；后續簡稱“外因”；

1.2 超載引起輪胎異常磨損

根據阿查德磨損定律，當其他參數不變時，磨損量與載荷成正比，載荷越大，輪胎與路面間的接觸壓力就越大，輪胎的磨損就越嚴重。但載荷對輪胎磨損的影響主要還不在于它使輪胎與路面間的接觸壓力增大，而在于它使輪胎在驅動、制動及轉向時的切向力顯著增加，切向力是引起輪胎磨損的最主要因素。

圖1 輪胎壽命與負荷關系曲線圖

研究表明，切向力F和輪胎磨損率RW之間的關系可用下式表示

式中，

K為比例系數,與輪胎的剛度成反比；

n為指數，當F為橫向力轉向時n=2.3；

當F為縱向力驅動或制動時n=2.0。

由于輪胎的橫向剛度比其縱向剛度小,當載荷大小一樣時,橫向力產生的輪胎磨損約為縱向力的3倍,故減小轉向時的橫向力對減少輪胎磨損非常重要。

1.3 輪胎氣壓

輪胎氣壓過低時，胎體下沉量、徑向變形量、簾線伸張變形量增大，產生屈撓次數加劇，同時輪胎的接地面積也將增加，造成輪胎面不均勻磨損，出現胎肩磨損現象；輪胎氣壓過高時，輪胎接地面積減小，單位壓力增高，使輪胎面中部磨損增加，同時增大了輪胎剛性，使輪胎受到的動載荷增加，容易產生胎體爆裂、脫層。故為防止輪胎異常磨損，應嚴格掌握輪胎的充氣標準（如圖2、圖3所示）。

圖2 氣壓不合適造成輪胎磨損

圖3 輪胎壽命與氣壓關系圖

但新車送車時，由于車輛為二類底盤（及未配裝車廂）或空載狀態，車輛負荷低，如按照標準氣壓充氣，由于輪胎偏硬，車輛行駛時車輛的懸架系統容易出現大幅度跳動的情況，對車輛狀況以及輪胎磨損造成一定的影響；我們進行過專項的試驗和跟蹤，分析結論為新車送車時，輪胎氣壓按輪胎額定氣壓的88%～93%進行充氣，對新車車況維護（包括輪胎）都有較大改善。

1.4 前輪定位參數

在前輪定位的有關參數中，前輪外傾角和前束對輪胎磨損的影響最大。

由于主銷、前輪都有外傾角度（前輪外傾角，如圖4所示），這樣前輪就有一個向外拐的趨勢，也就是左側的前輪向左拐，右側的前輪向右拐，前輪又被安裝在車上，拐不了，因此造成輪胎的嚴重磨損。前束就是為了解決這個磨損問題的，將兩側的輪子向內側撇一個角度（前束，如圖5所示），正好抵消主銷外傾造成的輪胎跑偏，使輪胎可以沿直線前進，避免干磨的情況，從而達到了降低輪胎磨損的目的。

圖4 前輪外傾角

圖5 車輪前束

如圖6所示,當前輪僅存在外傾角的作用時,它以O為圓心,以R為半徑作圓周滾動，△t時間后,輪胎中性線與地面的接觸點從M到M′；偏移量為Yy，(A為因外傾角作用引起的輪胎滾過的圓心角)

圖6 外傾角的作用輪胎偏移

圖7 前束的作用輪胎偏移

圖8 外傾角、前束共同的作用輪胎偏移

當車輪在僅有前束的作用下，向斜前方作直線滾動時，如圖7所示,△t時間后輪胎的中性線與地面的接觸點從M到M′,偏移量為YB，B為因前束作用而引起的輪胎的轉角。

式中，

r為輪胎滾動半徑；

D為輪胎靜力半徑；

C為前輪前束；

Yymax、YBmax為側偏量最大值。

汽車在實際行駛中,前輪外傾角和前輪前束共同存在，共同起作用。因此，汽車的行駛方向應是和兩方向的迭加，即，如圖8所示。

Yy、YB反映了汽車行駛中輪胎同時存在著兩個方向相反的側偏,表達了輪胎變形和側滑的程度,為了保證輪胎有最小的磨損,應使

此時前輪外傾角與前束應存在如下關系

當Yymax-YBmax＞0時，

即外傾角起主要作用,輪胎與地面發生滑移或（滑移趨向）滑轉，行駛方向是一邊滾動一邊滑移，即前輪輪胎將發生滑移—滑轉摩擦磨損。外傾角過大，將使輪胎胎肩外側磨損嚴重，如圖11所示。前輪前束越大，橫向滑移速度越大，輪胎的磨損越嚴重。前束失調產生羽片狀磨損，如圖9所示。

圖9 前束引起的輪胎磨損模式

在進行底盤設計時，確定合理的前輪外傾角，及在使用過程中進行合理的前束調整，是防止造成輪胎異常磨損的重要方法。

2 輪胎異常磨損的內因探析

輪胎異常磨損內因指由于轉向機構限制、車輛轉向系統設計不完善，或由于國內生產制造能力限制，不能滿足設計要求等原因造成輪胎存在異常磨損的情況，并且此類問題在車輛后續調整或維修保養過程中，難以有效解決的原因。為便于表述，簡稱“內因”。

2.1 轉向機構傳動比

根據上述雙前橋轉向工作原理中的介紹，當4個轉向輪滿足阿克曼原理時，即在轉向行駛過程中，都以純滾動行駛的時候，輪胎磨損量是最小的。但是由于目前國內的商用車采用的車橋都是機械式的，轉向梯形的聯動結構無法保證在整個轉角范圍內車輛都符合阿克曼轉角的理論要求。

因此，在設計轉向系統傳動比的過程中，必須根據車輛使用工況，在主要使用轉角區域設計傳動比盡量滿足阿克曼轉角的技術條件。

2.2 轉向機構結構設計不合理

由于國內生產工藝水平局限，零部件存在不可避免制造誤差，而雙前橋車輛轉向系統是較多零部件聯動實現功能的，因此轉向機構設計時，應考慮將轉向連接桿、橫拉桿、直拉桿等聯動零部件設計為長度可調整結構。拉桿結構差異如圖10所示。

圖10 轉向拉桿結構圖示

如采用不可調整的結構，車輛因零部件制造誤差或裝配累積誤差，造成車輪因轉向機構調整或制造累計誤差與技術條件不符，從而使輪胎出現異常磨損時，將無法通過簡單調整拉桿進行修正處理。

2.3 制造工藝性較差造成產品與設計一致性差

我國工業發展相對歐美等發達國家起步晚，同時由于各種因素的影響，先進的生產工藝導入速度慢，故我國零部件生產與設計圖紙的一致性較差。

基于上述介紹，雙前橋轉向系統屬于復雜的聯動裝置，因此零部件因為存在生產誤差從而造成整車裝配的積累誤差，對系統實現功能有較大影響。

2.4 前后轉向軸安裝不平行的影響

汽車前、后轉向軸不平行度，實屬汽車存在左右軸距差。根據調查，目前國內各商用車主機廠的產品，均存在因車架、懸架、車橋結構或加工誤差，造成前后軸存在不平行的狀態（如圖11所示）。

對于雙前橋轉向車型，前后轉向軸存在不平行的情況時，在正常行駛（直線行駛）或轉向過程中，部分輪胎將不可避免地存在一定程度的滑動摩擦情況，從而造成輪胎偏磨；根據相關試驗數據統計，前后軸距差值在±15 mm以上時，將對車輪磨損產生重大影響。

圖1 1雙前橋汽車轉向橋不平行示意圖

目前主要的應對措施如下：

（1）通過激光校對技術或機械校對技術，保證車輛在直行時前橋處于直線向前做純滾動；

（2）在車輛下線時，測算在車輛重載時各輪胎存在的側偏力以及側偏角度，從而采用增加輪胎配重和預偏角度的方法，保證車輛在裝載行駛時各軸及輪胎處于最佳運行狀態；

（3）通過人工方法簡單調試。

2.5 轉向系統與懸架的運動匹配不合理

在輪胎跳動時,若轉向系統與懸架的運動關系不協調，將引起轉向車輪側傾而出現干涉。在汽車行駛時，這種干涉會引起前輪轉動，從而一方面損害汽車的操縱性，另一方面引起輪胎的擺振，加劇輪胎的磨損。

圖12為一種縱置半橢圓鋼板彈簧前懸架與轉向系布置示意圖。板簧的固定吊耳在前軸前方，活動吊耳裝在前軸的后方，前軸和轉向節臂等固定于板簧上，隨板簧一起運動，轉向器固定于車架并在前軸前方，通過轉向直拉桿與轉向節相連。

圖1 2雙前橋轉向系統與懸架跳動干涉校核圖

當板簧變形時，車輪相對于車架有上下方向的運動，轉向節臂上的球銷C點作為前軸上一點繞O2點擺動,其運動軌跡為，但C點又與轉向直拉桿相連。C點將繞轉向器搖臂下端球銷點O1擺動，運動軌跡為。實際上，C點不可能同時滿足這兩個運動要求，于是轉向節即車輪相對主銷(圖中未示出)發生轉動，以滿足C點沿aa軌跡的運動，這種運動關系的不協調，導致輪胎在行駛中經常因轉動而發生磨損，甚至會因此造成整車共振或制動發擺的故障。

對于此類問題，首先需要從設計上進行改進，如調整轉向垂臂的安裝點或調整板簧的安裝位置及高度等相關參數，售后不建議進行改裝。

4 結束語

從本文所定義的“內因”與“外因”進行分析，讀者可以看出，雙前橋轉向汽車輪胎異常磨損的“外因”部分，大部分都有改善的方案，而“內因”部分是真正難以解決的，也是目前以及在未來研究中的重點。

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