高環(huán)工況下整車耐久試驗中輪胎異常磨損分析

黃繼勇　吳文彬　邢東偉　王少文

摘要：在高環(huán)工況下進(jìn)行整車耐久試驗是各個車企的普遍做法，也是驗證整車及零部件性能的有效途徑。文章通過對車輛耐久試驗中的內(nèi)因及外因分析，得出高環(huán)工況行駛是輪胎異常磨損的真正原因，并通過對異常磨損輪胎的分析闡明了在高環(huán)工況整車耐久試驗中輪胎異常磨損不作為零件失效的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：輪胎磨損；高環(huán)工況；整車耐久試驗；異常磨損；零件失效 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U467 文章編號：1009-2374（2015）14-0107-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.14.053

1 概述

通過在高環(huán)工況下進(jìn)行整車耐久試驗是各個車企的普遍做法，也是驗證整車及零部件性能的一種有效途徑，但在此工況下試驗車經(jīng)常出現(xiàn)輪胎偏磨、多邊形磨損、根趾狀磨損現(xiàn)象，而相同的車輛，相同品牌的輪胎在其他路況如市區(qū)、市郊等進(jìn)行可靠性增長試驗時，輪胎磨損正常。因輪胎是汽車行駛過程中唯一與地面接觸的零件，其磨損程度不僅關(guān)系到輪胎的使用性能，如舒適性、噪音大小、平穩(wěn)性，更關(guān)系到汽車的行駛安全，故高環(huán)工況輪胎異常磨損引起試驗人員的極大抱怨，因此我們有必要分析查找引起輪胎異常磨損的真正原因。

2 現(xiàn)狀描述

某SUV車型共有八臺車進(jìn)行高環(huán)工況整車耐久試驗，每臺車更換新胎后行駛一段時間，后輪都出現(xiàn)了輪胎外側(cè)胎肩偏磨、多邊形磨損、根趾狀磨損現(xiàn)象，且隨著行駛里程的增加，磨損情況越來越嚴(yán)重。現(xiàn)選取其中一臺車進(jìn)行不同里程下輪胎磨損情況外觀記錄，如圖1所示：

通過圖1可看出，在車輛行駛到8300km的時候，輪胎外側(cè)已經(jīng)出現(xiàn)明顯胎肩偏磨、多邊形磨損、根趾狀磨損現(xiàn)象，在行駛到26802km的時候，外側(cè)胎肩已經(jīng)嚴(yán)重磨損，而內(nèi)側(cè)狀況良好。

3 問題分析

因每臺車輪胎都出現(xiàn)了異常磨損現(xiàn)象，有較強(qiáng)的一致性，故從輪胎、車輛及行駛工況三個方面分析輪胎異常磨損原因。

3.1 對輪胎進(jìn)行檢測

取磨損較嚴(yán)重的同一臺車的兩后輪輪胎針對輪胎膠料、制程偏差進(jìn)行分析，分析思路：基本磨耗形態(tài)分析，溝深測量；胎面膠料物性硬度是否異常；取樣：取內(nèi)/中間/外側(cè)式樣分析拉斷強(qiáng)度，拉斷伸長率，定伸強(qiáng)度測量；斷面：帶束層形態(tài)及落差分布是否異常。

3.1.1 斷面及取樣分析。

斷面切割：分析及量測輪胎材料分布。

胎面物性式樣：后輪外觀異常磨損發(fā)生部位明顯的位置，平行取內(nèi)側(cè)/中間/外側(cè)式樣進(jìn)行實驗室分析。

3.1.2 胎面硬度&溝深量測。分別對輪胎兩后輪按照下圖分布分析胎面硬度及溝深。

3.1.3 胎面物性分析。對異常磨耗輪胎取樣進(jìn)行物性分析，每條輪胎在三個位置取樣。

結(jié)論：右后、左后輪外側(cè)肩部溝深較淺所取式樣有一些偏差，不過總體分析胎胎面膠物性沒有異常情況發(fā)生。

通過以上對異常磨損輪胎膠料、制程偏差分析可以得出：（1）胎面各位置硬度正常，無變異；（2）拉斷強(qiáng)度/拉斷伸長率/定伸強(qiáng)度，考慮到磨耗造成的取樣誤差，三處位置胎面物性無變異；（3）斷面材料分布合理，帶束層平整、落差合乎基準(zhǔn)。即搭載輪胎質(zhì)量合格，非輪胎原因?qū)е碌哪途密囕v的異常磨損。

3.2 耐久車輛情況及行駛路況分析

因經(jīng)分析非輪胎質(zhì)量問題導(dǎo)致的輪胎異常磨損，故需繼續(xù)從耐久車輛情況及行駛路況分析其異常磨損原因：

3.2.1 車輛情況統(tǒng)計。根據(jù)規(guī)范對所有耐久試驗車每一萬公里進(jìn)行保養(yǎng)，統(tǒng)計其輪胎胎壓、車身姿態(tài)、四輪參數(shù)都在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，故車輛本身情況也非引起輪胎異常磨損的真正原因。

3.2.2 車輛行駛工況。車輛滿載，高環(huán)中道行駛，速度大概為150km/h，高環(huán)曲線半徑580m，總長度4.5km，最大傾斜角度44°。

第一，針對耐久車輛在高環(huán)行駛情況進(jìn)行力學(xué)分析，車輛行駛受力簡化力學(xué)模型如下：

圖4

根據(jù)力學(xué)公式分析車輛瞬時所受壓力：

N=F2+F3=GXcos44°+mXV2/R

式中：

N——車輛所受壓力

m——耐久車質(zhì)量

V——車輛行駛速度

R——高環(huán)曲線半徑

結(jié)計算得N≈4.6mg

即車輛在高環(huán)行駛時因離心力作用所受壓力為正常路面的4.6倍，耐久車輛輪胎在高強(qiáng)度負(fù)荷條件下行駛。另根據(jù)統(tǒng)計八臺耐久車四輪參數(shù)雖然合格，但后輪前束基本為正值。這樣在車輛行駛過程中，輪胎隨車輛前進(jìn)方向滾動，而因正前束的作用，輪胎時刻受到由外向內(nèi)的側(cè)向力的作用，導(dǎo)致輪胎有外側(cè)優(yōu)先磨損的趨勢。當(dāng)在市區(qū)、市郊等平整路面行駛時，因車輛所受載荷不大，且車速是因路況隨時變化的，正前束引起的側(cè)向力并不會引起輪胎的偏磨；但當(dāng)車輛在高環(huán)行駛時，其所受壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于車輛路面正常行駛所受壓力，且行駛速度快，速度較為穩(wěn)定，輪胎更易于磨損。這樣耐久試驗車經(jīng)過高負(fù)荷、長時間行駛最終導(dǎo)致輪胎外側(cè)磨損較快，發(fā)生偏磨現(xiàn)象。

第二，對于輪胎多邊形磨損，因輪胎在滾動過程中因前束及外傾存在側(cè)向力作用，這樣導(dǎo)致輪胎產(chǎn)生側(cè)向自激振動，而輪胎滾動產(chǎn)生的滾動頻率與輪胎的側(cè)向自激振動頻率近似成整數(shù)倍關(guān)系時，這樣輪胎每滾動一圈，某些區(qū)域受到固定的側(cè)向力，從而導(dǎo)致這些區(qū)域磨損較快，而其他區(qū)域磨損較慢，這樣經(jīng)過長時間行駛，導(dǎo)致輪胎周向多邊形的磨損的產(chǎn)生。

第三，對于輪胎根趾狀磨損分析：輪胎滾動時輪胎花紋接觸處地面如圖5所示：

圖5

當(dāng)輪胎花紋塊與地面接觸時，因地面對輪胎的摩擦力向后，即花紋塊受力方向從B到C、從D到E，因輪胎花紋塊為彈性體，在地面摩擦力的作用下，花紋塊由B到C、D到E發(fā)生彎曲變形，花紋塊膠料存在由前向后堆積的趨勢。這輪胎每轉(zhuǎn)動一周，周向花紋塊都會發(fā)生從前向后的彎曲變形，且耐久試驗車在高環(huán)行駛速度較快，速度也較穩(wěn)定，故經(jīng)過長時間行駛，輪胎花紋塊必然會出現(xiàn)A、C、E點高，B、D點低的斜面，即發(fā)生根趾狀磨損，如圖6所示：

圖6

4 結(jié)語

本文通過對高環(huán)工況下進(jìn)行整車耐久試驗中輪胎異常磨損的問題分析，得出如下結(jié)論：（1）高環(huán)工況下行駛是導(dǎo)致輪胎出現(xiàn)輪胎偏磨、多邊形磨損、根趾狀磨損異常磨損現(xiàn)象的真正原因；（2）通過對磨損后的輪胎進(jìn)行膠料、制程偏差分析，得出高環(huán)下輪胎異常磨損，非輪胎本身質(zhì)量問題，不作為零件失效的結(jié)論。

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作者簡介：黃繼勇，男，河北保定人，供職于長城汽車股份有限公司技術(shù)中心-河北省汽車工程技術(shù)研究中心，研究方向：機(jī)械設(shè)計及其自動化。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）