整車強化耐久試驗中輪胎磨損的機理分析

邵文彬，許 生

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

引言

隨著汽車行業的不斷發展，人們在追求車輛性能的同時，對輪胎的使用壽命亦尤為關注，而麥弗遜式前獨立懸架在整車強化耐久路試過程中普遍出現輪胎內側磨損趨勢，導致輪胎使用壽命下降、舒適性、操控性降低，此現象使得多數汽車設計人員產生疑惑[1]。本文從輪胎產生異常磨損的影響因素出發，分析整車強化耐久試驗中輪胎磨損的機理，進而找出強化耐久工況下輪胎異常磨損的主要原因。

1 輪胎磨損現狀描述

某麥弗遜式前懸轎車在強化耐久工況驗證過程中，輪胎出現胎面內側磨損及胎肩趨勢，隨著里程的增加，磨損趨勢越來越大，且每臺車輪胎磨損現象相同。如圖1所示。

通過圖1可以看出，此輪胎內側磨損及胎肩較為明顯，以輪胎內外側溝槽深度來評價磨損情況，即A-B為內外側磨損差，通過測量4臺車耐久工況下3 000 km前輪外側、內側溝槽深度數據如表1所示，前輪均出現內側磨損現象，且偏磨量相當，平均為1.6 mm，已超出輪胎偏磨標準。

圖1 輪胎磨損現象

表1 耐久工況下的磨損數據

2 強化耐久工況說明

整車試驗場強化耐久工況較復雜，有石塊路、卵石路、緊急制動、循環轉向等，多達30多種路況，為簡化分析，現將該強化路況分為三大類：（1）沖擊工況：該路況在強化考核中占比大，為主要分析對象及對輪胎偏磨的主要影響因素，輪胎主要受垂向力作用；（2）轉向工況：輪胎主要受側向力作用以及垂向力作用；（3）緊急制動工況：輪胎主要受縱向力作用以及垂向力作用。此耐久路況，實車整備質量左、右輪載荷譜采集數據如圖2所示。

圖2 路譜采集

從該路譜可得出：車輛受垂向沖擊力占比較大，且在沖擊過程中單輪載荷平均增加約1倍，約為4 000 N，載荷譜中穿插轉向、制動工況，產生了載荷轉移，轉向工況單輪載荷轉移約為1 500 N。

3 輪胎異常磨損原因分析

造成輪胎異常磨損的主要理論因素有：（1）輪胎自身因素，包括接地壓力、胎面剛度、胎壓等；（2）車輛在行駛中因受沖擊工況導致四輪定位參數發生改變：1）零部件強度因素，即零部件強度不足，部件產生變形；2）螺栓鎖緊力不足，產生力矩衰減、滑移等；（3）懸架K&C特性及四輪定位基準值設定等[2]。

以下對輪胎自身因素、四輪定位的穩定性以及強化耐久工況的懸架K&C特性等主要影響因素展開分析，找出輪胎異常磨損的主要原因。

3.1 輪胎自身因素分析

對該批次生產的輪胎進行性能檢測，測試輪胎在不同胎壓、不同載荷下的接地壓力，如表2 所示。

表2 性能檢測表

從表2可以看出：試驗施加載荷相同，隨著胎壓增加，輪胎區塊平均接地壓力呈增大趨勢，試驗施加胎壓相同，輪胎區塊平均接地壓力呈增大趨勢，但在相同載荷及胎壓條件下，胎面的接地壓力相當，說明輪胎接地壓力、胎面剛度、胎壓等不是造成輪胎異常磨損的原因。

3.2 四輪定位的穩定性

因零部件設計強度、剛性及螺栓鎖緊力不足，導致路試后的四輪定位參數偏離了標準范圍值，進而引起輪胎產生異常磨損現象，現對此4臺車路試前后的四輪定位穩定性進行數據檢測，如表3所示。

表3 四輪定位穩定性數據表

從表3可以看出，4臺車在路試前后，前輪前束、外傾角變化量較小，前束最大變化量為2′，外傾角最大變化量為4′，四輪定位數據較為穩定，均為標準范圍內，說明四輪定位的穩定性差亦不是造成輪胎異常磨損的原因。

3.3 強化耐久工況的懸架K&C特性分析

車輛所設定的四輪定位為設計狀態下的參數，一般為整車整備狀態數值，該轎車前輪四輪定位參數設計值：前束角為3′，外傾角為10′，均為單側定位參數。而車輛在不同工況下行駛，受到垂向力、縱向力、側向力的作用，因懸架K&C特性的影響，使得四輪定位參數發生改變[3]，現針對上述分析的強化耐久工況及實車采集的載荷譜，結合懸架K&C特性分析，研究輪胎異常磨損現象。

3.3.1 垂向沖擊工況輪胎磨損趨勢

車輛在垂向沖擊工況下行駛，主要考慮輪心同向跳動對前束、外傾角變化量的影響，通過K&C特性的試驗結果分析，該車前輪前束、外傾角隨輪跳的變化量如圖3所示。

圖3 同向輪跳，前束、外傾角變化量

從圖3可得出，前束、外傾角隨輪心上跳均呈現負方向變化趨勢，經計算，前束隨輪跳的變化梯度為－4°/m，外傾角隨輪跳的變化梯度為－10.5°/m，整車在運動學設計中，前輪前束、外傾角隨輪胎上跳出現負前束變化，有利于不足轉向特性，符合整車運動學設計規律[4]。

根據上述計算的前束、外傾角變化梯度，結合實車載荷譜數據，該車在垂向沖擊工況，前輪單側增加載荷平均達到4 000 N，該車懸架剛度為24 N/mm，前減振器緩沖塊與缸筒間隙為20 mm，在此增加的載荷狀態下，緩沖塊已與缸筒發生接觸，起到限位作用，故在計算此工況下的輪心上跳量需同時考慮懸架剛度與緩沖塊剛度，因該車減振器與輪心位移傳遞比為0.97，可認為緩沖塊的壓縮高度與緩沖塊缸筒間隙之和為輪心跳動量，緩沖塊剛度測試曲線如圖4所示，輪心上跳量的計算公式如下所示：

圖4 緩沖塊剛度測試曲線

式中：F—車輛增加載荷；Ka—緩沖塊剛度；L1—緩沖塊壓縮量；Ks—懸架剛度。

根據公式（1）及緩沖剛度曲線，則可近似計算出，緩沖塊的壓縮量L1為45 mm，考慮緩沖塊與缸筒間隙，進一步可計算出輪心上跳量為65 mm，結合前束、外傾角變化梯度，可計算出前束角減小15.6′，外傾角減小41′，即車輛在垂向沖擊工況下，前束值為－12.6′，外傾角值為－31′。

從分析結果來看，在此工況下，車輛以較大的負前束及負外傾角行駛，兩者共同作用，從而導致輪胎出現內側磨損問題，加之載荷增加較大，進而加劇內側磨損趨勢。

3.3.2 轉向工況輪胎磨損趨勢

因轉向過程中，外側車輪上跳，導致外側車輪承受載荷較大，而內側車輪下跳，承受載荷小，對輪胎磨損貢獻量不大，現主要從外側輪胎磨損情況展開分析，轉向工況需考慮以下影響因素：（1）因載荷轉移引起的前束、外傾角變化；（2）側向力作用引起的前束、外傾角變化；（3）車身側傾引起的外傾角變化。

（1）因載荷轉移引起的前束、外傾角變化。

車輛在轉向沖擊工況下行駛，主要考慮車輪異向跳動對前束、外傾角的影響，根據K&C特性的分析結果，該車前束、外傾角隨輪跳的變化量如圖5所示。

圖5 異向輪跳，前束、外傾角變化量

從上圖中可計算出，前束隨輪跳的變化梯度為－5.7°/m，前輪外傾角隨輪心上跳變化梯度為－15°/m，結合上述載荷譜計算的轉向工況載荷轉移約為1 500 N，同理，可計算出外側車輪上跳量為45 mm，此工況下車輛的前束值減小15.4′，外傾角值減小40.5′。

（2）側向力作用引起的前束、外傾角變化。

側向力引起的前束、外傾角變化是由懸架及轉向系中存在彈性，在輪胎與路面之間的力以及由其產生的力矩的作用下產生的。以右轉向為例分析，實車單輪軸荷為4 000 N，因載荷轉移導致左側載荷增加約1 500 N，轉向速度為25 km/h，轉彎半徑為15 m，側向力計算公式如下所示：

式中：Fw—側向力；m1—實車單輪軸荷；m2—增加載荷；V—轉向速度；R—轉彎半徑。

根據公式（2）可計算出，該工況下，左側車輪側向力為1 768 N，根據K&C特性的結果分析，該車右轉前束、外傾角在側向力作用下的變化量如圖6所示。

圖6 側向力作用下，前束、外傾角變化量

從上圖中可計算出，前束在側向力作用下的變化梯度為－0.03°/kN，外傾角在側向力作用下的變化梯度為0.11°/kN，結合上述計算的側向力數值，可計算出此工況下車輛的前束值減小3.2′，外傾角值增大11.7′。

（3）車身側傾引起的外傾變化。

在轉向過程中，因車身受到離心力的作用而發生側傾，進而引起車輪相對于地面產生側傾。試驗測試該車在轉向速度為25 km/h，轉彎半徑為15 m時，車身側傾角為1.8°，通過K&C特性的分析，該車的側傾外傾系數曲線如圖7所示。

圖7 側傾外傾系數

從圖7可得出，該車的側傾外傾系數為0.84，進而可計算出，此轉向工況下外傾角增大90.7′。

根據上述轉向工況四輪定位的影響因素分析，可綜合計算該工況下前束、外傾角的數值如表4所示。

表4 前束、外傾角數值

在轉向工況下，外側車輪以前束－15.6′，外傾角71.9′的狀態行駛，負前束導致輪胎內側出現磨損現象，而如此大的正外傾在側向力作用下，會導致外側胎肩出現磨損趨勢。

3.3.3 制動工況輪胎磨損趨勢

車輛在制動工況下行駛，輪胎的磨損情況主要考慮因載荷轉移引起的輪心同向跳動以及縱向力對前束、外傾角變化量的影響。通過試驗測試，該工況下，單輪軸荷前移約為1 000 N，單輪縱向力約為1 500 N。

同理，根據3.3.1中計算的輪心同向跳動的K&C特性，在單輪軸荷前移約為1 000 N時，車輛前束值減小5.5′，外傾角減小14.5′。

通過K&C特性分析，該車制動工況前束、外傾角在縱向力作用下的變化量如圖8所示。

圖8 縱向力作用下，前束、外傾角變化量

從上圖中可計算出，前束在縱向力作用下的變化梯度為0.1°/kN，外傾角在縱向力作用下的變化梯度為－0.03°/kN，結合上述計算的縱向力數值，可計算出此工況下車輛的前束值增大9′，外傾角值減小2.7′。

在制動工況下，前輪以前束6.5′，外傾角－7.2′的狀態行駛，此參數狀態，對輪胎磨損的貢獻量較小，可忽略不計。

4 輪胎磨損專項驗證

為驗證以上分析因強化耐久工況引起的輪胎異常磨損現象的準確性，現選用4臺車對輪胎磨損情況進行專項驗證，四輪定位調整至設計值，行駛工況主要為城市道路、高速公路以及部分山路，通過30 000公里考核驗證，輪胎磨損情況如表5所示。

表5 輪胎磨損情況

從驗證結果可以看出，在其他因素不作調整的情況下，只改變行駛工況，輪胎內側偏磨量平均值由1.6 mm降為0.1 mm，且無胎肩磨損現象，進而證明了懸架K&C特性及四輪定位基準值設定的合理性，輪胎異常磨損的主要原因為強化耐久工況所致。

5 總結

本文對在強化耐久路面考核中前輪出現內側胎面磨損及外側胎肩磨損現象展開分析，得出以下結論：

（1）輪胎自身因素、四輪定位的穩定性不是造成輪胎異常磨損的主要原因。

（2）結合實車耐久工況載荷譜采集數據及懸架K&C特性展開分析，得出在垂向沖擊、轉向工況下，輪胎出現內側胎面磨損及外側胎肩磨損現象。

（3）通過常用駕駛工況對輪胎磨損專項驗證，輪胎無異常磨損現象。

綜上分析，得出前輪出現異常磨損的主要原因為強化耐久路工況所致，為同類車型強化耐久工況的輪胎磨損驗證提供理論依據及分析方法。