輪胎異常磨損的機理研究及優(yōu)化

司宗正　周寶　周純正　高云慶

摘 要：輪胎異常磨損對汽車的操縱穩(wěn)定性、行駛安全性不利，且會導致用車成本的明顯增加，是長期未徹底解決的行業(yè)難題之一。本文研究了汽車輪胎磨損的機理，以及與異常磨損相關的車輪定位參數(shù)運動學特性、外傾角與前束的匹配機理及原則、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阿克曼誤差等。提出了輪胎異常磨損問題的系統(tǒng)性解決思路，并通過理論分析和仿真計算制定可行的技術方案。結(jié)合改進前后的實車對比驗證，證明了研究結(jié)論對輪胎異常磨損的優(yōu)化效果，可以有效減少輪胎磨損。

關鍵詞：輪胎 異常磨損 操縱穩(wěn)定性 阿克曼誤差

1 前言

輪胎作為汽車底盤的核心部件之一，傳遞著車身與地面間的力和力矩。輪胎的重要作用決定了其不可不免地會磨損，但異常的、過快的磨損對輪胎的性能和壽命、整車操縱穩(wěn)定性都非常不利，本論文研究重點為輪胎的異常磨損。輪胎磨損不僅會對輪胎的使用性能造成影響，而且大大降低了輪胎的使用壽命和運輸經(jīng)濟性[1]。

輪胎磨耗是輪胎在周向和側(cè)向切線應力作用下與路面相互滑移摩擦，胎面橡膠表層受到機械應力、熱等因素綜合作用，發(fā)生分子鏈與交聯(lián)鍵破壞的復雜過程[2]。磨損量是評價輪胎耐磨程度的最核心指標，與輪胎耐久性密切相關。輪胎磨損現(xiàn)象非常復雜，受操作條件、環(huán)境因素、輪胎結(jié)構(gòu)和膠料性能等各種因素影響，磨損機理至今尚未完全探明，磨損預測更是難以實現(xiàn)[3]。

2 研究背景

某新車型的樣車在開發(fā)驗證過程中，前車輪出現(xiàn)了嚴重的輪胎異常磨損現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為前輪胎面的鋸齒狀磨損和外側(cè)胎肩磨損。

3 影響輪胎磨損的主要因素

輪胎與地面接觸的區(qū)域，分為附著區(qū)和滑移區(qū)。輪胎的側(cè)偏特性是輪胎的力學特性的一個重要部分[4]，附著區(qū)內(nèi)的胎面只發(fā)生包括側(cè)偏在內(nèi)的彈性變形，輪胎在附著區(qū)的變形進一步加劇，輪胎受到的縱向與側(cè)向的合力將超過地面最大附著摩擦力時，胎面開始進入滑移區(qū)。在滑移區(qū)的胎面將與地面發(fā)生滑動摩擦，輪胎磨損開始出現(xiàn)。

影響輪胎異常磨損的主要因素為：靜態(tài)車輪定位參數(shù)設定不合理、轉(zhuǎn)向及懸架運動學特性不合理、輪胎選型設計不當、車輛自身故障。輪胎磨損過程十分復雜，磨損往往是多種成因共同作用的結(jié)果。[5]

3.1 靜態(tài)車輪定位參數(shù)

車輪定位參數(shù)直接決定了車輪的姿態(tài)，對輪胎的磨損有直接的影響。靜態(tài)車輪定位的設定非常重要，決定了汽車在平直路面工況的輪胎磨損情況，定位參數(shù)中的外傾角、前束角、外傾角與前束角匹配對磨損的影響尤為關鍵。

3.1.1 外傾角設定

具有外傾角的車輪在滾動時將產(chǎn)生一定側(cè)傾力，外傾角越大產(chǎn)生的側(cè)向力也越大，輪胎側(cè)向變形加劇并逐步產(chǎn)生滑移。車輛靜態(tài)時外傾角一般不能超過1°，尤其是對于斷面尺寸較寬的輪胎，在適應不同排水坡度路面的前提下，外傾角原則上越小越好，一般設置為30′以內(nèi)，從而最大程度上減少輪胎異常磨損。若外傾角設定不當，將導致輪胎的單側(cè)偏磨，呈現(xiàn)出圓周均布的磨損印記。

3.1.2 前束設定

車輛前束角若設定不合理，將會使輪胎從內(nèi)側(cè)至外側(cè)產(chǎn)生明顯的鋸齒狀磨損，前束角導致的輪胎異常磨損比外傾角帶來的磨損要更加的嚴重。一般情況下，前束角結(jié)合輪胎力學特性、外傾角等因素綜合考慮。

3.1.3 外傾角與前束角匹配關系

若前輪前束和車輪外傾角匹配不當會出現(xiàn)車輪側(cè)滑，不僅會影響汽車行駛和操縱穩(wěn)定性，而且會加劇轉(zhuǎn)向機構(gòu)和轉(zhuǎn)向輪胎的磨損[6]。

外傾角使車輪有向外滾動的趨勢，輪胎產(chǎn)生一個向外的側(cè)向力。前束角使車輪有向內(nèi)滾動的趨勢，輪胎產(chǎn)生一個向內(nèi)的側(cè)向力。當外傾角和前束角匹配合理時，兩定位參數(shù)衍生出方向相反的輪胎側(cè)向力會相互抵消，此時車輪沒有橫向偏移量，該狀態(tài)下輪胎磨損最小。反之，輪胎滾動時將出現(xiàn)橫向的拖滑，輪胎的異常磨損會較大。

側(cè)滑量反映了外傾角與前束角匹配的合理性，隨著側(cè)滑量的增加，輪胎磨損量將急劇增加。為了使輪胎磨損量最小，外傾角和前束角需合理匹配。

3.2 轉(zhuǎn)向及懸架系統(tǒng)運動學特性

汽車行駛過程中，在路面激勵下，懸架或被拉伸或被壓縮，車輪定位參數(shù)動態(tài)變化，該變化對輪胎的胎面磨損有著重要的影響。

3.2.1 外傾變化特性

在懸架向上跳動的過程中，外傾角應有一定的負向變化的運動特性。反之，在懸架向下跳動的過程中，外傾角應具有向正值方向變化的趨勢。

3.2.2 前束變化特性

由于在懸架跳動時，懸架運動瞬心與轉(zhuǎn)向拉桿瞬心不重合，會影響跳動過程中前束角的變化趨勢與范圍[7]。前束角需與外傾角的運動特性相匹配，二者衍生的側(cè)向力應抵消。

3.2.3 輪距變化特性

懸架運動過程中的輪距變化越小越好，有利于抑制輪胎橫向異常磨損。運動過程中的接地點輪距變化量及趨勢，是控制輪胎異常磨損的重點。

3.2.4 轉(zhuǎn)向阿克曼誤差

若轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)硬點設定不合理，汽車轉(zhuǎn)向時，內(nèi)外側(cè)的車輪不可能完全處于純滾動狀態(tài)，會使輪胎發(fā)生拖滑和異常磨損。在車輛行駛工況中，轉(zhuǎn)向工況并不少，急轉(zhuǎn)向時前輪胎磨損量很大，相當于直行工況十幾小時的磨損量[8]。

通常用阿克曼誤差ackerman_error來衡量轉(zhuǎn)向梯形設計的合理性，阿克曼誤差是指轉(zhuǎn)向時內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角實際差值與內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角理想差值之間的誤差。阿克曼誤差會造成輪胎橫向拖滑，該誤差對輪胎異常磨損有較大的貢獻。

3.3 輪胎選型設計

若輪胎的型號、充氣壓力、花紋類型、輪輞剛度設計不當，將導致輪胎的異常磨損。

基于車輪的最大負荷、最高車速、常用工況等選擇合適的輪胎型號。

輪胎氣壓直接決定了輪胎的接地面積和均勻性，氣壓設定是否合理對輪胎異常磨損有較大的影響。胎壓過高導致輪胎接地面積減少，尤其是胎肩部分接地不良，胎面中央部位的壓強偏大，此區(qū)域磨損較快。反之，胎壓過低將造成輪胎中央部位與地面接觸不良且負荷較小，輪胎胎肩部位承載的負荷較大，易造成胎肩的過快異常磨損。

花紋對磨損量也有顯著影響，需結(jié)合不同使用場景選擇合適的輪胎花紋。為了改善輪胎的牽引性、散熱性、低噪聲和吸振性等綜合使用性能，胎面上必須有不同形狀和數(shù)目的溝槽，有代表性的花紋包括橫向花紋、縱向花紋和混合花紋等[9]。隨著胎面開槽量的增加，輪胎的耐磨性能會隨之下降。

輪輞剛度過低尤其是徑向剛度低時，在滿載和路面沖擊載荷激勵下，輪輞將發(fā)生彈性或塑性的變形，進而導致車輪總成失圓，出現(xiàn)輪胎異常磨損的問題。

3.4 車輛故障

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)拉桿的兩端通常使用剛性的球頭銷，確保轉(zhuǎn)向操控的精準性。懸架系統(tǒng)與車身的連接部位、制動系統(tǒng)轉(zhuǎn)向節(jié)與懸架桿系等連接部位，通常使用具有一定剛度的橡膠襯套，為柔性連接形式。若球頭銷松曠或橡膠襯套失效，將導致轉(zhuǎn)向和懸架桿系不能正常地約束車輪的姿態(tài)，引發(fā)輪胎的異常磨損。

車輪與制動器總成的動平衡等問題，導致車輪在轉(zhuǎn)動時徑向受力不均勻，致使輪胎呈現(xiàn)出波浪形的異常磨損現(xiàn)象。

4 方案制定與驗證

針對異常磨損車輛，開展了實車故障排查、理論計算、仿真摸底等工作，通過研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向和懸架相關性能需優(yōu)化。

（1）靜態(tài)車輪定位參數(shù)設定、懸架運動時的車輪定位參數(shù)變化特性不合理，小轉(zhuǎn)角至大轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)向阿克曼誤差較大，需優(yōu)化。

（2）輪胎選型、氣壓設定符合車輛滿載設計要求，不是輪胎異常磨損的原因。該車型輪胎滿載負荷率為80%，無風險。通過輪胎供應商的開展CAE仿真計算及實測，判定輪胎接地面積大小及載荷分布的均勻性，結(jié)論為氣壓和花紋設定合理。

（3）逐個排查轉(zhuǎn)向球頭銷及懸架橡膠襯套，未發(fā)現(xiàn)松曠或卡滯等異常現(xiàn)象。車輪的動平衡經(jīng)過復測，均正常且對比原狀態(tài)數(shù)值無明顯變化。

針對以上排查出的性能問題，開展進一步的研究和優(yōu)化改進。

4.1 靜態(tài)車輪定位參數(shù)優(yōu)化

結(jié)合系統(tǒng)剛性件的剛度分析，以及車輛靜載時懸架系統(tǒng)襯套的彈性變形量計算結(jié)果，將外傾角靜態(tài)值由1°優(yōu)化為10′，前束角靜態(tài)值隨之調(diào)整為5′，與外傾相匹配。

4.2 轉(zhuǎn)向及懸架系統(tǒng)運動學特性優(yōu)化

通過調(diào)整轉(zhuǎn)向及懸架系統(tǒng)的硬點坐標，優(yōu)化前束及外傾角的運動學特性并最大程度上減小阿克曼誤差。

4.2.1 外傾特性優(yōu)化

懸架運動過程中，外傾角運動學變化特性如圖1所示。紅色實線為原狀態(tài)外傾與懸架跳動行程關系曲線，藍色虛線為優(yōu)化后性能曲線。原狀態(tài)懸架下極限位置時外傾為1.531°，懸架上極限位置時為-0.373°，外傾角的變化范圍過大，對輪胎磨損非常不利，需優(yōu)化。

外傾角變化與接地點的輪距變化密切相關并直接影響到輪胎磨損量，因此優(yōu)化原則為盡可能控制外傾在懸架跳動過程中的變化量。優(yōu)化后，懸架下極限位置時外傾為-0.262°，懸架上極限位置時為-0.246°。

4.2.2 前束特性優(yōu)化

紅色實線為原狀態(tài)的前束與懸架跳動行程關系曲線，藍色虛線為優(yōu)化后的曲線，如圖2所示。原狀態(tài)前束在懸架下極限位置為-1.036°，懸架上極限位置時為0.666°，0～100mm行程區(qū)間斜率為0.007°/mm。此外，懸架上跳時車輪前束角變化趨勢為斜率較大的過度轉(zhuǎn)向，不利于輪胎磨損和行駛安全，需優(yōu)化。

通過優(yōu)化轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)外硬點坐標，改進后在懸架下極限位置時前束為-0.208°，懸架上極限位置時為-0.205°，0～100mm行程變化斜率為-0.0021°/mm。趨勢相對合理，上跳區(qū)間有合適的不足轉(zhuǎn)向度，且前束與外傾動態(tài)變化特性的定量匹配關系合理。

4.2.3 輪距變化特性優(yōu)化

如圖3曲線所示，原狀態(tài)的輪胎接地點的輪距變化量為-17.345mm～6.931mm，從懸架下極限至上極限位置的變化量為24.276mm。懸架跳動過程中的輪距變化過大，必然導致輪胎異常的快速磨損，需優(yōu)化。

優(yōu)化后接地點輪距變化-5.794mm～-4.963mm，極限變化量為5.794mm，優(yōu)化效果較理想。

4.2.4 轉(zhuǎn)向阿克曼誤差優(yōu)化

如圖4所示，紅色實線為原狀態(tài)的阿克曼誤差與車輪轉(zhuǎn)向角的關系曲線，藍色虛線為優(yōu)化后狀態(tài)。原狀態(tài)35°轉(zhuǎn)角時阿克曼誤差為3.087°，48°轉(zhuǎn)角時誤差為7.665°。此狀態(tài)誤差值過大，內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角的匹配關系較差，對控制輪胎的異常磨損非常不利，需要優(yōu)化。

通過調(diào)整轉(zhuǎn)向拉桿及懸架轉(zhuǎn)向節(jié)臂硬點以削減誤差，優(yōu)化后35°轉(zhuǎn)角時的阿克曼誤差值減小95.76%至0.131°，48°轉(zhuǎn)角時誤差減小67.18%至2.516°，有了顯著改進。

4.3 研究結(jié)論的有效性驗證

按照優(yōu)化后的技術方案制作了改進后的零部件，經(jīng)搭載實車對比驗證，證明了優(yōu)化方案有效。該車型批量上市后，對輪胎磨損情況開展了進一步的定期主動跟蹤，未再出現(xiàn)異常磨損的現(xiàn)象。改進效果符合預期，與理論研究結(jié)論一致。

5 結(jié)論

本文闡述了車輪定位參數(shù)靜態(tài)值、外傾及前束動態(tài)變化特性、阿克曼誤差、輪胎選型等因素對輪胎的磨損的影響。將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)同步綜合考慮，優(yōu)化后相關參數(shù)的特性得到了顯著改善，可從根本上控制輪胎的異常磨損，延長輪胎的使用壽命、提升行駛安全性。在新車型開發(fā)初期，通過對輪胎磨損開展系統(tǒng)性策劃、對關聯(lián)硬點設定及優(yōu)化，可有效控制后期輪胎的異常磨損發(fā)生。

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