基于輪胎磨損的外傾角與前束值匹配研究

宋年秀 樊攀 胡韶文 許津 劉鵬

（青島理工大學(xué)）

基于輪胎磨損的外傾角與前束值匹配研究

宋年秀 樊攀 胡韶文 許津 劉鵬

（青島理工大學(xué)）

外傾角與前束值匹配關(guān)系對車輛輪胎磨損及高速直線行駛穩(wěn)定性有很大影響。采用多項(xiàng)式逐步回歸方法分析車輛行駛里程與外傾角、前束值之間的函數(shù)關(guān)系，采用Adams/car建模分析車輪跳動對定位參數(shù)的影響并找出輪胎異常磨損的主要因素，運(yùn)用雙滑板側(cè)滑試驗(yàn)得出車輛側(cè)滑量最小時(shí)的前束值，并對外傾角和前束值進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化。

1 前言

汽車在平直公路上行駛時(shí)，外傾會使輪胎向外側(cè)偏移，前束會使輪胎向內(nèi)側(cè)偏移。前束是為了克服外傾帶來的不利影響而設(shè)置的，前束值與外傾角的合理匹配，可以保證車輛前輪的純滾動和正直行駛。文獻(xiàn)[1]分析了前輪在外傾和前束共同作用下的運(yùn)動軌跡幾何關(guān)系，推導(dǎo)出了外傾角和前束值的匹配公式；文獻(xiàn)[2]根據(jù)輪胎內(nèi)外側(cè)剛度匹配、輪胎無橫向滑移的最佳匹配和車輪接地印跡長度提出了3種外傾角與前束值的匹配關(guān)系式。

本文以某特定車型為研究對象，考慮隨里程數(shù)增加輪胎出現(xiàn)早期磨損的現(xiàn)象，利用Adams/car建立前懸架虛擬樣機(jī)，分析前輪定位參數(shù)隨車輪跳動的變化，并針對前束角和外傾角隨車輪跳動出現(xiàn)的不合理變化，通過雙滑板側(cè)滑試驗(yàn)得出該車型最合理的前束角和與其匹配的外傾角，為研究輪胎早期磨損問題提供理論參考。

2 四輪定位參數(shù)變化數(shù)據(jù)分析

2.1 調(diào)查數(shù)據(jù)

某車型按照原廠定位參數(shù)進(jìn)行調(diào)整后輪胎仍有異常磨損現(xiàn)象，為了研究其前束值和外傾角不合理匹配對輪胎造成的異常磨損，需要得知汽車在使用過程中隨里程數(shù)的增加車輪定位參數(shù)的改變趨勢。為了得到車輪定位參數(shù)與行駛里程之間的關(guān)系，從40輛被調(diào)查的同類型車輛中選取14輛剛做完定位參數(shù)檢測的車輛進(jìn)行跟蹤調(diào)查，按照行駛里程間隔每增加1 000 km分類記錄，從2000～8000km進(jìn)行整理，獲得前輪定位參數(shù)（總前束角、外傾角、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、退縮角）見表1。

表1 某車定位參數(shù)數(shù)據(jù)表

2.2 調(diào)查數(shù)據(jù)回歸分析

為了找到表1中車輪定位參數(shù)與行駛里程之間的關(guān)系，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法可以將具有明顯內(nèi)在相關(guān)關(guān)系的變量組通過回歸擬合的辦法轉(zhuǎn)化為確定關(guān)系。DPS（Data Processing System）軟件具有強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)學(xué)模型模擬功能[3]。

對表1中前輪定位參數(shù)（5因素）應(yīng)用DPS軟件、采用二次多項(xiàng)式逐步回歸分析法進(jìn)行分析如式（1）所示，得到多元線性回歸方程如式（2）所示，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表2所示。

式中，Y為行駛里程間隔；X1為總前束角；X2為外傾角；X3為主銷后傾角；X4為主銷內(nèi)傾角；X5為退縮角。

表2 統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

從表2中可知X3顯著水平P=0.8924，是回歸方程中最不顯著的因子，但因回歸方程是5個(gè)因素相互關(guān)系，故方程中不刪除X3因素。

查F分布分位數(shù)得：F0.10(7,6)=2.83,F0.05(7,6)=3.87,F0.01(7,6)=8.47。查相關(guān)系數(shù)臨界值表得：R0.10(7,6) =0.58221,R0.05(7,6)=0.66638,R0.01(7,6)=0.79768。對比表2統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知F=12.8022＞F0.01(7,6)=8.47，R0.10(7,6)=0.79768＜R=0.9681，可知里程間隔回歸方程高度顯著，車輪定位參數(shù)與行駛里程間隔有確定函數(shù)關(guān)系。

對式(2)所示的里程間隔回歸方程進(jìn)行主效應(yīng)分析，可以單獨(dú)分析每個(gè)定位參數(shù)隨里程數(shù)增加時(shí)的改變，設(shè)其中4個(gè)因素為固定0水平，可得另一因素與里程指標(biāo)之間的關(guān)系如式(3)～式(7)所示：

根據(jù)式（3）～式（7）畫出前輪定位參數(shù)和里程之間的主效應(yīng)曲線如圖1所示。

根據(jù)JJF1151-2006《車輪動平衡機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范》，X1的標(biāo)準(zhǔn)值為0°～0.2°，X2的標(biāo)準(zhǔn)值為-0.4°～0°，X3的標(biāo)準(zhǔn)值為1.5°～2.0°，X4的標(biāo)準(zhǔn)值為13.28°，X5的標(biāo)準(zhǔn)值為-0.5°～0.5°。

對應(yīng)以上標(biāo)準(zhǔn)值查看相對應(yīng)的行駛里程變化范圍，由圖1可知，按單因素影響來分析里程間隔變化時(shí)，各定位參數(shù)超出標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)行駛里程各不相同，其中，總前束在標(biāo)準(zhǔn)值0～0.2°之間對應(yīng)的行駛里程為2 000～4 000 km；外傾角在標(biāo)準(zhǔn)值-0.4°～0°之間對應(yīng)的行駛里程為2 400 km；當(dāng)車輛行駛里程超過4 000 km時(shí)，總前束角和外傾角都超出了標(biāo)準(zhǔn)值，出現(xiàn)早期失準(zhǔn)現(xiàn)象。

3 前束值與外傾角的匹配優(yōu)化

根據(jù)樣車定位參數(shù)變化數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，隨著行駛里程的增加，前束和外傾角都不同程度超出了標(biāo)準(zhǔn)值，表明車輪外傾角與前束匹配不當(dāng)，輪胎會出現(xiàn)異常磨損。車輛通過側(cè)滑板時(shí)側(cè)滑量越小外傾角與前束越匹配。為了獲得最佳匹配結(jié)果，通過雙滑板側(cè)滑試驗(yàn)可以得出該車型外傾角與前束值最合理的匹配，從而有效減少輪胎側(cè)向滑移和降低磨損。

本試驗(yàn)采用試驗(yàn)設(shè)備與儀器：CH-1.5側(cè)滑試驗(yàn)臺，精度為±0.2 m/km；GCD-1外傾角水準(zhǔn)儀，精度為± 0.05°；TG-3輪胎氣壓表，精度為0.015 MPa；ZCX-10汽車電子衡，精度為III級；65 kg沙袋，精度為±0.2 kg。測試對應(yīng)前束值分別為-3、1、3、5、7、9、11mm時(shí)的前輪側(cè)滑量，結(jié)果如表3所列。

表3 側(cè)滑量試驗(yàn)結(jié)果（前輪外傾角γ=1°） mm

為了獲得合理的前束值，根據(jù)表3結(jié)果應(yīng)用多項(xiàng)式回歸方法，對前輪側(cè)滑量試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，先確定回歸模型，建立多項(xiàng)式回歸方程，進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，借助DPS軟件估測取值，得到側(cè)滑量與前束值的函數(shù)關(guān)系式為：

對式（8）求解，求得側(cè)滑量最小時(shí)（即γ=1°，S=0時(shí)）所對應(yīng)的前束值，得到合理前束值T=1.9mm，由前束角與前束值的換算方法[4]得前束角β=10′。

通過雙滑板試驗(yàn)，按照側(cè)滑量最小原則可以對汽車前束角和外傾角進(jìn)行優(yōu)化匹配，定位角優(yōu)化調(diào)整后數(shù)值如表4所示。

表4 前輪定位參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值范圍優(yōu)化對比

4 優(yōu)化后仿真分析

采用ADAMS仿真軟件建立該車型的懸架系統(tǒng)，并對該懸架系統(tǒng)采用單輪激振方式進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真分析，通過仿真車輪跳動對定位參數(shù)的影響來驗(yàn)證雙滑板側(cè)滑試驗(yàn)所得表4中優(yōu)化后的前束、外傾角為最合理的匹配。

4.1 懸架系統(tǒng)仿真模型的建立

利用Adams/car的麥弗遜式懸架模板，通過修改其結(jié)構(gòu)和硬點(diǎn)坐標(biāo)以及通訊器來建立該車的前懸架模型。麥弗遜式懸架的減振器和彈簧通過硬點(diǎn)坐標(biāo)確定位置，因此減振器和彈簧也可以通過修改硬點(diǎn)坐標(biāo)來實(shí)現(xiàn)[5]，建立模型的流程如圖2所示。

轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)模型、麥佛遜懸架模型以及前懸架總成仿真模型如圖3～圖5所示。

4.2 優(yōu)化后仿真分析

根據(jù)雙滑板側(cè)滑試驗(yàn)所得的優(yōu)化匹配結(jié)果，對車輪定位角進(jìn)行調(diào)整，通過平行輪跳動工況測試外傾角和前束角隨車輪跳動的變化情況來分析外傾角和前束角優(yōu)化前、后對輪胎磨損的影響。經(jīng)懸架系統(tǒng)模型運(yùn)動學(xué)仿真分析得到優(yōu)化前、后前束角與外傾角隨車輪跳動的變化曲線如圖6、圖7所示。

由圖6仿真曲線可以看出，對車輪定位角優(yōu)化前的前束角變化范圍為-0.9°～0.79°，變化范圍較大；依據(jù)雙滑板側(cè)滑試驗(yàn)所得前束角和外傾角的匹配數(shù)據(jù)對車輪定位角進(jìn)行優(yōu)化后前束角隨車輪跳動變化范圍為-0.5°～0.41°，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，車輪上、下跳動時(shí)前束角一般變化范圍為-0.5°～0.5°，可見，優(yōu)化后前束角的變化范圍符合標(biāo)準(zhǔn)范圍。由于車輪跳動過程中前束變化會引起輪胎側(cè)偏并使其磨損加劇、滾動阻力增加及直線行駛能力下降[6]，所以，對前束值與外傾角的匹配優(yōu)化有利于降低輪胎的異常磨損。

由圖7仿真曲線可以看出，對車輪定位角優(yōu)化前的前束角變化范圍為-0.6°～0.9°，變化范圍較大；優(yōu)化后的外傾角隨車輪跳動變化范圍為-0.38°～0.51°，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，車輪上下跳動過程中外傾角變化范圍一般為1°以內(nèi)，可見，優(yōu)化后外傾角的變化范圍符合標(biāo)準(zhǔn)范圍。由于在汽車滿載工況下外傾角變化過大會導(dǎo)致輪胎磨損及產(chǎn)生過大熱量，嚴(yán)重時(shí)會造成輪胎損壞[6]，所以，對前束值與外傾角的匹配優(yōu)化也有利于降低輪胎的異常磨損。

5 結(jié)束語

a. 在研究前束值和外傾角匹配對輪胎異常磨損的影響時(shí)，采用多項(xiàng)式回歸方法可以定量分析行駛里程與車輪定位參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。

b. 采取樣車雙滑板側(cè)滑試驗(yàn)可以得到不同前束值對應(yīng)的側(cè)滑量，利用回歸計(jì)算可以得到最小側(cè)滑量對應(yīng)的前束值。

c. 采用本文分析方法可以對影響輪胎磨損的外傾角與前束值進(jìn)行優(yōu)化匹配，根據(jù)優(yōu)化匹配結(jié)果對前輪外傾角與前束進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到減少輪胎磨損的目的。

1 錢立軍,馬駿.基于胎體復(fù)雜變形的外傾角與前束值匹配研究.汽車工程,2014.36（3）:351～388.

2 馬文烈,等.車輪外傾角與前束合理匹配的研究.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2006.33（3）:51～52.

3 唐啟義,馮明光.實(shí)用統(tǒng)計(jì)分析及其DPS數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng).北京:科學(xué)出版社,2002.

4 宋作軍,王晶.前束角及前束值的換算及應(yīng)用.汽車維修, 2002，1（1）.

5 HEGAZY S,RAHNEJAT H,HUSSAIN K.Multy-body dy?namics in full vehicle handling analysis under transient ma?neuver.Vehicle System Dynamics,2000，34（1）:1～4.

6 孫吉樹.車輛轉(zhuǎn)向輪前束和外傾角對輪胎磨耗的影響.延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào),2006，28（4）:298～300.

（責(zé)任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2015年3月1日。

A Research on the Matching Between Camber Angle and Toe-in Angle Based on Tire Wear

Song Nianxiu,Fan Pan,Hu Shaowen,Xu Jin,Liu Peng
（Qingdao Technological University）

The matching relation between the camber angle and toe-in angle has a significant impact on tire wear and straight-line driving stability at high speeds.By using polynomial stepwise regression method,the paper analyzes the function relationship between the mileage and the camber angle or toe-in angle,and uses ADMAS/Car modeling to analyze the influence of tire runout on positional parameter and identify the main factors contributing the abnormal wear of tire.By using double skateboard sideslip test,we obtain the toe-in value at the minimum vehicle sideslip,meanwhile we also adjust and optimize the camber angle and toe-in angle.

Camber,Toe-in,Tire wear,Sideslip

外傾角 前束值 輪胎磨損 側(cè)滑

U463.341

A

1000-3703（2015）04-0029-04