某越野車型更換大尺寸輪胎布置選型分析

李佳佳，趙德虎，方 波，安志亮 Li Jiajia，Zhao Dehu，F(xiàn)ang Bo，An Zhiliang

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某越野車型更換大尺寸輪胎布置選型分析

李佳佳，趙德虎，方 波，安志亮 Li Jiajia，Zhao Dehu，F(xiàn)ang Bo，An Zhiliang

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

在汽車總體設(shè)計中，輪胎是汽車的重要安全部件，輪胎的選型換型關(guān)系到汽車的動力性、經(jīng)濟性、操縱穩(wěn)定性、通過性、制動性、承載能力等。輪胎的性能不僅取決于輪胎本身，更取決于輪胎與汽車的匹配。目前，整車廠家對輪胎與汽車性能的匹配要求日益提高。通過對匹配輪胎的動態(tài)運動校核、整車布置、整車操穩(wěn)平順性、動力性和經(jīng)濟性的影響分析，進行某越野車型更換大尺寸輪胎的布置分析。通過整體布置分析、仿真計算和試驗驗證，完成了輪胎的換型，同時也細化和規(guī)范了輪胎布置設(shè)計流程，積累了一定的經(jīng)驗。

整車布置；輪胎；選型；CATIA

輪胎是汽車行駛系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部件之一，其選型換型直接影響整車的動力性、經(jīng)濟性、和可靠性等。隨著消費者對越野車需求以及認知的增加，對越野車舒適性、操控性及大氣、飽滿等造型元素的偏好也逐年增加。一般來說，在外徑相同的條件下，大尺寸輪胎的胎冠高度相對變小，輪胎的剛性會提高，從而車輛的穩(wěn)定性、過彎速度、制動效率等都隨之提高。而且，大尺寸輪胎選配的輪輞更大，使越野車外觀更加霸氣、飽滿。

為了滿足市場需求，豐富某越野車可選輪胎配置方案，通過對匹配輪胎的動態(tài)運動校核、整車布置、整車操穩(wěn)平順性、動力性和經(jīng)濟性影響分析，進行了某越野車型更換大尺寸輪胎的布置選型分析。通過整體布置分析、仿真計算和試驗驗證，完成了輪胎的換型。

1 輪胎參數(shù)對比

越野車現(xiàn)匹配輪胎型號為265/75R16，經(jīng)過專業(yè)分析，給出兩款滿足該車型負荷能力的輪胎265/65R18和275/50R20[1]，基本參數(shù)對比見表1。

2 布置原則

選型1胎寬265 mm，與現(xiàn)匹配輪胎相同；選型2胎寬275 mm，較現(xiàn)匹配輪胎大10 mm，為保證匹配輪胎與周邊間隙（主要考慮車胎內(nèi)側(cè)）不至于過度變化，選型1輪輞偏距與現(xiàn)匹配輪胎一致為24.5 mm，選型2輪輞偏距為19.5 mm。

表1 輪胎參數(shù)對比[1] mm

3 對整車布置影響

3.1 動態(tài)分析校核

（1）懸架DMU動態(tài)模型建立。

越野車型前懸架采用雙叉臂扭桿簧獨立懸架，后懸架采用五連桿懸架。使用CATIA DMU Kinematics模塊建立前、后懸架DMU動態(tài)模型[2]，如圖1、圖2所示。前、后輪運動行程見表2。

表2 前、后輪運動行程

圖1 前懸架模型

圖2 后懸架模型

（2）運動校核關(guān)鍵點。

越野車輪胎在上下跳及轉(zhuǎn)向時，會與車架橫梁管、橫向穩(wěn)定桿、上控制臂、下控制臂、車架縱梁、前輪罩、后螺簧座、后輪罩間存在動態(tài)間隙過小的風險。運動校核關(guān)鍵點如圖3所示。

注：1-車架橫梁管；2-橫向穩(wěn)定桿；3-上控制臂；4-下控制臂；5-車架縱梁；6-前輪罩；7-后螺簧座；8-后輪罩。

（3）選型1輪胎動態(tài)分析校核。

將265/65R18型輪胎數(shù)據(jù)裝配到DMU動態(tài)模型中，如圖4所示，輪胎由下極限到上極限過程中，輪胎與輪罩的動態(tài)間隙減小，在上極限時達到最小間隙18.3 mm。

圖4 輪胎與輪罩間隙

同理，將輪胎與橫梁管、穩(wěn)定桿等間隙進行動態(tài)分析匯總，見表3。

（4）選型2輪胎動態(tài)分析校核。

同上，對選型2輪胎275/50R20進行動態(tài)分析匯總，見表4。

表3 選型1輪胎的動態(tài)間隙mm

表4 選型2輪胎的動態(tài)間隙mm

3.2 法規(guī)校核

由于輪胎尺寸增大，汽車前、后護輪板（即輪罩）需要重新校核、匹配，依據(jù)GB 7063-2011《汽車護輪板》進行。校核位置如圖5、圖6所示。

圖5 校核位置

圖6 護輪板與輪胎寬度

原車護輪板（即輪罩）匹配選型輪胎后進行法規(guī)校核，分析匯總見表5。

3.3 對整車尺寸的影響

越野車的整車寬度在輪罩處，兩選型輪胎不影響整車寬度。選型1輪胎265/65R18胎寬與現(xiàn)有輪胎一致，輪距未發(fā)生變化；選型2輪胎275/50R20的輪距較現(xiàn)有輪胎增大10 mm。兩選型輪胎靜力半徑、外直徑相對現(xiàn)有輪胎發(fā)生了變化，接近角、縱向通過角、離去角及離地間隙需要重新分析[4]，見表6。

4 對整車性能影響

4.1 操縱穩(wěn)定性和平順性的影響分析

1）輪胎特性變化。

（1）輪胎胎冠高度變小，輪胎垂向剛度、側(cè)偏剛度變大；

（2）整車平順性能降低、轉(zhuǎn)向響應提高；

（3）輪胎變寬，接地面積變大，轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向盤力矩增加。

2）懸架特性變化。

（1）主銷偏移距變大；

（2）轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向盤力矩增加；

（3）壞路行駛轉(zhuǎn)向盤打手問題變明顯（高風險）；

（4）懸架彈簧杠桿比降低，會導致懸架垂向剛度降低[5]。

3）輪胎和懸架運動特性匹配。

（1）低扁平比輪胎與現(xiàn)有懸架匹配會引起輪胎接地性變化，導致在大側(cè)向加速度下，不足轉(zhuǎn)向（推頭）趨勢明顯；

（2）低扁平比寬輪胎，可能會引起輪胎異常磨損[5]。

對兩選型輪胎265/65/R18、275/50/R20主銷內(nèi)傾偏距隨輪跳的變化進行分析，如圖7所示；兩選型輪胎主銷偏距與其他幾款越野車的對比見表7。

表5 護輪板校核mm

表6 對整車尺寸的影響

表7 主銷偏距對比mm

表8 各類影響分析匯總

圖7 主銷內(nèi)傾偏距隨輪跳的變化

4.2 動力性和經(jīng)濟性的影響分析

兩選型輪胎相對現(xiàn)匹配輪胎，滾動半徑增大了5～10 mm（1.3%～2.6%），整車加速性能影響不大于2%，綜合油耗影響不大于1%，可以接受。

5 各類影響的分析匯總

綜上分析，可以看出：

1）選型2輪胎在全轉(zhuǎn)向+下跳極限工況時，與車架縱梁出現(xiàn)干涉；

2）選型2輪胎的主銷偏移距變化較大，轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向盤力矩增加，壞路上行駛轉(zhuǎn)向盤打手風險增加。

各影響的分析匯總見表8。因此，大尺寸輪胎配置可采用選型1 265/65R18輪胎。

6 試驗驗證及整改措施

6.1 試驗驗證

越野車匹配265/65R18輪胎后進行第1階段33 000 km可靠性試驗。在試驗中，前輪胎與輪罩內(nèi)襯板在強化路行駛中發(fā)生運動干涉，輪罩內(nèi)襯板表面有明顯輪胎剮蹭痕跡，故障等級為3級。其中1號試驗車故障里程16 838 km，5號試驗車故障里程17 072 km，8號試驗車故障里程16 838 km，6號試驗車故障里程16 949 km。故障路面均為強化路。

6.2 原因分析

通過魚骨圖分析排查，如圖8所示，發(fā)現(xiàn)主要原因為車身與車架之間懸置在極限工況下向產(chǎn)生較大位移，導致輪胎與輪罩內(nèi)襯板發(fā)生刮蹭。

6.3 整改措施

為確保輪胎包絡(luò)與前輪罩間隙，調(diào)整上跳限位支架，輪心上跳行程由原來的90 mm減小至85 mm，前輪罩與輪胎包絡(luò)設(shè)計間隙增加至左前為27 mm、右前為30 mm，避免發(fā)生刮蹭現(xiàn)象。調(diào)整數(shù)據(jù)見表9。

圖8 魚骨圖

表9 輪胎與輪罩間隙 mm

6.4 再次驗證

進行第2階段可靠性試驗，通過增加前輪罩與車身固定點、更改車身懸置剛度、在車架上平面增加限位塊、前懸架上跳行程減小至85 mm等優(yōu)化設(shè)計，保證了車身與車架的動態(tài)間隙。8臺試驗車經(jīng)過18 000 km（強化路12 000 km，越野路 6 000 km）的可靠性驗證，前輪與輪罩已無刮蹭。

7 結(jié) 論

綜合考慮汽車性能、國家標準符合性等要求，熟練運用CATIA軟件建立科學的布置分析模型，對某越野車型總布置中的輪胎換型進行分析設(shè)計，并對選型輪胎進行試驗驗證及問題整改。

同時，根據(jù)試驗驗證，對可靠性試驗中輪胎與擋泥板干涉區(qū)域及工況進行分析，重新梳理前期懸架DMU動態(tài)模型與輪胎動態(tài)校核方法，更新輪胎包絡(luò)與擋泥板預留間隙標準，為其他車型開發(fā)中輪胎換型工作提供了參考。

[1]轎車輪胎規(guī)格、尺寸、氣壓與負荷：GB/T 2978-2014 [S].

[2]劉宏新，宋微微，史玉紅. CATIA數(shù)字樣機運動仿真詳解[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[3]汽車護輪板：GB 7063-2011 [S].

[4]汽車和掛車的術(shù)語及其定義 車輛尺寸：GB /T 3730.3-1992 [S].

[5]余志生. 汽車理論[M]. 3版. 北京：機械工業(yè)出版社，2000.

2018-04-20

1002-4581（2018）04-0038-05

U463.341+.2

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10.14175/j.issn.1002-4581.2018.04.011