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(shù)中心，安徽 合肥 230601）

引言

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)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(guān)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(xiàn)輪胎內(nèi)側(cè)磨損趨勢，導致輪胎使用壽命下降、舒適性、操控性降低，此現(xiàn)象使得多數(shù)汽車設(shè)計人員產(chǎn)生疑惑[1]。本文從輪胎產(chǎn)生異常磨損的影響因素出發(fā)，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(xiàn)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(xiàn)胎面內(nèi)側(cè)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(xiàn)象相同。如圖1所示。

通過圖1可以看出，此輪胎內(nèi)側(cè)磨損及胎肩較為明顯，以輪胎內(nèi)外側(cè)溝槽深度來評價磨損情況，即A-B為內(nèi)外側(cè)磨損差，通過測量4臺車耐久工況下3 000 km前輪外側(cè)、內(nèi)側(cè)溝槽深度數(shù)據(jù)如表1所示，前輪均出現(xiàn)內(nèi)側(cè)磨損現(xiàn)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(xiàn)象

表1 耐久工況下的磨損數(shù)據(jù)

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(huán)轉(zhuǎn)向等，多達30多種路況，為簡化分析，現(xiàn)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(zhuǎn)向工況：輪胎主要受側(cè)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(zhì)量左、右輪載荷譜采集數(shù)據(jù)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(zhuǎn)向、制動工況，產(chǎn)生了載荷轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)向工況單輪載荷轉(zhuǎn)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(shù)發(fā)生改變：1）零部件強度因素，即零部件強度不足，部件產(chǎn)生變形；2）螺栓鎖緊力不足，產(chǎn)生力矩衰減、滑移等；（3）懸架K&C特性及四輪定位基準值設(shè)定等[2]。

以下對輪胎自身因素、四輪定位的穩(wěn)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(chǎn)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(qū)塊平均接地壓力呈增大趨勢，試驗施加胎壓相同，輪胎區(qū)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(wěn)定性

因零部件設(shè)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(shù)偏離了標準范圍值，進而引起輪胎產(chǎn)生異常磨損現(xiàn)象，現(xiàn)對此4臺車路試前后的四輪定位穩(wěn)定性進行數(shù)據(jù)檢測，如表3所示。

表3 四輪定位穩(wěn)定性數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，均為標準范圍內(nèi)，說明四輪定位的穩(wěn)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(shè)定的四輪定位為設(shè)計狀態(tài)下的參數(shù)，一般為整車整備狀態(tài)數(shù)值，該轎車前輪四輪定位參數(shù)設(shè)計值：前束角為3′，外傾角為10′，均為單側(cè)定位參數(shù)。而車輛在不同工況下行駛，受到垂向力、縱向力、側(cè)向力的作用，因懸架K&C特性的影響，使得四輪定位參數(shù)發(fā)生改變[3]，現(xiàn)針對上述分析的強化耐久工況及實車采集的載荷譜，結(jié)合懸架K&C特性分析，研究輪胎異常磨損現(xiàn)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(jié)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(xiàn)負方向變化趨勢，經(jīng)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(shè)計中，前輪前束、外傾角隨輪胎上跳出現(xiàn)負前束變化，有利于不足轉(zhuǎn)向特性，符合整車運動學設(shè)計規(guī)律[4]。

根據(jù)上述計算的前束、外傾角變化梯度，結(jié)合實車載荷譜數(shù)據(jù)，該車在垂向沖擊工況，前輪單側(cè)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(tài)下，緩沖塊已與缸筒發(fā)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(jù)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(jié)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(jié)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(xiàn)內(nèi)側(cè)磨損問題，加之載荷增加較大，進而加劇內(nèi)側(cè)磨損趨勢。

3.3.2 轉(zhuǎn)向工況輪胎磨損趨勢

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

（1）因載荷轉(zhuǎn)移引起的前束、外傾角變化。

車輛在轉(zhuǎn)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(jù)K&C特性的分析結(jié)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(jié)合上述載荷譜計算的轉(zhuǎn)向工況載荷轉(zhuǎn)移約為1 500 N，同理，可計算出外側(cè)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(cè)向力作用引起的前束、外傾角變化。

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

式中：Fw—側(cè)向力；m1—實車單輪軸荷；m2—增加載荷；V—轉(zhuǎn)向速度；R—轉(zhuǎn)彎半徑。

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

圖6 側(cè)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(cè)向力作用下的變化梯度為－0.03°/kN，外傾角在側(cè)向力作用下的變化梯度為0.11°/kN，結(jié)合上述計算的側(cè)向力數(shù)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(cè)傾引起的外傾變化。

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

圖7 側(cè)傾外傾系數(shù)

從圖7可得出，該車的側(cè)傾外傾系數(shù)為0.84，進而可計算出，此轉(zhuǎn)向工況下外傾角增大90.7′。

根據(jù)上述轉(zhuǎn)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(shù)值如表4所示。

表4 前束、外傾角數(shù)值

在轉(zhuǎn)向工況下，外側(cè)車輪以前束－15.6′，外傾角71.9′的狀態(tài)行駛，負前束導致輪胎內(nèi)側(cè)出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，而如此大的正外傾在側(cè)向力作用下，會導致外側(cè)胎肩出現(xiàn)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(zhuǎn)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(jù)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(jié)合上述計算的縱向力數(shù)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(tài)行駛，此參數(shù)狀態(tài)，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(xiàn)象的準確性，現(xiàn)選用4臺車對輪胎磨損情況進行專項驗證，四輪定位調(diào)整至設(shè)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(jié)果可以看出，在其他因素不作調(diào)整的情況下，只改變行駛工況，輪胎內(nèi)側(cè)偏磨量平均值由1.6 mm降為0.1 mm，且無胎肩磨損現(xiàn)象，進而證明了懸架K&C特性及四輪定位基準值設(shè)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(jié)

本文對在強化耐久路面考核中前輪出現(xiàn)內(nèi)側(cè)胎面磨損及外側(cè)胎肩磨損現(xiàn)象展開分析，得出以下結(jié)論：

（1）輪胎自身因素、四輪定位的穩(wěn)定性不是造成輪胎異常磨損的主要原因。

（2）結(jié)合實車耐久工況載荷譜采集數(shù)據(jù)及懸架K&C特性展開分析，得出在垂向沖擊、轉(zhuǎn)向工況下，輪胎出現(xiàn)內(nèi)側(cè)胎面磨損及外側(cè)胎肩磨損現(xiàn)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(xiàn)象。

綜上分析，得出前輪出現(xiàn)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(jù)及分析方法。