駕駛苛刻度數(shù)在解決輪胎異常磨損中的應(yīng)用

趙 巖，韓衛(wèi)強(qiáng)，李海亮

0 引 言

隨著用戶對(duì)汽車駕乘體驗(yàn)舒適度要求不斷提升，汽車設(shè)計(jì)和制造技術(shù)也不斷更新迭代。輪胎作為汽車與地面接觸的唯一部件，是被高感知的具有品牌屬性的部件，具有傳遞能量、減緩沖擊等方面作用，影響整車的平順性和舒適性、經(jīng)濟(jì)性、制動(dòng)性及NVH（Noise、Vibration、Harshness，噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度）等性能[1]。為適應(yīng)“雙碳”目標(biāo)發(fā)展要求，汽車輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)設(shè)計(jì)得越來(lái)越低，但受“魔鬼三角”即輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)、耐磨性和抗?jié)窕阅苤萍s[2]，降低滾動(dòng)阻力系數(shù)會(huì)限制耐磨性、抗?jié)窕园l(fā)揮，增加輪胎異常磨損的可能性，使異常磨損問(wèn)題凸顯。

輪胎異常磨損現(xiàn)象各異，成因復(fù)雜，需有針對(duì)性地制定改善措施。本文利用DSN （Driving Severity Number，駕駛苛刻度數(shù)）排查分析輪胎異常磨損的原因，為整車耐久試驗(yàn)更加規(guī)范化開展提供數(shù)據(jù)支撐，豐富開發(fā)驗(yàn)證手段。

1 輪胎異常磨損

常見(jiàn)的輪胎異常磨損如圖1所示。

圖1 輪胎異常磨損

圖1（a）為前輪內(nèi)側(cè)、后輪外側(cè)偏磨情況，表現(xiàn)為胎肩處花紋溝深相對(duì)另一側(cè)低或胎體簾線露出等，輪胎偏磨多和四輪定位參數(shù)、懸架結(jié)構(gòu)、高速環(huán)道試驗(yàn)工況等相關(guān)；圖2（b）為輪胎中部磨損過(guò)快，表現(xiàn)為中部花紋主溝明顯比兩側(cè)淺，這與輪胎氣壓過(guò)高[3]、輪胎花紋及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等相關(guān)；圖1（c）為輪胎肩部偏磨，并伴隨橡膠開裂、脫皮掉塊等現(xiàn)象，這與駕駛工況及駕駛習(xí)慣相關(guān)。

圖2 右前輪胎磨損情況

受驅(qū)動(dòng)位置、軸荷分布及前輪頻繁轉(zhuǎn)向等因素影響，前、后輪胎的磨損速度不同，例如前置前驅(qū)車輛的前輪胎磨損速度明顯高于后輪胎。為延長(zhǎng)輪胎整體使用壽命，除定期修正車輛四輪定位參數(shù)、輪胎氣壓外，建議車輛使用過(guò)程中定期進(jìn)行輪胎換位[4]。

2 DSN

VEITH 根據(jù)輪胎磨損的影響因素及特性，提出駕駛苛刻度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[5]，包括測(cè)試橫向加速度的加速度計(jì)、車輪轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)數(shù)器和信號(hào)處理及顯示模組。系統(tǒng)輸出的指數(shù)即為DSN，用來(lái)表征車輛轉(zhuǎn)彎和縱向強(qiáng)度，可采用DSN 量化表示行駛路線-車輛-駕駛員系統(tǒng)對(duì)輪胎磨損的影響，但未考慮輪胎橡膠的實(shí)際耐磨性及路面情況，因此DSN是相對(duì)磨損參考指標(biāo)，不能計(jì)算絕對(duì)磨損或磨損率，通過(guò)DSN 可以橫向比較不同工況對(duì)輪胎磨損的影響，為快速解決異常磨損提供參考。

輪胎受到的縱向力和側(cè)向力均影響輪胎磨損，其中側(cè)向力影響更大，因?yàn)檩喬?cè)向剛度比縱向剛度低，容易因變形和受力不均而出現(xiàn)滑動(dòng)摩擦。DSN 由CSN（Cornering Severity Number，轉(zhuǎn)向苛刻度數(shù)）和BSN（Braking Severity Number，制動(dòng)苛刻度數(shù)）組成，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，側(cè)向力與縱向力的摩擦功為5∶1，即

式中：DSN為DSN；CSN為CSN；BSN為BSN；ayi為第i段行程平均側(cè)向加速度與重力加速度g的比值；axi為第i段行程平均縱向加速度與重力加速度g的比值；Fz為輪胎實(shí)際載荷，N；Fz,R為輪胎額定載荷，N；n為輪胎總轉(zhuǎn)數(shù)。

3 案例解析

3.1 故障現(xiàn)象

某SUV 在整車耐久試驗(yàn)中右前輪外側(cè)出現(xiàn)間斷性偏磨脫皮，同時(shí)花紋主溝存在若干裂紋，如圖2所示，故障里程出現(xiàn)在6 000～11 200 km，其余3 個(gè)輪位的輪胎胎肩均無(wú)脫皮、開裂問(wèn)題，其中左前輪胎磨損情況如圖3所示。

圖3 左前輪胎磨損情況

圖2（a）為右前輪胎胎肩間斷性脫皮前期表現(xiàn)，集中在胎肩花紋橫溝的同一側(cè)（接地旋轉(zhuǎn)時(shí)位于胎肩橫向花紋后側(cè)），且脫皮與輪胎中心面呈斜向擴(kuò)展趨勢(shì)；圖2（b）為輪胎胎肩局部脫皮表現(xiàn)，外側(cè)胎肩磨損脫皮嚴(yán)重，從輪胎主溝看，主溝1、2 的內(nèi)側(cè)磨損較為嚴(yán)重，呈現(xiàn)鋸齒狀，主溝外側(cè)肩部平整，磨損位置伴隨開裂，自外向內(nèi)，磨損開裂逐漸減輕；圖2（c）為輪胎異常磨損部位胎側(cè)磨損表現(xiàn)，表面呈斜向波浪狀紋理，說(shuō)明該部位與地面有斜向滑移摩擦，滑移方向與波浪紋垂直。對(duì)比圖3 左前輪胎，其胎肩磨損較快，但未出現(xiàn)脫皮、開裂問(wèn)題。

圖4為故障輪胎的花紋主溝深度值，最外側(cè)較最內(nèi)側(cè)減少1.1 mm，超過(guò)偏磨判定標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)值為1.0 mm），說(shuō)明存在外側(cè)偏磨現(xiàn)象，初步推斷輪胎發(fā)生了比較嚴(yán)重的側(cè)向滑移。

圖4 右前輪胎花紋主溝深度（周向6點(diǎn)平均值）

3.2 故障排查

按照人、機(jī)、料、法、環(huán)列出輪胎異常磨損的潛在原因，如圖5所示，進(jìn)行逐一分析：（1）駕駛員將連續(xù)彎道、方形轉(zhuǎn)彎簡(jiǎn)化為連續(xù)繞圓工況，部分路況速度偏高，加劇輪胎磨損；（2）定期監(jiān)測(cè)及調(diào)整胎壓，未發(fā)現(xiàn)異常，80%里程為1人載、20%里程為滿載均符合要求，兩次檢測(cè)四輪定位參數(shù)均合格，左右側(cè)軸距相當(dāng)，底盤其他部件無(wú)異常；（3）對(duì)故障輪胎生產(chǎn)過(guò)程、斷面結(jié)構(gòu)及尺寸、硫化過(guò)程及胎面膠物性進(jìn)行排查和檢測(cè)，未見(jiàn)異常；（4）高環(huán)、連續(xù)彎道等工況加劇外側(cè)磨損，故障車為中改車型，定位參數(shù)已經(jīng)過(guò)多輪驗(yàn)證，設(shè)計(jì)合理；（5）試驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)氣溫異常情況。

圖5 右前輪胎異常磨損故障排查

初步確定整車試驗(yàn)工況加速輪胎磨損，胎肩脫皮、開裂受駕駛員駕駛習(xí)慣影響較大，但仍未找到對(duì)右前輪胎開裂、脫皮的合理解釋。

3.3 DSN測(cè)試

對(duì)故障車安裝DSN 檢測(cè)設(shè)備，如圖6 所示，監(jiān)測(cè)整車各工況DSN，整車為半載狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 綜合耐久試驗(yàn)DSN測(cè)試

圖6 駕駛苛刻度系統(tǒng)安裝

由表1 可知，DSN 在不同工況下取值變化大，其中連續(xù)彎道和方形轉(zhuǎn)彎工況下的取值較大，說(shuō)明此時(shí)輪胎磨損最為嚴(yán)重。

圖7為高速環(huán)道工況下試驗(yàn)車輛的加速度及分布。

圖7 高速環(huán)道工況加速度及分布

由圖7（a）可知，高速環(huán)道工況下加速度絕對(duì)值均不超過(guò)0.2g，受試驗(yàn)場(chǎng)路線限制，圖7（b）中右轉(zhuǎn)工況（側(cè)向加速度為負(fù)）出現(xiàn)比例明顯高于左轉(zhuǎn)工況（側(cè)向加速度為正）。

圖8為城市路模擬工況下試驗(yàn)車輛的加速度及分布。

圖8 城市路模擬工況加速度及分布

由圖8（a）可知，城市路工況下最大縱向加速度的絕對(duì)值為0.6g，最大側(cè)向加速度的絕對(duì)值為0.82g，圖8（b）中驅(qū)動(dòng)工況（縱向加速度為正）出現(xiàn)比例低于制動(dòng)工況（縱向加速度為負(fù)），左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)分布比例相當(dāng)。

圖9 為方形轉(zhuǎn)彎工況下試驗(yàn)車輛的加速度及分布。

圖9 方形轉(zhuǎn)彎工況加速度及分布

由圖9（a）可知，方形轉(zhuǎn)彎工況下車輛側(cè)向加速度的絕對(duì)值較大，最大值為0.78g，圖9（b）中左轉(zhuǎn)工況出現(xiàn)比例高于右轉(zhuǎn)工況，其中具有較大加速度絕對(duì)值的左轉(zhuǎn)制動(dòng)工況（側(cè)向加速度＞0.10g，縱向加速度＜-0.06g）出現(xiàn)比例最高，為41%。

圖10為組合路工況下試驗(yàn)車輛的加速度及分布。

圖10 組合路工況加速度及分布

由圖10（a）可知，組合路工況下加速度絕對(duì)值均不超過(guò)0.2g，受試驗(yàn)場(chǎng)路線限制，圖10（b）中右轉(zhuǎn)工況出現(xiàn)比例明顯高于左轉(zhuǎn)工況。

圖11為連續(xù)彎道工況下試驗(yàn)車輛的加速度及分布。

圖11 連續(xù)彎道工況加速度及分布

由圖11（a）可知，連續(xù)彎道工況下車輛側(cè)向加速度的絕對(duì)值較大，圖11（b）中左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)分布比例相當(dāng)，其中具有較大加速度絕對(duì)值的左轉(zhuǎn)制動(dòng)工況出現(xiàn)比例最高，為26%。

綜上，方形轉(zhuǎn)彎工況和連續(xù)轉(zhuǎn)彎工況的加速度絕對(duì)值較大，與表1中相同工況下具有高DSN值的結(jié)果匹配，且左轉(zhuǎn)制動(dòng)工況占比相對(duì)較高。對(duì)比整車試驗(yàn)規(guī)范，發(fā)現(xiàn)3方面問(wèn)題：（1）組合路工況的試驗(yàn)車速略高于規(guī)范要求；（2）試驗(yàn)取消了連續(xù)彎道工況的直行段，成為完全繞圓試驗(yàn)，平均車速為26.3 km/h，超出規(guī)范值8 km/h兩倍多；（3）方形轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)與連續(xù)彎道試驗(yàn)被試驗(yàn)駕駛員主觀更改為繞圓試驗(yàn)，并在同一場(chǎng)地連續(xù)完成，車輛受慣性影響，在離心力作用下發(fā)生側(cè)滑，輪胎外側(cè)持續(xù)保持較高壓力，且兩種工況下左轉(zhuǎn)工況較右轉(zhuǎn)工況多，左轉(zhuǎn)制動(dòng)較右轉(zhuǎn)制動(dòng)加速度大，右前胎肩頻繁受壓并發(fā)生接觸摩擦，胎面磨到極限后露出基部膠，由于基部膠耐磨性較差，磨損速率較快，繼續(xù)行駛后產(chǎn)生脫皮、掉塊現(xiàn)象。

試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明駕駛員更傾向于進(jìn)行左轉(zhuǎn)繞圓駕駛，其可能原因?yàn)椋菏茈x心力作用，車輛左轉(zhuǎn)時(shí)左側(cè)抬升、右轉(zhuǎn)時(shí)左側(cè)下降，左轉(zhuǎn)時(shí)座椅對(duì)駕駛員的支撐作用比右轉(zhuǎn)時(shí)強(qiáng)，同時(shí)，相同車速及繞圓半徑下，左轉(zhuǎn)時(shí)駕駛員在內(nèi)側(cè)，其離心力較右轉(zhuǎn)時(shí)小，使駕駛員感覺(jué)更舒適，也在一定程度上促使左轉(zhuǎn)出現(xiàn)更高車速。

3.4 試驗(yàn)改進(jìn)

將DSN 測(cè)試結(jié)果反饋給試驗(yàn)駕駛員，要求加強(qiáng)培訓(xùn)并在后續(xù)整車試驗(yàn)中嚴(yán)格按照試驗(yàn)規(guī)范開展整車耐久驗(yàn)證。之后整車試驗(yàn)未再出現(xiàn)輪胎異常磨損、脫皮開裂現(xiàn)象。

通過(guò)DSN橫向?qū)Ρ饶軌蛄炕治鲚喬ギ惓Ｄp的出現(xiàn)工況及原因。結(jié)合整車開發(fā)實(shí)際與經(jīng)驗(yàn)，將輕度制動(dòng)0.35g所對(duì)應(yīng)的DSN值設(shè)置為參考標(biāo)準(zhǔn)，超過(guò)該值會(huì)使輪胎磨損加劇，嚴(yán)重時(shí)引起輪胎異常磨損。設(shè)置DSN標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，有助于規(guī)范和提醒試驗(yàn)駕駛員的駕駛行為，保證試驗(yàn)項(xiàng)目按要求完成。目前，DSN監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用較少，后續(xù)開發(fā)中需根據(jù)實(shí)際應(yīng)用、積累數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代優(yōu)化，進(jìn)一步豐富故障排查手段。

4 結(jié) 論

輪胎異常磨損是整車開發(fā)及日常使用中的常見(jiàn)故障，本文通過(guò)應(yīng)用DSN 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)查找試驗(yàn)車輛右前輪外側(cè)胎肩脫皮開裂等異常磨損的原因，發(fā)現(xiàn)部分試驗(yàn)工況可以加速輪胎磨損，駕駛習(xí)慣是導(dǎo)致輪胎脫皮開裂的直接原因。通過(guò)糾正試驗(yàn)員的駕駛習(xí)慣，可以有效控制輪胎異常磨損。

DSN監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有實(shí)用性強(qiáng)、效率高的特點(diǎn)，既可用于試驗(yàn)車輛，也可用于社會(huì)道路車輛，有助于提升開發(fā)工作效率，節(jié)省開發(fā)成本。今后將持續(xù)積累整車開發(fā)中DSN數(shù)據(jù)并迭代其應(yīng)用，為整車耐久試驗(yàn)進(jìn)一步規(guī)范化提供數(shù)據(jù)支撐，更好地指導(dǎo)整車試驗(yàn)及日常使用。