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轮胎异常磨损的机理研究及优化

司宗正周宝周纯正高云庆

摘要：轮胎异常磨损对汽车的操纵稳定性、行驶安全性不利，且会导致用车成本的明显增加，是长期未彻底解决的行业难题之一。本文研究了汽车轮胎磨损的机理，以及与异常磨损相关的车轮定位参数运动学特性、外倾角与前束的匹配机理及原则、转向系统阿克曼误差等。提出了轮胎异常磨损问题的系统性解决思路，并通过理论分析和仿真计算制定可行的技术方案。结合改进前后的实车对比验证，证明了研究结论对轮胎异常磨损的优化效果，可以有效减少轮胎磨损。

关键词：轮胎异常磨损操纵稳定性阿克曼误差

轮胎作为汽车底盘的核心部件之一，传递着车身与地面间的力和力矩。轮胎的重要作用决定了其不可不免地会磨损，但异常的、过快的磨损对轮胎的性能和寿命、整车操纵稳定性都非常不利，本论文研究重点为轮胎的异常磨损。轮胎磨损不仅会对轮胎的使用性能造成影响，而且大大降低了轮胎的使用寿命和运输经济性[1]。

轮胎磨耗是轮胎在周向和侧向切线应力作用下与路面相互滑移摩擦，胎面橡胶表层受到机械应力、热等因素综合作用，发生分子链与交联键破坏的复杂过程[2]。磨损量是评价轮胎耐磨程度的最核心指标，与轮胎耐久性密切相关。轮胎磨损现象非常复杂，受操作条件、环境因素、轮胎结构和胶料性能等各种因素影响，磨损机理至今尚未完全探明，磨损预测更是难以实现[3]。

2研究背景

某新车型的样车在开发验证过程中，前车轮出现了严重的轮胎异常磨损现象，主要表现为前轮胎面的锯齿状磨损和外侧胎肩磨损。

3影响轮胎磨损的主要因素

轮胎与地面接触的区域，分为附着区和滑移区。轮胎的侧偏特性是轮胎的力学特性的一个重要部分[4]，附着区内的胎面只发生包括侧偏在内的弹性变形，轮胎在附着区的变形进一步加剧，轮胎受到的纵向与侧向的合力将超过地面最大附着摩擦力时，胎面开始进入滑移区。在滑移区的胎面将与地面发生滑动摩擦，轮胎磨损开始出现。

影响轮胎异常磨损的主要因素为：静态车轮定位参数设定不合理、转向及悬架运动学特性不合理、轮胎选型设计不当、车辆自身故障。轮胎磨损过程十分复杂，磨损往往是多种成因共同作用的结果。[5]

3.1静态车轮定位参数

车轮定位参数直接决定了车轮的姿态，对轮胎的磨损有直接的影响。静态车轮定位的设定非常重要，决定了汽车在平直路面工况的轮胎磨损情况，定位参数中的外倾角、前束角、外倾角与前束角匹配对磨损的影响尤为关键。

3.1.1外倾角设定

具有外倾角的车轮在滚动时将产生一定侧倾力，外倾角越大产生的侧向力也越大，轮胎侧向变形加剧并逐步产生滑移。车辆静态时外倾角一般不能超过1°，尤其是对于断面尺寸较宽的轮胎，在适应不同排水坡度路面的前提下，外倾角原则上越小越好，一般设置为30′以内，从而最大程度上减少轮胎异常磨损。若外倾角设定不当，将导致轮胎的单侧偏磨，呈现出圆周均布的磨损印记。

3.1.2前束设定

车辆前束角若设定不合理，将会使轮胎从内侧至外侧产生明显的锯齿状磨损，前束角导致的轮胎异常磨损比外倾角带来的磨损要更加的严重。一般情况下，前束角结合轮胎力学特性、外倾角等因素综合考虑。

3.1.3外倾角与前束角匹配关系

若前轮前束和车轮外倾角匹配不当会出现车轮侧滑，不仅会影响汽车行驶和操纵稳定性，而且会加剧转向机构和转向轮胎的磨损[6]。

外倾角使车轮有向外滚动的趋势，轮胎产生一个向外的侧向力。前束角使车轮有向内滚动的趋势，轮胎产生一个向内的侧向力。当外倾角和前束角匹配合理时，两定位参数衍生出方向相反的轮胎侧向力会相互抵消，此时车轮没有横向偏移量，該状态下轮胎磨损最小。反之，轮胎滚动时将出现横向的拖滑，轮胎的异常磨损会较大。

侧滑量反映了外倾角与前束角匹配的合理性，随着侧滑量的增加，轮胎磨损量将急剧增加。为了使轮胎磨损量最小，外倾角和前束角需合理匹配。

3.2转向及悬架系统运动学特性

汽车行驶过程中，在路面激励下，悬架或被拉伸或被压缩，车轮定位参数动态变化，该变化对轮胎的胎面磨损有着重要的影响。

3.2.1外倾变化特性

在悬架向上跳动的过程中，外倾角应有一定的负向变化的运动特性。反之，在悬架向下跳动的过程中，外倾角应具有向正值方向变化的趋势。

3.2.2前束变化特性

由于在悬架跳动时，悬架运动瞬心与转向拉杆瞬心不重合，会影响跳动过程中前束角的变化趋势与范围[7]。前束角需与外倾角的运动特性相匹配，二者衍生的侧向力应抵消。

3.2.3轮距变化特性

悬架运动过程中的轮距变化越小越好，有利于抑制轮胎横向异常磨损。运动过程中的接地点轮距变化量及趋势，是控制轮胎异常磨损的重点。

3.2.4转向阿克曼误差

若转向梯形结构硬点设定不合理，汽车转向时，内外侧的车轮不可能完全处于纯滚动状态，会使轮胎发生拖滑和异常磨损。在车辆行驶工况中，转向工况并不少，急转向时前轮胎磨损量很大