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）

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）

外傾角與前束值匹配關系對車輛輪胎磨損及高速直線行駛穩定性有很大影響。采用多項式逐步回歸方法分析車輛行駛里程與外傾角、前束值之間的函數關系，采用Adams/car建模分析車輪跳動對定位參數的影響并找出輪胎異常磨損的主要因素，運用雙滑板側滑試驗得出車輛側滑量最小時的前束值，并對外傾角和前束值進行了調整優化。

1 前言

汽車在平直公路上行駛時，外傾會使輪胎向外側偏移，前束會使輪胎向內側偏移。前束是為了克服外傾帶來的不利影響而設置的，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[1]分析了前輪在外傾和前束共同作用下的運動軌跡幾何關系，推導出了外傾角和前束值的匹配公式；文獻[2]根據輪胎內外側剛度匹配、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系式。

本文以某特定車型為研究對象，考慮隨里程數增加輪胎出現早期磨損的現象，利用Adams/car建立前懸架虛擬樣機，分析前輪定位參數隨車輪跳動的變化，并針對前束角和外傾角隨車輪跳動出現的不合理變化，通過雙滑板側滑試驗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 四輪定位參數變化數據分析

2.1 調查數據

某車型按照原廠定位參數進行調整后輪胎仍有異常磨損現象，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的增加車輪定位參數的改變趨勢。為了得到車輪定位參數與行駛里程之間的關系，從40輛被調查的同類型車輛中選取14輛剛做完定位參數檢測的車輛進行跟蹤調查，按照行駛里程間隔每增加1 000 km分類記錄，從2000～8000km進行整理，獲得前輪定位參數（總前束角、外傾角、主銷后傾角、主銷內傾角、退縮角）見表1。

表1 某車定位參數數據表

2.2 調查數據回歸分析

為了找到表1中車輪定位參數與行駛里程之間的關系，運用數理統計方法可以將具有明顯內在相關關系的變量組通過回歸擬合的辦法轉化為確定關系。DPS（Data Processing System）軟件具有強大的統計分析和數學模型模擬功能[3]。

對表1中前輪定位參數（5因素）應用DPS軟件、采用二次多項式逐步回歸分析法進行分析如式（1）所示，得到多元線性回歸方程如式（2）所示，統計分析結果如表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為主銷內傾角；X5為退縮角。

表2 統計分析結果

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個因素相互關系，故方程中不刪除X3因素。

查F分布分位數得：F0.10(7,6)=2.83,F0.05(7,6)=3.87,F0.01(7,6)=8.47。查相關系數臨界值表得：R0.10(7,6) =0.58221,R0.05(7,6)=0.66638,R0.01(7,6)=0.79768。對比表2統計分析結果可知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，車輪定位參數與行駛里程間隔有確定函數關系。

對式(2)所示的里程間隔回歸方程進行主效應分析，可以單獨分析每個定位參數隨里程數增加時的改變，設其中4個因素為固定0水平，可得另一因素與里程指標之間的關系如式(3)～式(7)所示：

根據式（3）～式（7）畫出前輪定位參數和里程之間的主效應曲線如圖1所示。

根據JJF1151-2006《車輪動平衡機校準規范》，X1的標準值為0°～0.2°，X2的標準值為-0.4°～0°，X3的標準值為1.5°～2.0°，X4的標準值為13.28°，X5的標準值為-0.5°～0.5°。

對應以上標準值查看相對應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，各定位參數超出標準值時行駛里程各不相同，其中，總前束在標準值0～0.2°之間對應的行駛里程為2 000～4 000 km；外傾角在標準值-0.4°～0°之間對應的行駛里程為2 400 km；當車輛行駛里程超過4 000 km時，總前束角和外傾角都超出了標準值，出現早期失準現象。

3 前束值與外傾角的匹配優化

根據樣車定位參數變化數據分析發現，隨著行駛里程的增加，前束和外傾角都不同程度超出了標準值，表明車輪外傾角與前束匹配不當，輪胎會出現異常磨損。車輛通過側滑板時側滑量越小外傾角與前束越匹配。為了獲得最佳匹配結果，通過雙滑板側滑試驗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向滑移和降低磨損。

本試驗采用試驗設備與儀器：CH-1.5側滑試驗臺，精度為±0.2 m/km；GCD-1外傾角水準儀，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。測試對應前束值分別為-3、1、3、5、7、9、11mm時的前輪側滑量，結果如表3所列。

表3 側滑量試驗結果（前輪外傾角γ=1°） mm

為了獲得合理的前束值，根據表3結果應用多項式回歸方法，對前輪側滑量試驗結果進行計算，先確定回歸模型，建立多項式回歸方程，進行顯著性檢驗，借助DPS軟件估測取值，得到側滑量與前束值的函數關系式為：

對式（8）求解，求得側滑量最小時（即γ=1°，S=0時）所對應的前束值，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，按照側滑量最小原則可以對汽車前束角和外傾角進行優化匹配，定位角優化調整后數值如表4所示。

表4 前輪定位參數標準值范圍優化對比

4 優化后仿真分析

采用ADAMS仿真軟件建立該車型的懸架系統，并對該懸架系統采用單輪激振方式進行運動學和動力學仿真分析，通過仿真車輪跳動對定位參數的影響來驗證雙滑板側滑試驗所得表4中優化后的前束、外傾角為最合理的匹配。

4.1 懸架系統仿真模型的建立

利用Adams/car的麥弗遜式懸架模板，通過修改其結構和硬點坐標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坐標確定位置，因此減振器和彈簧也可以通過修改硬點坐標來實現[5]，建立模型的流程如圖2所示。

轉向子系統模型、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 優化后仿真分析

根據雙滑板側滑試驗所得的優化匹配結果，對車輪定位角進行調整，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化前、后對輪胎磨損的影響。經懸架系統模型運動學仿真分析得到優化前、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，對車輪定位角優化前的前束角變化范圍為-0.9°～0.79°，變化范圍較大；依據雙滑板側滑試驗所得前束角和外傾角的匹配數據對車輪定位角進行優化后前束角隨車輪跳動變化范圍為-0.5°～0.41°，根據標準，車輪上、下跳動時前束角一般變化范圍為-0.5°～0.5°，可見，優化后前束角的變化范圍符合標準范圍。由于車輪跳動過程中前束變化會引起輪胎側偏并使其磨損加劇、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，對車輪定位角優化前的前束角變化范圍為-0.6°～0.9°，變化范圍較大；優化后的外傾角隨車輪跳動變化范圍為-0.38°～0.51°，根據標準，車輪上下跳動過程中外傾角變化范圍一般為1°以內，可見，優化后外傾角的變化范圍符合標準范圍。由于在汽車滿載工況下外傾角變化過大會導致輪胎磨損及產生過大熱量，嚴重時會造成輪胎損壞[6]，所以，對前束值與外傾角的匹配優化也有利于降低輪胎的異常磨損。

5 結束語

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

b. 采取樣車雙滑板側滑試驗可以得到不同前束值對應的側滑量，利用回歸計算可以得到最小側滑量對應的前束值。

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行優化匹配，根據優化匹配結果對前輪外傾角與前束進行調整，達到減少輪胎磨損的目的。

1 錢立軍,馬駿.基于胎體復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.拖拉機與農用運輸車,2006.33（3）:51～52.

3 唐啟義,馮明光.實用統計分析及其DPS數據數據處理系統.北京:科學出版社,2002.

4 宋作軍,王晶.前束角及前束值的換算及應用.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.車輛轉向輪前束和外傾角對輪胎磨耗的影響.延邊大學農學學報,2006，28（4）:298～300.

（責任編輯簾 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 側滑

U463.341

A

1000-3703（2015）04-0029-04