分析雙橫臂獨立懸架輪胎的壽命與輪距變化量關系

劉旭

【摘要】本文分析輪距變化引起輪胎磨損、操穩性變差的機理，提出解決措施。根據雙橫臂獨立懸架運動學和動力學結構，推導優化輪距提高輪胎使用壽命。

【關鍵詞】輪距變化 輪胎磨損

雙橫臂獨立懸架結構特點決定了車輪跳動時，車輪繞瞬時中心擺動，左右輪之間的距離會產生變化。輪距變化影響整車操縱穩定性，影響輪胎壽命，因此控制輪距的變化量和變化趨勢，是懸架設計的一個重要技術要求。

一、輪距變化對整車性能影響

（一）輪距變化造成輪胎異常磨損

路面不平或轉向，車輪產生相對于車身的上下跳動，懸架導向機構運動，引起輪胎的橫向滑移，輪距發生變化。

車輪上跳時，輪胎負荷增加，如果輪距變化量過大，引起滾動車輪的側偏，不僅產生側向力，還使直線行駛能力下降，滾動阻力增大，輪胎磨損加劇，輪胎壽命下降。

車輪下落時，因輪胎負荷減小，可以適當增加輪距變化量，提高整車橫向穩定性。

輪胎磨損后，降低了輪胎的特性，降低整車的操縱穩定。

（二）輪距變化產生側偏角，影響汽車的操縱穩定性如圖1所示，圖中點Cm為質心，點Pm為獨立懸架橫臂虛擬作用點，點Om為懸架側傾中心，點Cm與Om距離為側傾力臂。圖1（a）為懸架設計狀態的車身姿態圖，圖1（b）為轉彎工況下的車身姿態圖，圖1（c）為單輪過凸塊的車身姿態圖，分析懸架拉伸和壓縮行程的側傾運動。

圖1（b）所示，假設汽車右轉彎，產生側傾力綧MΦ，車身逆時針側傾轉動，左側懸架壓縮、右側懸架伸張，左車輪相對車身上跳（懸架壓縮）、右車輪相對車身下落（懸架拉伸）。

若左懸架輪距減小、右懸架輪距增大，則側傾中心偏移量e增大，加劇左懸架壓縮、右懸架拉伸，側傾力矩增加，車身側傾加大，駕駛員和乘客感到不穩定、不安全和不舒適，操縱穩定性變差。

（三）車輪變化量的推導

小型轎車輪胎的側向剛度約為100～200N/mm，最大軸荷約為1000～2000kg，因此在最大車輪跳動量下要保證輪胎側向變形在彈性變形范圍，否則輪胎屬于應力磨損。由于輪胎側向力磨損是縱向力磨損的3倍以上，考慮輪胎疲勞磨損，一般要求輪距變化量遠小于輪胎在最大側向力作用下的彈性變形量。

轎車的懸掛質量的側傾力臂如果設為400mm，當由于輪距變化引起的車身側傾角為1°時，輪距變化量在6mm以上。

根據以上輪距變化約束，以及綜合考慮輪距變化引起的外傾角變化、側傾中心變化、側向力增加、載荷重新分配、側傾轉向等性能影響，目前一般采用下面原則控制輪距變化量和變化趨勢。

車輪上跳時輪距應適當增加，但增加量不宜過大，一般說來，車輪跳動+50mm時，輪距增加量不超過5mm。

車輪下跳時輪距應適當減小，減小量可以適當大一些，一般說來，車輪下落-50mm，輪距減小量不超過5mm。

二、輪距變化產生的原理

由于載荷發生變化、路面不平引起垂向加速度、轉向引起車身側傾角等原因，車輪產生相對于車身的上下跳動量z，懸架導向機構運動跟隨運動，傳遞到輪胎產生輪距變化量y3，如2圖所示。

輪胎上下跳動時，上橫臂繞橫臂R1作近似圓弧運動，垂直跳動距離為z1；下橫臂繞橫臂R2作近似圓弧運動，垂直跳動距離為z2；輪胎接地點將產生繞側傾力臂R3作近似圓弧運動，垂直跳動距離為z。

上下橫臂的瞬時中心軌跡近似為：

式中

y1—上橫臂外點（近輪胎點）橫向變化量，mm；

y2—下橫臂外點（近輪胎點）橫向變化量，mm；

a—前視圖，上橫臂內外點垂向距離，mm；

b—前視圖，下橫臂內外點垂向距離，mm。

本文采用雙橫臂獨立懸架左邊后視圖描述雙橫臂獨立懸架的跳動原理，如圖2所示。

上下橫臂瞬時中心隨著車輪的跳動而跳動，橫臂導向機構因與車輪鉸鏈而產生推拉作用力，因此車輪的外傾角發生變化：

z1=z-dr

z2=z-3r

式中

d—上橫臂外點（近輪胎點）距輪心橫向距離，mm；

e—下橫臂外點（近輪胎點）距輪心橫向距離，mm；

r—外傾角變化量，°。

外傾角變化量近似為：

r=y1-y2（4）

如果側傾中心≠∞時，輪距變化量近似為：

y3=H/hy2-H-h/hy1（5）

式中

H—上橫臂外點（近輪胎點）距地面高度，mm；

e—上、下橫臂外點（近輪胎點）垂向距離，mm。

式（2）、（3）、（4）帶入式（5）簡化后得輪距變化的近似值

y3=Z2/2h[H/R2-H-h/R1]+z/h[Hb/R2-（H-h）α/R1]-zr/h[He/R2-（H-h）d/R1]-r/h[Hbe/R2-（H-h）αd/R1]（6）

三、優化輪距變化結果

以上下橫臂與車身的鉸接點的橫向和縱向坐標為優化函數，以輪距變化量為優化目標，進行優化。

PU—Y、Pu—Z參數為上橫臂與車身的鉸接點距車身對稱面距離、距輪心高度PL—Y、PL—Z參數為下橫臂與車身的鉸接點距車身對稱面距離、距輪心高度

曲線中ORG為原車狀態，A、B、C、D、E為五種優化方案，得到圖3的輪距變化量優化結果。

由曲線和表格可知，方案B輪距變化量最小，車輪上跳時輪距增加，車輪下跳時輪距減小，可以獲得比較理想的懸架性能。

四、應用案例

通過公式法驗證計算，上橫臂加長抬高、下橫臂加長下降有利于減小輪距變化，延長輪胎壽命。實車比較采用原車狀態和B方案的兩款前雙橫臂獨立懸架客車，采用原狀態客車1015萬公里更換一套輪胎，采用B方案客車20萬公里不需要更換輪胎。

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