輪胎異常磨損的機理研究及優化

司宗正　周寶　周純正　高云慶

摘 要：輪胎異常磨損對汽車的操縱穩定性、行駛安全性不利，且會導致用車成本的明顯增加，是長期未徹底解決的行業難題之一。本文研究了汽車輪胎磨損的機理，以及與異常磨損相關的車輪定位參數運動學特性、外傾角與前束的匹配機理及原則、轉向系統阿克曼誤差等。提出了輪胎異常磨損問題的系統性解決思路，并通過理論分析和仿真計算制定可行的技術方案。結合改進前后的實車對比驗證，證明了研究結論對輪胎異常磨損的優化效果，可以有效減少輪胎磨損。

關鍵詞：輪胎 異常磨損 操縱穩定性 阿克曼誤差

1 前言

輪胎作為汽車底盤的核心部件之一，傳遞著車身與地面間的力和力矩。輪胎的重要作用決定了其不可不免地會磨損，但異常的、過快的磨損對輪胎的性能和壽命、整車操縱穩定性都非常不利，本論文研究重點為輪胎的異常磨損。輪胎磨損不僅會對輪胎的使用性能造成影響，而且大大降低了輪胎的使用壽命和運輸經濟性[1]。

輪胎磨耗是輪胎在周向和側向切線應力作用下與路面相互滑移摩擦，胎面橡膠表層受到機械應力、熱等因素綜合作用，發生分子鏈與交聯鍵破壞的復雜過程[2]。磨損量是評價輪胎耐磨程度的最核心指標，與輪胎耐久性密切相關。輪胎磨損現象非常復雜，受操作條件、環境因素、輪胎結構和膠料性能等各種因素影響，磨損機理至今尚未完全探明，磨損預測更是難以實現[3]。

2 研究背景

某新車型的樣車在開發驗證過程中，前車輪出現了嚴重的輪胎異常磨損現象，主要表現為前輪胎面的鋸齒狀磨損和外側胎肩磨損。

3 影響輪胎磨損的主要因素

輪胎與地面接觸的區域，分為附著區和滑移區。輪胎的側偏特性是輪胎的力學特性的一個重要部分[4]，附著區內的胎面只發生包括側偏在內的彈性變形，輪胎在附著區的變形進一步加劇，輪胎受到的縱向與側向的合力將超過地面最大附著摩擦力時，胎面開始進入滑移區。在滑移區的胎面將與地面發生滑動摩擦，輪胎磨損開始出現。

影響輪胎異常磨損的主要因素為：靜態車輪定位參數設定不合理、轉向及懸架運動學特性不合理、輪胎選型設計不當、車輛自身故障。輪胎磨損過程十分復雜，磨損往往是多種成因共同作用的結果。[5]

3.1 靜態車輪定位參數

車輪定位參數直接決定了車輪的姿態，對輪胎的磨損有直接的影響。靜態車輪定位的設定非常重要，決定了汽車在平直路面工況的輪胎磨損情況，定位參數中的外傾角、前束角、外傾角與前束角匹配對磨損的影響尤為關鍵。

3.1.1 外傾角設定

具有外傾角的車輪在滾動時將產生一定側傾力，外傾角越大產生的側向力也越大，輪胎側向變形加劇并逐步產生滑移。車輛靜態時外傾角一般不能超過1°，尤其是對于斷面尺寸較寬的輪胎，在適應不同排水坡度路面的前提下，外傾角原則上越小越好，一般設置為30′以內，從而最大程度上減少輪胎異常磨損。若外傾角設定不當，將導致輪胎的單側偏磨，呈現出圓周均布的磨損印記。

3.1.2 前束設定

車輛前束角若設定不合理，將會使輪胎從內側至外側產生明顯的鋸齒狀磨損，前束角導致的輪胎異常磨損比外傾角帶來的磨損要更加的嚴重。一般情況下，前束角結合輪胎力學特性、外傾角等因素綜合考慮。

3.1.3 外傾角與前束角匹配關系

若前輪前束和車輪外傾角匹配不當會出現車輪側滑，不僅會影響汽車行駛和操縱穩定性，而且會加劇轉向機構和轉向輪胎的磨損[6]。

外傾角使車輪有向外滾動的趨勢，輪胎產生一個向外的側向力。前束角使車輪有向內滾動的趨勢，輪胎產生一個向內的側向力。當外傾角和前束角匹配合理時，兩定位參數衍生出方向相反的輪胎側向力會相互抵消，此時車輪沒有橫向偏移量，該狀態下輪胎磨損最小。反之，輪胎滾動時將出現橫向的拖滑，輪胎的異常磨損會較大。

側滑量反映了外傾角與前束角匹配的合理性，隨著側滑量的增加，輪胎磨損量將急劇增加。為了使輪胎磨損量最小，外傾角和前束角需合理匹配。

3.2 轉向及懸架系統運動學特性

汽車行駛過程中，在路面激勵下，懸架或被拉伸或被壓縮，車輪定位參數動態變化，該變化對輪胎的胎面磨損有著重要的影響。

3.2.1 外傾變化特性

在懸架向上跳動的過程中，外傾角應有一定的負向變化的運動特性。反之，在懸架向下跳動的過程中，外傾角應具有向正值方向變化的趨勢。

3.2.2 前束變化特性

由于在懸架跳動時，懸架運動瞬心與轉向拉桿瞬心不重合，會影響跳動過程中前束角的變化趨勢與范圍[7]。前束角需與外傾角的運動特性相匹配，二者衍生的側向力應抵消。

3.2.3 輪距變化特性

懸架運動過程中的輪距變化越小越好，有利于抑制輪胎橫向異常磨損。運動過程中的接地點輪距變化量及趨勢，是控制輪胎異常磨損的重點。

3.2.4 轉向阿克曼誤差

若轉向梯形結構硬點設定不合理，汽車轉向時，內外側的車輪不可能完全處于純滾動狀態，會使輪胎發生拖滑和異常磨損。在車輛行駛工況中，轉向工況并不少，急轉向時前輪胎磨損量很大，相當于直行工況十幾小時的磨損量[8]。

通常用阿克曼誤差ackerman_error來衡量轉向梯形設計的合理性，阿克曼誤差是指轉向時內外輪轉角實際差值與內外輪轉角理想差值之間的誤差。阿克曼誤差會造成輪胎橫向拖滑，該誤差對輪胎異常磨損有較大的貢獻。

3.3 輪胎選型設計

若輪胎的型號、充氣壓力、花紋類型、輪輞剛度設計不當，將導致輪胎的異常磨損。

基于車輪的最大負荷、最高車速、常用工況等選擇合適的輪胎型號。

輪胎氣壓直接決定了輪胎的接地面積和均勻性，氣壓設定是否合理對輪胎異常磨損有較大的影響。胎壓過高導致輪胎接地面積減少，尤其是胎肩部分接地不良，胎面中央部位的壓強偏大，此區域磨損較快。反之，胎壓過低將造成輪胎中央部位與地面接觸不良且負荷較小，輪胎胎肩部位承載的負荷較大，易造成胎肩的過快異常磨損。

花紋對磨損量也有顯著影響，需結合不同使用場景選擇合適的輪胎花紋。為了改善輪胎的牽引性、散熱性、低噪聲和吸振性等綜合使用性能，胎面上必須有不同形狀和數目的溝槽，有代表性的花紋包括橫向花紋、縱向花紋和混合花紋等[9]。隨著胎面開槽量的增加，輪胎的耐磨性能會隨之下降。

輪輞剛度過低尤其是徑向剛度低時，在滿載和路面沖擊載荷激勵下，輪輞將發生彈性或塑性的變形，進而導致車輪總成失圓，出現輪胎異常磨損的問題。

3.4 車輛故障

汽車轉向系統拉桿的兩端通常使用剛性的球頭銷，確保轉向操控的精準性。懸架系統與車身的連接部位、制動系統轉向節與懸架桿系等連接部位，通常使用具有一定剛度的橡膠襯套，為柔性連接形式。若球頭銷松曠或橡膠襯套失效，將導致轉向和懸架桿系不能正常地約束車輪的姿態，引發輪胎的異常磨損。

車輪與制動器總成的動平衡等問題，導致車輪在轉動時徑向受力不均勻，致使輪胎呈現出波浪形的異常磨損現象。

4 方案制定與驗證

針對異常磨損車輛，開展了實車故障排查、理論計算、仿真摸底等工作，通過研究發現轉向和懸架相關性能需優化。

（1）靜態車輪定位參數設定、懸架運動時的車輪定位參數變化特性不合理，小轉角至大轉角范圍內的轉向阿克曼誤差較大，需優化。

（2）輪胎選型、氣壓設定符合車輛滿載設計要求，不是輪胎異常磨損的原因。該車型輪胎滿載負荷率為80%，無風險。通過輪胎供應商的開展CAE仿真計算及實測，判定輪胎接地面積大小及載荷分布的均勻性，結論為氣壓和花紋設定合理。

（3）逐個排查轉向球頭銷及懸架橡膠襯套，未發現松曠或卡滯等異常現象。車輪的動平衡經過復測，均正常且對比原狀態數值無明顯變化。

針對以上排查出的性能問題，開展進一步的研究和優化改進。

4.1 靜態車輪定位參數優化

結合系統剛性件的剛度分析，以及車輛靜載時懸架系統襯套的彈性變形量計算結果，將外傾角靜態值由1°優化為10′，前束角靜態值隨之調整為5′，與外傾相匹配。

4.2 轉向及懸架系統運動學特性優化

通過調整轉向及懸架系統的硬點坐標，優化前束及外傾角的運動學特性并最大程度上減小阿克曼誤差。

4.2.1 外傾特性優化

懸架運動過程中，外傾角運動學變化特性如圖1所示。紅色實線為原狀態外傾與懸架跳動行程關系曲線，藍色虛線為優化后性能曲線。原狀態懸架下極限位置時外傾為1.531°，懸架上極限位置時為-0.373°，外傾角的變化范圍過大，對輪胎磨損非常不利，需優化。

外傾角變化與接地點的輪距變化密切相關并直接影響到輪胎磨損量，因此優化原則為盡可能控制外傾在懸架跳動過程中的變化量。優化后，懸架下極限位置時外傾為-0.262°，懸架上極限位置時為-0.246°。

4.2.2 前束特性優化

紅色實線為原狀態的前束與懸架跳動行程關系曲線，藍色虛線為優化后的曲線，如圖2所示。原狀態前束在懸架下極限位置為-1.036°，懸架上極限位置時為0.666°，0～100mm行程區間斜率為0.007°/mm。此外，懸架上跳時車輪前束角變化趨勢為斜率較大的過度轉向，不利于輪胎磨損和行駛安全，需優化。

通過優化轉向橫拉桿內外硬點坐標，改進后在懸架下極限位置時前束為-0.208°，懸架上極限位置時為-0.205°，0～100mm行程變化斜率為-0.0021°/mm。趨勢相對合理，上跳區間有合適的不足轉向度，且前束與外傾動態變化特性的定量匹配關系合理。

4.2.3 輪距變化特性優化

如圖3曲線所示，原狀態的輪胎接地點的輪距變化量為-17.345mm～6.931mm，從懸架下極限至上極限位置的變化量為24.276mm。懸架跳動過程中的輪距變化過大，必然導致輪胎異常的快速磨損，需優化。

優化后接地點輪距變化-5.794mm～-4.963mm，極限變化量為5.794mm，優化效果較理想。

4.2.4 轉向阿克曼誤差優化

如圖4所示，紅色實線為原狀態的阿克曼誤差與車輪轉向角的關系曲線，藍色虛線為優化后狀態。原狀態35°轉角時阿克曼誤差為3.087°，48°轉角時誤差為7.665°。此狀態誤差值過大，內外輪轉角的匹配關系較差，對控制輪胎的異常磨損非常不利，需要優化。

通過調整轉向拉桿及懸架轉向節臂硬點以削減誤差，優化后35°轉角時的阿克曼誤差值減小95.76%至0.131°，48°轉角時誤差減小67.18%至2.516°，有了顯著改進。

4.3 研究結論的有效性驗證

按照優化后的技術方案制作了改進后的零部件，經搭載實車對比驗證，證明了優化方案有效。該車型批量上市后，對輪胎磨損情況開展了進一步的定期主動跟蹤，未再出現異常磨損的現象。改進效果符合預期，與理論研究結論一致。

5 結論

本文闡述了車輪定位參數靜態值、外傾及前束動態變化特性、阿克曼誤差、輪胎選型等因素對輪胎的磨損的影響。將轉向系統與懸架系統同步綜合考慮，優化后相關參數的特性得到了顯著改善，可從根本上控制輪胎的異常磨損，延長輪胎的使用壽命、提升行駛安全性。在新車型開發初期，通過對輪胎磨損開展系統性策劃、對關聯硬點設定及優化，可有效控制后期輪胎的異常磨損發生。

參考文獻：

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[4]余志生.汽車理論[M].5 版.北京：機械工業出版社，2010.5.

[5]彭旭東，郭孔輝，丁玉華等.輪胎磨損的影響因素.北京：橡膠工業，2003.

[6]靳曉雄等．轎車輪胎偏磨損機理及對策研究[R] .上海：同濟大學振動與噪聲研究所，2005．

[7]王宵鋒．汽車底盤設計[M].北京：清華大學出版社，2010.

[8]Gieck Jack. Ride on air：A history of air suspension.New York：SAE Inc，1999.

[9]莊繼德.汽車輪胎學[M].北京：北京理工大學出版社，1996.