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

1 前言

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，相当于直行工况十几小时的磨损量[8]。

通常用阿克曼误差ackerman_error来衡量转向梯形设计的合理性，阿克曼误差是指转向时内外轮转角实际差值与内外轮转角理想差值之间的误差。阿克曼误差会造成轮胎横向拖滑，该误差对轮胎异常磨损有较大的贡献。

3.3 轮胎选型设计

若轮胎的型号、充气压力、花纹类型、轮辋刚度设计不当，将导致轮胎的异常磨损。

基于车轮的最大负荷、最高车速、常用工况等选择合适的轮胎型号。

轮胎气压直接决定了轮胎的接地面积和均匀性，气压设定是否合理对轮胎异常磨损有较大的影响。胎压过高导致轮胎接地面积减少，尤其是胎肩部分接地不良，胎面中央部位的压强偏大，此区域磨损较快。反之，胎压过低将造成轮胎中央部位与地面接触不良且负荷较小，轮胎胎肩部位承载的负荷较大，易造成胎肩的过快异常磨损。

花纹对磨损量也有显著影响，需结合不同使用场景选择合适的轮胎花纹。为了改善轮胎的牵引性、散热性、低噪声和吸振性等综合使用性能，胎面上必须有不同形状和数目的沟槽，有代表性的花纹包括横向花纹、纵向花纹和混合花纹等[9]。随着胎面开槽量的增加，轮胎的耐磨性能会随之下降。

轮辋刚度过低尤其是径向刚度低时，在满载和路面冲击载荷激励下，轮辋将发生弹性或塑性的变形，进而导致车轮总成失圆，出现轮胎异常磨损的问题。

3.4 车辆故障

汽车转向系统拉杆的两端通常使用刚性的球头销，确保转向操控的精准性。悬架系统与车身的连接部位、制动系统转向节与悬架杆系等连接部位，通常使用具有一定刚度的橡胶衬套，为柔性连接形式。若球头销松旷或橡胶衬套失效，将导致转向和悬架杆系不能正常地约束车轮的姿态，引发轮胎的异常磨损。

车轮与制动器总成的动平衡等问题，导致车轮在转动时径向受力不均匀，致使轮胎呈现出波浪形的异常磨损现象。

4 方案制定与验证

针对异常磨损车辆，开展了实车故障排查、理论计算、仿真摸底等工作，通过研究发现转向和悬架相关性能需优化。

（1）静态车轮定位参数设定、悬架运动时的车轮定位参数变化特性不合理，小转角至大转角范围内的转向阿克曼误差较大，需优化。

（2）轮胎选型、气压设定符合车辆满载设计要求，不是轮胎异常磨损的原因。该车型轮胎满载负荷率为80%，无风险。通过轮胎供应商的开展CAE仿真计算及实测，判定轮胎接地面积大小及载荷分布的均匀性，结论为气压和花纹设定合理。

（3）逐个排查转向球头销及悬架橡胶衬套，未发现松旷或卡滞等异常现象。车轮的动平衡经过复测，均正常且对比原状态数值无明显变化。

针对以上排查出的性能问题，开展进一步的研究和优化改进。

4.1 静态车轮定位参数优化

结合系统刚性件的刚度分析，以及车辆静载时悬架系统衬套的弹性变形量计算结果，将外倾角静态值由1°优化为10′，前束角静态值随之调整为5′，与外倾相匹配。

4.2 转向及悬架系统运动学特性优化

通过调整转向及悬架系统的硬点坐标，优化前束及外倾角的运动学特性并最大程度上减小阿克曼误差。

4.2.1 外倾特性优化

悬架运动过程中，外倾角运动学变化特性如图1所示。红色实线为原状态外倾与悬架跳动行程关系曲线，蓝色虚线为优化后性能曲线。原状态悬架下极限位置时外倾为1.531°，悬架上极限位置时为-0.373°，外倾角的变化范围过大，对轮胎磨损非常不利，需优化。

外倾角变化与接地点的轮距变化密切相关并直接影响到轮胎磨损量，因此优化原则为尽可能控制外倾在悬架跳动过程中的变化量。优化后，悬架下极限位置时外倾为-0.262°，悬架上极限位置时为-0.246°。

4.2.2 前束特性优化

红色实线为原状态的前束与悬架跳动行程关系曲线，蓝色虚线为优化后的曲线，如图2所示。原状态前束在悬架下极限位置为-1.036°，悬架上极限位置时为0.666°，0～100mm行程区间斜率为0.007°/mm。此外，悬架上跳时车轮前束角变化趋势为斜率较大的过度转向，不利于轮胎磨损和行驶安全，需优化。

通过优化转向横拉杆内外硬点坐标，改进后在悬架下极限位置时前束为-0.208°，悬架上极限位置时为-0.205°，0～100mm行程变化斜率为-0.0021°/mm。趋势相对合理，上跳区间有合适的不足转向度，且前束与外倾动态变化特性的定量匹配关系合理。

4.2.3 轮距变化特性优化

如图3曲线所示，原状态的轮胎接地点的轮距变化量为-17.345mm～6.931mm，从悬架下极限至上极限位置的变化量为24.276mm。悬架跳动过程中的轮距变化过大，必然导致轮胎异常的快速磨损，需优化。

优化后接地点轮距变化-5.794mm～-4.963mm，极限變化量为5.794mm，优化效果较理想。

4.2.4 转向阿克曼误差优化

如图4所示，红色实线为原状态的阿克曼误差与车轮转向角的关系曲线，蓝色虚线为优化后状态。原状态35°转角时阿克曼误差为3.087°，48°转角时误差为7.665°。此状态误差值过大，内外轮转角的匹配关系较差，对控制轮胎的异常磨损非常不利，需要优化。

通过调整转向拉杆及悬架转向节臂硬点以削减误差，优化后35°转角时的阿克曼误差值减小95.76%至0.131°，48°转角时误差减小67.18%至2.516°，有了显著改进。

4.3 研究结论的有效性验证

按照优化后的技术方案制作了改进后的零部件，经搭载实车对比验证，证明了优化方案有效。该车型批量上市后，对轮胎磨损情况开展了进一步的定期主动跟踪，未再出现异常磨损的现象。改进效果符合预期，与理论研究结论一致。

5 结论

本文阐述了车轮定位参数静态值、外倾及前束动态变化特性、阿克曼误差、轮胎选型等因素对轮胎的磨损的影响。将转向系统与悬架系统同步综合考虑，优化后相关参数的特性得到了显著改善，可从根本上控制轮胎的异常磨损，延长轮胎的使用寿命、提升行驶安全性。在新车型开发初期，通过对轮胎磨损开展系统性策划、对关联硬点设定及优化，可有效控制后期轮胎的异常磨损发生。

参考文献：

[1]王成熹，姚振强，陈铭．汽车摩擦学[M]．上海：上海交通大学出版社，2002．

[2]庄继德.汽车轮胎学[M].北京：北京理工大学出版社，1996.

[3]彭旭东，谢友柏，郭孔辉.轮胎摩擦学的研究与发展[J].北京：中国机械工程，1999．

[4]余志生.汽车理论[M].5 版.北京：机械工业出版社，2010.5.

[5]彭旭东，郭孔辉，丁玉华等.轮胎磨损的影响因素.北京：橡胶工业，2003.

[6]靳晓雄等．轿车轮胎偏磨损机理及对策研究[R] .上海：同济大学振动与噪声研究所，2005．

[7]王宵锋．汽车底盘设计[M].北京：清华大学出版社，2010.

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

[9]庄继德.汽车轮胎学[M].北京：北京理工大学出版社，1996.