程源

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展，雙前橋轉(zhuǎn)向汽車的應(yīng)用越來越普遍。但雙前橋轉(zhuǎn)向汽車在使用一段時(shí)間后，轉(zhuǎn)向輪不可避免會(huì)出現(xiàn)不同程度的異常磨損故障。

本文從雙前橋轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)原理出發(fā)，創(chuàng)造性的將其輪胎異常磨損的原因分為“輪胎異常磨損外因”和“輪胎異常磨損內(nèi)因”，并結(jié)合多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了改進(jìn)措施和探討方向。

1 輪胎異常磨損的外因探析

1.1 輪胎異常磨損外因定義

輪胎異常磨損外因指車輛可以通過調(diào)整裝配、簡(jiǎn)單更換或增加零部件、按車輛使用要求正常保養(yǎng)維修等方式將輪胎異常磨損問題解決或有所改善的輪胎異常磨損原因；后續(xù)簡(jiǎn)稱“外因”；

1.2 超載引起輪胎異常磨損

根據(jù)阿查德磨損定律，當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，磨損量與載荷成正比，載荷越大，輪胎與路面間的接觸壓力就越大，輪胎的磨損就越嚴(yán)重。但載荷對(duì)輪胎磨損的影響主要還不在于它使輪胎與路面間的接觸壓力增大，而在于它使輪胎在驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)及轉(zhuǎn)向時(shí)的切向力顯著增加，切向力是引起輪胎磨損的最主要因素。

圖1 輪胎壽命與負(fù)荷關(guān)系曲線圖

研究表明，切向力F和輪胎磨損率RW之間的關(guān)系可用下式表示

式中，

K為比例系數(shù),與輪胎的剛度成反比；

n為指數(shù)，當(dāng)F為橫向力轉(zhuǎn)向時(shí)n=2.3；

當(dāng)F為縱向力驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)時(shí)n=2.0。

由于輪胎的橫向剛度比其縱向剛度小,當(dāng)載荷大小一樣時(shí),橫向力產(chǎn)生的輪胎磨損約為縱向力的3倍,故減小轉(zhuǎn)向時(shí)的橫向力對(duì)減少輪胎磨損非常重要。

1.3 輪胎氣壓

輪胎氣壓過低時(shí)，胎體下沉量、徑向變形量、簾線伸張變形量增大，產(chǎn)生屈撓次數(shù)加劇，同時(shí)輪胎的接地面積也將增加，造成輪胎面不均勻磨損，出現(xiàn)胎肩磨損現(xiàn)象；輪胎氣壓過高時(shí)，輪胎接地面積減小，單位壓力增高，使輪胎面中部磨損增加，同時(shí)增大了輪胎剛性，使輪胎受到的動(dòng)載荷增加，容易產(chǎn)生胎體爆裂、脫層。故為防止輪胎異常磨損，應(yīng)嚴(yán)格掌握輪胎的充氣標(biāo)準(zhǔn)（如圖2、圖3所示）。

圖2 氣壓不合適造成輪胎磨損

圖3 輪胎壽命與氣壓關(guān)系圖

但新車送車時(shí)，由于車輛為二類底盤（及未配裝車廂）或空載狀態(tài)，車輛負(fù)荷低，如按照標(biāo)準(zhǔn)氣壓充氣，由于輪胎偏硬，車輛行駛時(shí)車輛的懸架系統(tǒng)容易出現(xiàn)大幅度跳動(dòng)的情況，對(duì)車輛狀況以及輪胎磨損造成一定的影響；我們進(jìn)行過專項(xiàng)的試驗(yàn)和跟蹤，分析結(jié)論為新車送車時(shí)，輪胎氣壓按輪胎額定氣壓的88%～93%進(jìn)行充氣，對(duì)新車車況維護(hù)（包括輪胎）都有較大改善。

1.4 前輪定位參數(shù)

在前輪定位的有關(guān)參數(shù)中，前輪外傾角和前束對(duì)輪胎磨損的影響最大。

由于主銷、前輪都有外傾角度（前輪外傾角，如圖4所示），這樣前輪就有一個(gè)向外拐的趨勢(shì)，也就是左側(cè)的前輪向左拐，右側(cè)的前輪向右拐，前輪又被安裝在車上，拐不了，因此造成輪胎的嚴(yán)重磨損。前束就是為了解決這個(gè)磨損問題的，將兩側(cè)的輪子向內(nèi)側(cè)撇一個(gè)角度（前束，如圖5所示），正好抵消主銷外傾造成的輪胎跑偏，使輪胎可以沿直線前進(jìn)，避免干磨的情況，從而達(dá)到了降低輪胎磨損的目的。

圖4 前輪外傾角

圖5 車輪前束

如圖6所示,當(dāng)前輪僅存在外傾角的作用時(shí),它以O(shè)為圓心,以R為半徑作圓周滾動(dòng)，△t時(shí)間后,輪胎中性線與地面的接觸點(diǎn)從M到M′；偏移量為Yy，(A為因外傾角作用引起的輪胎滾過的圓心角)

圖6 外傾角的作用輪胎偏移

圖7 前束的作用輪胎偏移

圖8 外傾角、前束共同的作用輪胎偏移

當(dāng)車輪在僅有前束的作用下，向斜前方作直線滾動(dòng)時(shí)，如圖7所示,△t時(shí)間后輪胎的中性線與地面的接觸點(diǎn)從M到M′,偏移量為YB，B為因前束作用而引起的輪胎的轉(zhuǎn)角。

式中，

r為輪胎滾動(dòng)半徑；

D為輪胎靜力半徑；

C為前輪前束；

Yymax、YBmax為側(cè)偏量最大值。

汽車在實(shí)際行駛中,前輪外傾角和前輪前束共同存在，共同起作用。因此，汽車的行駛方向應(yīng)是和兩方向的迭加，即，如圖8所示。

Yy、YB反映了汽車行駛中輪胎同時(shí)存在著兩個(gè)方向相反的側(cè)偏,表達(dá)了輪胎變形和側(cè)滑的程度,為了保證輪胎有最小的磨損,應(yīng)使

此時(shí)前輪外傾角與前束應(yīng)存在如下關(guān)系

當(dāng)Yymax-YBmax＞0時(shí)，

即外傾角起主要作用,輪胎與地面發(fā)生滑移或（滑移趨向）滑轉(zhuǎn)，行駛方向是一邊滾動(dòng)一邊滑移，即前輪輪胎將發(fā)生滑移—滑轉(zhuǎn)摩擦磨損。外傾角過大，將使輪胎胎肩外側(cè)磨損嚴(yán)重，如圖11所示。前輪前束越大，橫向滑移速度越大，輪胎的磨損越嚴(yán)重。前束失調(diào)產(chǎn)生羽片狀磨損，如圖9所示。

圖9 前束引起的輪胎磨損模式

在進(jìn)行底盤設(shè)計(jì)時(shí)，確定合理的前輪外傾角，及在使用過程中進(jìn)行合理的前束調(diào)整，是防止造成輪胎異常磨損的重要方法。

2 輪胎異常磨損的內(nèi)因探析

輪胎異常磨損內(nèi)因指由于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)限制、車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)不完善，或由于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)制造能力限制，不能滿足設(shè)計(jì)要求等原因造成輪胎存在異常磨損的情況，并且此類問題在車輛后續(xù)調(diào)整或維修保養(yǎng)過程中，難以有效解決的原因。為便于表述，簡(jiǎn)稱“內(nèi)因”。

2.1 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比

根據(jù)上述雙前橋轉(zhuǎn)向工作原理中的介紹，當(dāng)4個(gè)轉(zhuǎn)向輪滿足阿克曼原理時(shí)，即在轉(zhuǎn)向行駛過程中，都以純滾動(dòng)行駛的時(shí)候，輪胎磨損量是最小的。但是由于目前國(guó)內(nèi)的商用車采用的車橋都是機(jī)械式的，轉(zhuǎn)向梯形的聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)無法保證在整個(gè)轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)車輛都符合阿克曼轉(zhuǎn)角的理論要求。

因此，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比的過程中，必須根據(jù)車輛使用工況，在主要使用轉(zhuǎn)角區(qū)域設(shè)計(jì)傳動(dòng)比盡量滿足阿克曼轉(zhuǎn)角的技術(shù)條件。

2.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理

由于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)工藝水平局限，零部件存在不可避免制造誤差，而雙前橋車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是較多零部件聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)功能的，因此轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮將轉(zhuǎn)向連接桿、橫拉桿、直拉桿等聯(lián)動(dòng)零部件設(shè)計(jì)為長(zhǎng)度可調(diào)整結(jié)構(gòu)。拉桿結(jié)構(gòu)差異如圖10所示。

圖10 轉(zhuǎn)向拉桿結(jié)構(gòu)圖示

如采用不可調(diào)整的結(jié)構(gòu)，車輛因零部件制造誤差或裝配累積誤差，造成車輪因轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)調(diào)整或制造累計(jì)誤差與技術(shù)條件不符，從而使輪胎出現(xiàn)異常磨損時(shí)，將無法通過簡(jiǎn)單調(diào)整拉桿進(jìn)行修正處理。

2.3 制造工藝性較差造成產(chǎn)品與設(shè)計(jì)一致性差

我國(guó)工業(yè)發(fā)展相對(duì)歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家起步晚，同時(shí)由于各種因素的影響，先進(jìn)的生產(chǎn)工藝導(dǎo)入速度慢，故我國(guó)零部件生產(chǎn)與設(shè)計(jì)圖紙的一致性較差。

基于上述介紹，雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)屬于復(fù)雜的聯(lián)動(dòng)裝置，因此零部件因?yàn)榇嬖谏a(chǎn)誤差從而造成整車裝配的積累誤差，對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能有較大影響。

2.4 前后轉(zhuǎn)向軸安裝不平行的影響

汽車前、后轉(zhuǎn)向軸不平行度，實(shí)屬汽車存在左右軸距差。根據(jù)調(diào)查，目前國(guó)內(nèi)各商用車主機(jī)廠的產(chǎn)品，均存在因車架、懸架、車橋結(jié)構(gòu)或加工誤差，造成前后軸存在不平行的狀態(tài)（如圖11所示）。

對(duì)于雙前橋轉(zhuǎn)向車型，前后轉(zhuǎn)向軸存在不平行的情況時(shí)，在正常行駛（直線行駛）或轉(zhuǎn)向過程中，部分輪胎將不可避免地存在一定程度的滑動(dòng)摩擦情況，從而造成輪胎偏磨；根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，前后軸距差值在±15 mm以上時(shí)，將對(duì)車輪磨損產(chǎn)生重大影響。

圖1 1雙前橋汽車轉(zhuǎn)向橋不平行示意圖

目前主要的應(yīng)對(duì)措施如下：

（1）通過激光校對(duì)技術(shù)或機(jī)械校對(duì)技術(shù)，保證車輛在直行時(shí)前橋處于直線向前做純滾動(dòng)；

（2）在車輛下線時(shí)，測(cè)算在車輛重載時(shí)各輪胎存在的側(cè)偏力以及側(cè)偏角度，從而采用增加輪胎配重和預(yù)偏角度的方法，保證車輛在裝載行駛時(shí)各軸及輪胎處于最佳運(yùn)行狀態(tài)；

（3）通過人工方法簡(jiǎn)單調(diào)試。

2.5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與懸架的運(yùn)動(dòng)匹配不合理

在輪胎跳動(dòng)時(shí),若轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與懸架的運(yùn)動(dòng)關(guān)系不協(xié)調(diào)，將引起轉(zhuǎn)向車輪側(cè)傾而出現(xiàn)干涉。在汽車行駛時(shí)，這種干涉會(huì)引起前輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而一方面損害汽車的操縱性，另一方面引起輪胎的擺振，加劇輪胎的磨損。

圖12為一種縱置半橢圓鋼板彈簧前懸架與轉(zhuǎn)向系布置示意圖。板簧的固定吊耳在前軸前方，活動(dòng)吊耳裝在前軸的后方，前軸和轉(zhuǎn)向節(jié)臂等固定于板簧上，隨板簧一起運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向器固定于車架并在前軸前方，通過轉(zhuǎn)向直拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)相連。

圖1 2雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與懸架跳動(dòng)干涉校核圖

當(dāng)板簧變形時(shí)，車輪相對(duì)于車架有上下方向的運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向節(jié)臂上的球銷C點(diǎn)作為前軸上一點(diǎn)繞O2點(diǎn)擺動(dòng),其運(yùn)動(dòng)軌跡為，但C點(diǎn)又與轉(zhuǎn)向直拉桿相連。C點(diǎn)將繞轉(zhuǎn)向器搖臂下端球銷點(diǎn)O1擺動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡為。實(shí)際上，C點(diǎn)不可能同時(shí)滿足這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)要求，于是轉(zhuǎn)向節(jié)即車輪相對(duì)主銷(圖中未示出)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，以滿足C點(diǎn)沿aa軌跡的運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)關(guān)系的不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致輪胎在行駛中經(jīng)常因轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生磨損，甚至?xí)虼嗽斐烧嚬舱窕蛑苿?dòng)發(fā)擺的故障。

對(duì)于此類問題，首先需要從設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)，如調(diào)整轉(zhuǎn)向垂臂的安裝點(diǎn)或調(diào)整板簧的安裝位置及高度等相關(guān)參數(shù)，售后不建議進(jìn)行改裝。

4 結(jié)束語

從本文所定義的“內(nèi)因”與“外因”進(jìn)行分析，讀者可以看出，雙前橋轉(zhuǎn)向汽車輪胎異常磨損的“外因”部分，大部分都有改善的方案，而“內(nèi)因”部分是真正難以解決的，也是目前以及在未來研究中的重點(diǎn)。

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