高环工况下整车耐久试验中轮胎异常磨损分析

黄继勇　吴文彬　邢东伟　王少文

摘要：在高环工况下进行整车耐久试验是各个车企的普遍做法，也是验证整车及零部件性能的有效途径。文章通过对车辆耐久试验中的内因及外因分析，得出高环工况行驶是轮胎异常磨损的真正原因，并通过对异常磨损轮胎的分析阐明了在高环工况整车耐久试验中轮胎异常磨损不作为零件失效的结论。

关键词：轮胎磨损；高环工况；整车耐久试验；异常磨损；零件失效 文献标识码：A

中图分类号：U467 文章编号：1009-2374（2015）14-0107-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.14.053

1 概述

通过在高环工况下进行整车耐久试验是各个车企的普遍做法，也是验证整车及零部件性能的一种有效途径，但在此工况下试验车经常出现轮胎偏磨、多边形磨损、根趾状磨损现象，而相同的车辆，相同品牌的轮胎在其他路况如市区、市郊等进行可靠性增长试验时，轮胎磨损正常。因轮胎是汽车行驶过程中唯一与地面接触的零件，其磨损程度不仅关系到轮胎的使用性能，如舒适性、噪音大小、平稳性，更关系到汽车的行驶安全，故高环工况轮胎异常磨损引起试验人员的极大抱怨，因此我们有必要分析查找引起轮胎异常磨损的真正原因。

2 现状描述

某SUV车型共有八台车进行高环工况整车耐久试验，每台车更换新胎后行驶一段时间，后轮都出现了轮胎外侧胎肩偏磨、多边形磨损、根趾状磨损现象，且随着行驶里程的增加，磨损情况越来越严重。现选取其中一台车进行不同里程下轮胎磨损情况外观记录，如图1所示：

通过图1可看出，在车辆行驶到8300km的时候，轮胎外侧已经出现明显胎肩偏磨、多边形磨损、根趾状磨损现象，在行驶到26802km的时候，外侧胎肩已经严重磨损，而内侧状况良好。

3 问题分析

因每台车轮胎都出现了异常磨损现象，有较强的一致性，故从轮胎、车辆及行驶工况三个方面分析轮胎异常磨损原因。

3.1 对轮胎进行检测

取磨损较严重的同一台车的两后轮轮胎针对轮胎胶料、制程偏差进行分析，分析思路：基本磨耗形态分析，沟深测量；胎面胶料物性硬度是否异常；取样：取内/中间/外侧式样分析拉断强度，拉断伸长率，定伸强度测量；断面：带束层形态及落差分布是否异常。

3.1.1 断面及取样分析。

断面切割：分析及量测轮胎材料分布。

胎面物性式样：后轮外观异常磨损发生部位明显的位置，平行取内侧/中间/外侧式样进行实验室分析。

3.1.2 胎面硬度&沟深量测。分别对轮胎两后轮按照下图分布分析胎面硬度及沟深。

3.1.3 胎面物性分析。对异常磨耗轮胎取样进行物性分析，每条轮胎在三个位置取样。

结论：右后、左后轮外侧肩部沟深较浅所取式样有一些偏差，不过总体分析胎胎面胶物性没有异常情况发生。

通过以上对异常磨损轮胎胶料、制程偏差分析可以得出：（1）胎面各位置硬度正常，无变异；（2）拉断强度/拉断伸长率/定伸强度，考虑到磨耗造成的取样误差，三处位置胎面物性无变异；（3）断面材料分布合理，带束层平整、落差合乎基准。即搭载轮胎质量合格，非轮胎原因导致的耐久车辆的异常磨损。

3.2 耐久车辆情况及行驶路况分析

因经分析非轮胎质量问题导致的轮胎异常磨损，故需继续从耐久车辆情况及行驶路况分析其异常磨损原因：

3.2.1 车辆情况统计。根据规范对所有耐久试验车每一万公里进行保养，统计其轮胎胎压、车身姿态、四轮参数都在标准范围内，故车辆本身情况也非引起轮胎异常磨损的真正原因。

3.2.2 车辆行驶工况。车辆满载，高环中道行驶，速度大概为150km/h，高环曲线半径580m，总长度4.5km，最大倾斜角度44°。

第一，针对耐久车辆在高环行驶情况进行力学分析，车辆行驶受力简化力学模型如下：

图4

根据力学公式分析车辆瞬时所受压力：

N=F2+F3=GXcos44°+mXV2/R

式中：

N——车辆所受压力

m——耐久车质量

V——车辆行驶速度

R——高环曲线半径

结计算得N≈4.6mg

即车辆在高环行驶时因离心力作用所受压力为正常路面的4.6倍，耐久车辆轮胎在高强度负荷条件下行驶。另根据统计八台耐久车四轮参数虽然合格，但后轮前束基本为正值。这样在车辆行驶过程中，轮胎随车辆前进方向滚动，而因正前束的作用，轮胎时刻受到由外向内的侧向力的作用，导致轮胎有外侧优先磨损的趋势。当在市区、市郊等平整路面行驶时，因车辆所受载荷不大，且车速是因路况随时变化的，正前束引起的侧向力并不会引起轮胎的偏磨；但当车辆在高环行驶时，其所受压力远远大于车辆路面正常行驶所受压力，且行驶速度快，速度较为稳定，轮胎更易于磨损。这样耐久试验车经过高负荷、长时间行驶最终导致轮胎外侧磨损较快，发生偏磨现象。

第二，对于轮胎多边形磨损，因轮胎在滚动过程中因前束及外倾存在侧向力作用，这样导致轮胎产生侧向自激振动，而轮胎滚动产生的滚动频率与轮胎的侧向自激振动频率近似成整数倍关系时，这样轮胎每滚动一圈，某些区域受到固定的侧向力，从而导致这些区域磨损较快，而其他区域磨损较慢，这样经过长时间行驶，导致轮胎周向多边形的磨损的产生。

第三，对于轮胎根趾状磨损分析：轮胎滚动时轮胎花纹接触处地面如图5所示：

图5

当轮胎花纹块与地面接触时，因地面对轮胎的摩擦力向后，即花纹块受力方向从B到C、从D到E，因轮胎花纹块为弹性体，在地面摩擦力的作用下，花纹块由B到C、D到E发生弯曲变形，花纹块胶料存在由前向后堆积的趋势。这轮胎每转动一周，周向花纹块都会发生从前向后的弯曲变形，且耐久试验车在高环行驶速度较快，速度也较稳定，故经过长时间行驶，轮胎花纹块必然会出现A、C、E点高，B、D点低的斜面，即发生根趾状磨损，如图6所示：

图6

4 结语

本文通过对高环工况下进行整车耐久试验中轮胎异常磨损的问题分析，得出如下结论：（1）高环工况下行驶是导致轮胎出现轮胎偏磨、多边形磨损、根趾状磨损异常磨损现象的真正原因；（2）通过对磨损后的轮胎进行胶料、制程偏差分析，得出高环下轮胎异常磨损，非轮胎本身质量问题，不作为零件失效的结论。

参考文献

[1] 宗召波.汽车前胎偏磨的研究及其解决方法[J].中国高新技术企业，2009，（17）.

[2] 徐家民，卢郑.关于轮胎偏磨的浅析[J].装配制造技术，2009，（8）.

[3] 李勇，左曙光，等.轮胎多边形磨损的产生条件及磨损边数研究[J].计算力学报告，2001，（3）.

作者简介：黄继勇，男，河北保定人，供职于长城汽车股份有限公司技术中心-河北省汽车工程技术研究中心，研究方向：机械设计及其自动化。

（责任编辑：黄银芳）