基于制动能量回收导致轮胎偏磨损的轮胎定位优化

2022-07-20张相琴韩志明

轮胎工业 2022年1期

张相琴，徐峰，韩志明

（上海蔚来汽车有限公司，上海 201804）

轮胎偏磨损有多种形式，其中之一是胎肩不均匀磨耗而导致轮胎提前报废，缩短轮胎使用寿命，甚至引起爆胎故障，危害行驶安全，并造成经济损失。引起轮胎偏磨损的机理很复杂，主要涉及因素包括轮胎的结构设计和材料、车辆的使用和匹配设计以及行驶路面和驾驶习惯[1-5]。其中，静态初始轮胎定位参数——前束和外倾角是造成轮胎偏磨损的重要因素[4-5]。初始轮胎定位参数设定是根据不同车型的设计理念、整车匹配等对应的外倾角变化来设计的。例如为了获得更好的轮胎侧偏性能和操控性能而增大负外倾角。为了平衡外倾角的影响，需要匹配前束值来保证轮胎的直线行驶和减小滚动阻力。文献[6-8]分析前轮在前束和外倾角作用下的运动轨迹的几何关系，推导出前束和外倾角的匹配公式。文献[9]采用分析法优化前束和外倾角的匹配，计算出最小侧滑对应的前束值。车辆行驶时轮胎会受到滚动阻力、侧向力、制动力及牵引力的作用，导致轮胎磨损分布差异。其中，电机在车辆行驶时充当电动机，在进入能量回收模式时利用制动减速的能量充当发电机。将制动的能量存储到电池中，一方面可以延长车辆制动器的使用寿命，另一方面可延长电动汽车的续航里程[10]。

本工作基于有关前束和外倾角的侧滑机理[6]，设定电动汽车的双横臂悬架的初始轮胎定位参数。针对电动汽车耐久性能路试出现的轮胎偏磨损问题，采集整车能量回收对应的制动力矩和计算双横臂悬架模型对应的KC（Kinematic &Compliance，运动学和柔性）曲线，发现电动汽车使用能量回收模式会增大制动力和能量回收频次，减小前束值。同时，轮胎台架试验也定性验证了减小前束值会加剧轮胎内侧偏磨。最终，通过耐久性能路试确认修正的前束值与外倾角匹配，轮胎偏磨损量满足设计要求。

1 制动能量回收对四轮定位和轮胎异常磨损的影响

1.1 轮胎定位初始设定

电动汽车轮胎的前束和外倾角匹配参考文献[6]采用下式计算轮胎的接地印痕长度（l）。

式中，D为轮胎名义直径，Δ为转向轮胎在前桥垂直负荷作用下的径向变形量，由下式确定：

式中：c和k均为修正因数，子午线轮胎的c为1.5，k＝0.001 5B＋0.42；B为轮胎断面宽度，G1为前桥的垂直负荷，P为轮胎充气压力。

基于前束和外倾角匹配轮胎侧滑量最小的几何关系，在角度较小时，前束（β）与外倾角（γ）的对应关系简化公式为

式中，Kz为轮胎的径向刚度，L为整车轴距，d为测量前束处的轮辋直径。

计算前束值需要的整车参数为：c1.5，k0.817 5，G113 000 N，D722 mm，P260 kPa，γ0.008 5 rad，d534 mm，Kz330 N·mm，L3 010 mm。计算的轮胎接地印痕长度为232 mm。为了改善转弯的稳定性和操控性能，静态外倾角初始值设为－0.5°。将前束的单位转化成角度[11]，静态前束初始值设为0.1°。

1.2 轮胎偏磨损量

耐久性能路试数据（每5 000 km记录一次）显示，耐久路试的前轮轮胎为内侧偏磨损。最严重的车辆行驶45 000 km时轮胎内侧偏磨损量为2.2 mm。理论上轮胎达到磨损极限1.6 mm就需要更换，此时的内侧花纹沟深度仅为1.52 mm，如图1所示。关于偏磨损量，行业内没有定量标准[3]，在满载情况下，每1万km的轮胎内外侧偏磨损量应不超过1.5 mm。

图1 初始定位参数轮胎的偏磨损情况

1.3 制动能量回收对轮胎定位的影响

为了提供更长的续航里程，电动汽车采用滑行能量回收模式，即松开油门踏板，车辆处于滑行状态时电机给出制动力矩，从而通过能量回收实现车辆减速。该车型通过CAN软件通信，采集前电机在0.2g（g为重力加速度）加速度下对应的输入扭矩为200 N·m，考虑到传动比，折算到单胎的制动力矩为960 N·m。轮胎的动态半径为375 mm，则对应的制动力为2 560 N。

基于Adams/Car软件建立汽车双横臂悬架模型，如图2所示，计算得到制动力与前束的关系，如图3所示。基于该曲线，制动力2 560 N对应的前束值将会减小0.05°。