驾驶苛刻度数在解决轮胎异常磨损中的应用

2023-12-29韩卫强李海亮

北京汽车 2023年6期

赵岩，韩卫强，李海亮

0 引言

随着用户对汽车驾乘体验舒适度要求不断提升，汽车设计和制造技术也不断更新迭代。轮胎作为汽车与地面接触的唯一部件，是被高感知的具有品牌属性的部件，具有传递能量、减缓冲击等方面作用，影响整车的平顺性和舒适性、经济性、制动性及NVH（Noise、Vibration、Harshness，噪声、振动与声振粗糙度）等性能[1]。为适应“双碳”目标发展要求，汽车轮胎滚动阻力系数设计得越来越低，但受“魔鬼三角”即轮胎滚动阻力系数、耐磨性和抗湿滑性能制约[2]，降低滚动阻力系数会限制耐磨性、抗湿滑性发挥，增加轮胎异常磨损的可能性，使异常磨损问题凸显。

轮胎异常磨损现象各异，成因复杂，需有针对性地制定改善措施。本文利用DSN （Driving Severity Number，驾驶苛刻度数）排查分析轮胎异常磨损的原因，为整车耐久试验更加规范化开展提供数据支撑，丰富开发验证手段。

1 轮胎异常磨损

常见的轮胎异常磨损如图1所示。

图1 轮胎异常磨损

图1（a）为前轮内侧、后轮外侧偏磨情况，表现为胎肩处花纹沟深相对另一侧低或胎体帘线露出等，轮胎偏磨多和四轮定位参数、悬架结构、高速环道试验工况等相关；图2（b）为轮胎中部磨损过快，表现为中部花纹主沟明显比两侧浅，这与轮胎气压过高[3]、轮胎花纹及结构设计不合理等相关；图1（c）为轮胎肩部偏磨，并伴随橡胶开裂、脱皮掉块等现象，这与驾驶工况及驾驶习惯相关。

图2 右前轮胎磨损情况

受驱动位置、轴荷分布及前轮频繁转向等因素影响，前、后轮胎的磨损速度不同，例如前置前驱车辆的前轮胎磨损速度明显高于后轮胎。为延长轮胎整体使用寿命，除定期修正车辆四轮定位参数、轮胎气压外，建议车辆使用过程中定期进行轮胎换位[4]。

2 DSN

VEITH 根据轮胎磨损的影响因素及特性，提出驾驶苛刻度监测系统[5]，包括测试横向加速度的加速度计、车轮转动计数器和信号处理及显示模组。系统输出的指数即为DSN，用来表征车辆转弯和纵向强度，可采用DSN 量化表示行驶路线-车辆-驾驶员系统对轮胎磨损的影响，但未考虑轮胎橡胶的实际耐磨性及路面情况，因此DSN是相对磨损参考指标，不能计算绝对磨损或磨损率，通过DSN 可以横向比较不同工况对轮胎磨损的影响，为快速解决异常磨损提供参考。

轮胎受到的纵向力和侧向力均影响轮胎磨损，其中侧向力影响更大，因为轮胎侧向刚度比纵向刚度低，容易因变形和受力不均而出现滑动摩擦。DSN 由CSN（Cornering Severity Number，转向苛刻度数）和BSN（Braking Severity Number，制动苛刻度数）组成，根据经验，侧向力与纵向力的摩擦功为5∶1，即

式中：DSN为DSN；CSN为CSN；BSN为BSN；ayi为第i段行程平均侧向加速度与重力加速度g的比值；axi为第i段行程平均纵向加速度与重力加速度g的比值；Fz为轮胎实际载荷，N；Fz,R为轮胎额定载荷，N；n为轮胎总转数。

3 案例解析

3.1 故障现象

某SUV 在整车耐久试验中右前轮外侧出现间断性偏磨脱皮，同时花纹主沟存在若干裂纹，如图2所示，故障里程出现在6 000～11 200 km，其余3 个轮位的轮胎胎肩均无脱皮、开裂问题，其中左前轮胎磨损情况如图3所示。

图3 左前轮胎磨损情况

图2（a）为右前轮胎胎肩间断性脱皮前期表现，集中在胎肩花纹横沟的同一侧（接地旋转时位于胎肩横向花纹后侧），且脱皮与轮胎中心面呈斜向扩展趋势；图2（b）为轮胎胎肩局部脱皮表现，外侧胎肩磨损脱皮严重，从轮胎主沟看，主沟1、2 的内侧磨损较为严重，呈现锯齿状，主沟外侧肩部平整，磨损位置伴随开裂，自外向内，磨损开裂逐渐减轻；图2（c）为轮胎异常磨损部位胎侧磨损表现，表面呈斜向波浪状纹理，说明该部位与地面有斜向滑移摩擦，滑移方向与波浪纹垂直。对比图3 左前轮胎，其胎肩磨损较快，但未出现脱皮、开裂问题。

图4为故障轮胎的花纹主沟深度值，最外侧较最内侧减少1.1 mm，超过偏磨判定标准（标准值为1.0 mm），说明存在外侧偏磨现象，初步推断轮胎发生了比较严重的侧向滑移。

图4 右前轮胎花纹主沟深度（周向6点平均值）

3.2 故障排查

按照人、机、料、法、环列出轮胎异常磨损的潜在原因，如图5所示，进行逐一分析：（1）驾驶员将连续弯道、方形转弯简化为连续绕圆工况，部分路况速度偏高，加剧轮胎磨损；（2）定期监测及调整胎压，未发现异常，80%里程为1人载、20%里程为满载均符合要求，两次检测四轮定位参数均合格，左右侧轴距相当，底盘其他部件无异常；（3）对故障轮胎生产过程、断面结构及尺寸、硫化过程及胎面胶物性进行排查和检测，未见异常；（4）高环、连续弯道等工况加剧外侧磨损，故障车为中改车型，定位参数已经过多轮验证，设计合理；（5）试验过程中未出现气温异常情况。

图5 右前轮胎异常磨损故障排查

初步确定整车试验工况加速轮胎磨损，胎肩脱皮、开裂受驾驶员驾驶习惯影响较大，但仍未找到对右前轮胎开裂、脱皮的合理解释。

3.3 DSN测试

对故障车安装DSN 检测设备，如图6 所示，监测整车各工况DSN，整车为半载状态，测试结果见表1。

表1 综合耐久试验DSN测试

图6 驾驶苛刻度系统安装

由表1 可知，DSN 在不同工况下取值变化大，其中连续弯道和方形转弯工况下的取值较大，说明此时轮胎磨损最为严重。

图7为高速环道工况下试验车辆的加速度及分布。

图7 高速环道工况加速度及分布

由图7（a）可知，高速环道工况下加速度绝对值均不超过0.2g，受试验场路线限制，图7（b）中右转工况（侧向加速度为负）出现比例明显高于左转工况（侧向加速度为正）。

图8为城市路模拟工况下试验车辆的加速度及分布。

图8 城市路模拟工况加速度及分布

由图8（a）可知，城市路工况下最大纵向加速度的绝对值为0.6g，最大侧向加速度的绝对值为0.82g，图8（b）中驱动工况（纵向加速度为正）出现比例低于制动工况（纵向加速度为负），左转与右转分布比例相当。

图9 为方形转弯工况下试验车辆的加速度及分布。

图9 方形转弯工况加速度及分布

由图9（a）可知，方形转弯工况下车辆侧向加速度的绝对值较大，最大值为0.78g，图9（b）中左转工况出现比例高于右转工况，其中具有较大加速度绝对值的左转制动工况（侧向加速度＞0.10g，纵向加速度＜-0.06g）出现比例最高，为41%。

图10为组合路工况下试验车辆的加速度及分布。

图10 组合路工况加速度及分布

由图10（a）可知，组合路工况下加速度绝对值均不超过0.2g，受试验场路线限制，图10（b）中右转工况出现比例明显高于左转工况。

图11为连续弯道工况下试验车辆的加速度及分布。

图11 连续弯道工况加速度及分布

由图11（a）可知，连续弯道工况下车辆侧向加速度的绝对值较大，图11（b）中左转与右转分布比例相当，其中具有较大加速度绝对值的左转制动工况出现比例最高，为26%。

综上，方形转弯工况和连续转弯工况的加速度绝对值较大，与表1中相同工况下具有高DSN值的结果匹配，且左转制动工况占比相对较高。对比整车试验规范，发现3方面问题：（1）组合路工况的试验车速略高于规范要求；（2）试验取消了连续弯道工况的直行段，成为完全绕圆试验，平均车速为26.3 km/h，超出规范值8 km/h两倍多；（3）方形转弯试验与连续弯道试验被试验驾驶员主观更改为绕圆试验，并在同一场地连续完成，车辆受惯性影响，在离心力作用下发生侧滑，轮胎外侧持续保持较高压力，且两种工况下左转工况较右转工况多，左转制动较右转制动加速度大，右前胎肩频繁受压并发生接触摩擦，胎面磨到极限后露出基部胶，由于基部胶耐磨性较差，磨损速率较快，继续行驶后产生脱皮、掉块现象。

试验结果说明驾驶员更倾向于进行左转绕圆驾驶，其可能原因为：受离心力作用，车辆左转时左侧抬升、右转时左侧下降，左转时座椅对驾驶员的支撑作用比右转时强，同时，相同车速及绕圆半径下，左转时驾驶员在内侧，其离心力较右转时小，使驾驶员感觉更舒适，也在一定程度上促使左转出现更高车速。

3.4 试验改进

将DSN 测试结果反馈给试验驾驶员，要求加强培训并在后续整车试验中严格按照试验规范开展整车耐久验证。之后整车试验未再出现轮胎异常磨损、脱皮开裂现象。

通过DSN横向对比能够量化分析轮胎异常磨损的出现工况及原因。结合整车开发实际与经验，将轻度制动0.35g所对应的DSN值设置为参考标准，超过该值会使轮胎磨损加剧，严重时引起轮胎异常磨损。设置DSN标准数值，有助于规范和提醒试验驾驶员的驾驶行为，保证试验项目按要求完成。目前，DSN监测系统应用较少，后续开发中需根据实际应用、积累数据进行迭代优化，进一步丰富故障排查手段。