分析雙橫臂獨立懸架輪胎的壽命與輪距變化量關(guān)系

劉旭

【摘要】本文分析輪距變化引起輪胎磨損、操穩(wěn)性變差的機理，提出解決措施。根據(jù)雙橫臂獨立懸架運動學(xué)和動力學(xué)結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)優(yōu)化輪距提高輪胎使用壽命。

【關(guān)鍵詞】輪距變化 輪胎磨損

雙橫臂獨立懸架結(jié)構(gòu)特點決定了車輪跳動時，車輪繞瞬時中心擺動，左右輪之間的距離會產(chǎn)生變化。輪距變化影響整車操縱穩(wěn)定性，影響輪胎壽命，因此控制輪距的變化量和變化趨勢，是懸架設(shè)計的一個重要技術(shù)要求。

一、輪距變化對整車性能影響

（一）輪距變化造成輪胎異常磨損

路面不平或轉(zhuǎn)向，車輪產(chǎn)生相對于車身的上下跳動，懸架導(dǎo)向機構(gòu)運動，引起輪胎的橫向滑移，輪距發(fā)生變化。

車輪上跳時，輪胎負(fù)荷增加，如果輪距變化量過大，引起滾動車輪的側(cè)偏，不僅產(chǎn)生側(cè)向力，還使直線行駛能力下降，滾動阻力增大，輪胎磨損加劇，輪胎壽命下降。

車輪下落時，因輪胎負(fù)荷減小，可以適當(dāng)增加輪距變化量，提高整車橫向穩(wěn)定性。

輪胎磨損后，降低了輪胎的特性，降低整車的操縱穩(wěn)定。

（二）輪距變化產(chǎn)生側(cè)偏角，影響汽車的操縱穩(wěn)定性如圖1所示，圖中點Cm為質(zhì)心，點Pm為獨立懸架橫臂虛擬作用點，點Om為懸架側(cè)傾中心，點Cm與Om距離為側(cè)傾力臂。圖1（a）為懸架設(shè)計狀態(tài)的車身姿態(tài)圖，圖1（b）為轉(zhuǎn)彎工況下的車身姿態(tài)圖，圖1（c）為單輪過凸塊的車身姿態(tài)圖，分析懸架拉伸和壓縮行程的側(cè)傾運動。

圖1（b）所示，假設(shè)汽車右轉(zhuǎn)彎，產(chǎn)生側(cè)傾力綧MΦ，車身逆時針側(cè)傾轉(zhuǎn)動，左側(cè)懸架壓縮、右側(cè)懸架伸張，左車輪相對車身上跳（懸架壓縮）、右車輪相對車身下落（懸架拉伸）。

若左懸架輪距減小、右懸架輪距增大，則側(cè)傾中心偏移量e增大，加劇左懸架壓縮、右懸架拉伸，側(cè)傾力矩增加，車身側(cè)傾加大，駕駛員和乘客感到不穩(wěn)定、不安全和不舒適，操縱穩(wěn)定性變差。

（三）車輪變化量的推導(dǎo)

小型轎車輪胎的側(cè)向剛度約為100～200N/mm，最大軸荷約為1000～2000kg，因此在最大車輪跳動量下要保證輪胎側(cè)向變形在彈性變形范圍，否則輪胎屬于應(yīng)力磨損。由于輪胎側(cè)向力磨損是縱向力磨損的3倍以上，考慮輪胎疲勞磨損，一般要求輪距變化量遠(yuǎn)小于輪胎在最大側(cè)向力作用下的彈性變形量。

轎車的懸掛質(zhì)量的側(cè)傾力臂如果設(shè)為400mm，當(dāng)由于輪距變化引起的車身側(cè)傾角為1°時，輪距變化量在6mm以上。

根據(jù)以上輪距變化約束，以及綜合考慮輪距變化引起的外傾角變化、側(cè)傾中心變化、側(cè)向力增加、載荷重新分配、側(cè)傾轉(zhuǎn)向等性能影響，目前一般采用下面原則控制輪距變化量和變化趨勢。

車輪上跳時輪距應(yīng)適當(dāng)增加，但增加量不宜過大，一般說來，車輪跳動+50mm時，輪距增加量不超過5mm。

車輪下跳時輪距應(yīng)適當(dāng)減小，減小量可以適當(dāng)大一些，一般說來，車輪下落-50mm，輪距減小量不超過5mm。

二、輪距變化產(chǎn)生的原理

由于載荷發(fā)生變化、路面不平引起垂向加速度、轉(zhuǎn)向引起車身側(cè)傾角等原因，車輪產(chǎn)生相對于車身的上下跳動量z，懸架導(dǎo)向機構(gòu)運動跟隨運動，傳遞到輪胎產(chǎn)生輪距變化量y3，如2圖所示。

輪胎上下跳動時，上橫臂繞橫臂R1作近似圓弧運動，垂直跳動距離為z1；下橫臂繞橫臂R2作近似圓弧運動，垂直跳動距離為z2；輪胎接地點將產(chǎn)生繞側(cè)傾力臂R3作近似圓弧運動，垂直跳動距離為z。

上下橫臂的瞬時中心軌跡近似為：

式中

y1—上橫臂外點（近輪胎點）橫向變化量，mm；

y2—下橫臂外點（近輪胎點）橫向變化量，mm；

a—前視圖，上橫臂內(nèi)外點垂向距離，mm；

b—前視圖，下橫臂內(nèi)外點垂向距離，mm。

本文采用雙橫臂獨立懸架左邊后視圖描述雙橫臂獨立懸架的跳動原理，如圖2所示。

上下橫臂瞬時中心隨著車輪的跳動而跳動，橫臂導(dǎo)向機構(gòu)因與車輪鉸鏈而產(chǎn)生推拉作用力，因此車輪的外傾角發(fā)生變化：

z1=z-dr

z2=z-3r

式中

d—上橫臂外點（近輪胎點）距輪心橫向距離，mm；

e—下橫臂外點（近輪胎點）距輪心橫向距離，mm；

r—外傾角變化量，°。

外傾角變化量近似為：

r=y1-y2（4）

如果側(cè)傾中心≠∞時，輪距變化量近似為：

y3=H/hy2-H-h/hy1（5）

式中

H—上橫臂外點（近輪胎點）距地面高度，mm；

e—上、下橫臂外點（近輪胎點）垂向距離，mm。

式（2）、（3）、（4）帶入式（5）簡化后得輪距變化的近似值

y3=Z2/2h[H/R2-H-h/R1]+z/h[Hb/R2-（H-h）α/R1]-zr/h[He/R2-（H-h）d/R1]-r/h[Hbe/R2-（H-h）αd/R1]（6）

三、優(yōu)化輪距變化結(jié)果

以上下橫臂與車身的鉸接點的橫向和縱向坐標(biāo)為優(yōu)化函數(shù)，以輪距變化量為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化。

PU—Y、Pu—Z參數(shù)為上橫臂與車身的鉸接點距車身對稱面距離、距輪心高度PL—Y、PL—Z參數(shù)為下橫臂與車身的鉸接點距車身對稱面距離、距輪心高度

曲線中ORG為原車狀態(tài)，A、B、C、D、E為五種優(yōu)化方案，得到圖3的輪距變化量優(yōu)化結(jié)果。

由曲線和表格可知，方案B輪距變化量最小，車輪上跳時輪距增加，車輪下跳時輪距減小，可以獲得比較理想的懸架性能。

四、應(yīng)用案例

通過公式法驗證計算，上橫臂加長抬高、下橫臂加長下降有利于減小輪距變化，延長輪胎壽命。實車比較采用原車狀態(tài)和B方案的兩款前雙橫臂獨立懸架客車，采用原狀態(tài)客車1015萬公里更換一套輪胎，采用B方案客車20萬公里不需要更換輪胎。

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