（车辆工程专业论文）客车轮胎异常磨损机理与前轮定位参数匹配研究.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大 学硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席：够互 氟7 龇髻 石瑷 委员： 导师： 堡饥肚1 矿，词 舍r 巴删善 、 1 ， 涉润 、l 颥 嘶金怜次救 i i l i 一、v ， 艮 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金胆王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 擗阁叶 签字日期：力，年铲月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王业盔堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权金胆王业太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲和毡 节 签字日期：矿1 | 年弋月) 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： 户 客车轮胎异常磨损机理与前轮定位参数匹配研究 摘要 随着中国汽车产业的快速发展，分析和解决轮胎磨损尤其是异常磨损的问 对于节能减排和绿色环保，以及车辆使用成本和汽车公司品牌形象都更加重 。 论文基于对简化的轮胎刷子模型的运动学和力学分析，总结了滑磨功的计 模型，较为详细地研究了轮胎磨损的微观机理。通过轮胎基本参数的试验， 得了轮胎滑磨功计算所需的参数，得到了几种主要影响轮胎磨损性能的参数 化时的滑磨功的值，并在这些参数影响滑磨功大小的基础上系统地分析了不 的轮胎参数和车辆底盘结构设计参数对于轮胎磨损尤其是异常磨损的影响方 和程度。结合实际课题，总结得到了所研究的客车底盘前轮胎异常磨损的机 与改进方式。 根据定位参数动态变化和轮胎磨损的关系，基于前轮定位参数的空间几何 系，建立了计算前轮动态外倾角和实际转角值的数值模型，提出了动态的定 参数的优化设计方法，并在m a t l a b 中编写优化程序对该型客车底盘的设 参数进行了优化，得到了设计值范围内使得轮胎磨损最小的最优解，为研究 客车定位参数的选取与优化提供了理论依据。 根据实车参数，在a d a m s c a r 中建立了整车的多体动力学模型。对比了 优化前后的定位参数对于与轮胎磨损性能的有关参数影响的仿真结果，仿真试 验结果表明优化后的参数更好，证明这种优化设计方法可以令定位参数的选择 更加合理。 论文的研究工作为相关企业系统地研究客车底盘轮胎异常磨损的机理和定 位参数的匹配设计提供了分析依据，对于其他车型的轮胎磨损问题系统解决也 有一定的工程应用价值和理论指导意义。 关键词：客车轮胎；异常磨损；滑磨功；前轮定位参数；优化设计 r e s e a r c ho nm e c h a n i s mo fb u s st i r eu n e v e nw e a ra n d a l i g nm e n tp a r a m e t e r so ff r o n tw h e e l a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a sa u t o m o b i l ei n d u s t r y ，i t sg e t t i n gm o r e i m p o r t a n tt oa n a l y z ea n ds o l v et h et i r ew e a rp r o b l e m ，e s p e c i a l l yt h eu n e v e nw e a r ， n o to n l yf o re n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，b u ta l s ot h eu s i n gc o s to f t h ev e h i c l ea n dr e p u t a t i o no ft h ea u t o m o b i l ec o m p a n y b a s e do nt h ea n a l y s i so fk i n e m a t i c sa n dm e c h a n i c so ft h eb a s i ct i r eb r u s h m o d e l ，t h ec o m p u t a t i o n a lm o d e lo fs l i pf r i c t i o np o w e ri sd e r i v e dt os t u d yt h e m i c r o s c o p i cm e c h a n i s mo ft i r ew e a r b yt h et e s to fb a s i cp a r a m e t e r so ft h et i r e ，w e g e tt h ep a r a m e t e r st oc a l c u l a t et h es l i pf r i c t i o np o w e ra n dc a na n a l y z et h ei m p a c to n t h et i r ew e a r ，e s p e c i a l l yt h eu n e v e nw e a rd u et od i f f e r e n tp a r a m e t e r so fb o t ht h et i r e a n dt h eb u s sc h a s s i s a n dt h em e c h a n i s mo ft h eu n e v e nw e a ro ft h eb u s sf r o n t w h e e la n di t ss o l u t i o ni ss u m m a r i z e db yt h er e s u l t s a c c o r d i n gt o t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd y n a m i cv a r i a t i o no ft h ea l i g n m e n t p a r a m e t e r sa n dt i r ew e a r ，a n dt h en u m e r i c a lm o d e lo ft h ed y n a m i cc a m b e rv a l u e t h a t c o n s i d e r i n g t h e s p a c i a lg e o m e t r y a n dt h ea c t u a l s t e e r i n ga n g l e ，t h e o p t i m i z a t i o nm e t h o do ft h ea l i g n m e n tp a r a m e t e r si sp r o p o s e d ，a n dw eg e tt h e o p t i m u mv a l u eo ft h ea l i g n m e n tp a r a m e t e r si nt h ev a r i a t i o nw h i c hl e a d st oa m i n i m u mt i r ew e a rb yp r o g r a m m i n gi nm a t l a b t h em u l t i b o d ym o d e li se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r so ft h eb u s s c h a s s i sa n dt h ed y n a m i ct h e o r yi na d a m s c a r t h r o u g ht h es i m u l a t i o n su s i n gt h e o r i g i n a la n do p t i m i z e da l i g n m e n tp a r a m e t e r s ，w eg e tt h er e s u l tt h a tt h eo p t i m i z e d r e s u l th a sab e t t e rp e r f o r m a n c eo nt h ep a r a m e t e r sw h i c hm a ya f f e c tt h ea m o u n to f t i r ew e a r t h es i m u l a t i o nh a sp r o v e di ti s p o s s i b l e t o g e tam o r er e a s o n a b l e a l i g n m e n tp a r a m e t e rv i at h eo p t i m i z a t i o nm e t h o du s e di nt h i sp a p e r t h et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lr e s e a r c hm a d ei nt h i sd i s s e r t a t i o np r o v i d e st h e a u t o m o b i l ec o m p a n i e sa n de n g i n e e r sw i t ha ne f f e c t i v em e t h o dt o a n a l y z et h e m e c h a n i s mo fb u s st i r eu n e v e nw e a r ，a n di ti sa l s ov a l u a b l ef o rt h et i r ew e a r p r o b l e mo no t h e rv e h i c l e s k e yw o r d s ：b u s st i r e ；u n e v e nw e a r ：s l i pf r i c t i o np o w e r ；a l i g n m e n tp a r a m e t e r s ； o p t i m i z a t i o nd e s i g n 致谢 本论文是在导师钱立军教授的悉心指导和关怀下完成的，在论文即将完成 之际谨向钱老师表示衷心的感谢和诚挚的敬意! 三年的硕士生活拓展了我的知识面，加深了我的专业理论水平的同时也锻 炼了我的实践能力。我在研究工作中取得的每一点进步都浸注了钱老师心血与 汗水。钱老师治学严谨、平易近人的作风，活跃的思维，对学科的深刻认识和 宽广的知识面，对汽车产业的深入理解，以及钱老师忘我敬业的精神都给我留 下了深刻的印象，是我毕业后工作学习的楷模，将时刻激励着学生在新的工作 环境中不断地开拓和进取。 另外，还要感谢魏道高副教授、祝安定老师、王文平老师、王荣贵老师以 及合肥工业大学机械与汽车工程学院的其他老师们在学术研究和课题试验过程 中给予我的指点和帮助。 真诚感谢0 8 级6 班的全体同学在我课程学习和论文撰写期间，给予我的大 力支持，是他们伴随我度过了这人生中美好的三年，祝愿我们的友谊地久天长。 同时，感谢与我共同学习和生活的同学李源源、王希斐、王欢、吴道俊、 马骏以及4 1 7 实验室的所有同学，大家对我的帮助让我受益非浅，我将铭记在 心。 对我的父母、亲人和所有关心我的老师、朋友们在我攻读硕士学位期间给 予的帮助、支持和鼓励，表示深深的谢意。 作者：向世伟 2 0 1 1 年3 月 2 2 2 印迹上的切向载荷分布1 3 2 3 滑磨功计算模型1 4 2 3 1 侧向滑移工况的滑磨功计算1 5 2 3 2 纵向滑移工况的滑磨功计算1 6 2 3 3 联合滑移工况的滑磨功计算1 7 2 4 本章小结1 9 第三章轮胎异常磨损因素分析与异常磨损机理2 0 3 1 轮胎基本参数试验2 0 3 1 1 轮胎接地印迹2 1 3 1 2 轮胎径向和侧向刚度试验2 1 3 1 3 轮胎侧偏刚度值2 4 3 1 4 轮胎最大允许载荷2 5 3 2 不同参数对于轮胎磨损的影响分析2 5 3 2 1 轮胎侧偏角对于滑磨功的影响2 6 3 2 2 轮胎垂直载荷对滑磨功的影响2 7 3 2 3 轮胎气压对滑磨功的影响2 9 3 2 4 车轮定位参数对于滑磨功的影响3 l 3 2 5 转向梯形对于滑磨功的影响3 4 3 2 6 转向侧倾对于滑磨功的影响3 7 3 2 7 转向系与悬架的运动干涉3 9 3 3 某型客车的轮胎异常磨损分析3 9 3 3 1 异常磨损类型与分析3 9 3 3 2 异常磨损的分析4 0 3 4 本章小结4 4 第四章前轮定位参数的优化与仿真4 5 4 1 前轮定位参数的优化4 5 4 1 1 客车前轮定位参数与轮胎磨损的关系4 5 4 1 2 车轮转向角、外倾角数学模型的建立4 7 4 1 3 前轮定位参数匹配优化设计模型4 9 4 2 动力学建模与仿真分析5 1 4 2 1a d a m s c a r 建模思路51 4 2 2 模型参数获取和确定5 3 4 2 3 仿真模型的建立5 3 4 2 4 整车仿真实验与结果6 0 4 3 本章小结6 6 第五章总结与展望6 7 5 1 全文总结6 7 5 2 研究展望6 8 参考文献6 9 硕士期间参与的科研项目7 2 攻读硕士学位期间发表的论文7 2 插图清单 图1 1 轮胎异常磨损图示1 图1 2 胎面平板磨损试验原理图4 图2 1 轮胎刷子模型简图7 图2 2 轮胎的运动学特性简图8 图2 3 侧向滑移时印迹内胎面中心线的变形1 0 图2 - 4 纵向滑移时印迹内胎面中心线的变形1 1 图2 5 滑移率与纵向力的关系1 1 图2 - 6 联合滑移时印迹内胎面中心线的变形一1 2 图2 7 印迹内胎面中心线上理论垂直载荷分布1 3 图2 8 印迹内胎面中心线上理论切向力分布1 3 图2 - 9 行驶时印迹内胎面的滑移变形1 5 图2 1 0 胎面内的切向力1 7 图2 1 l 印迹内胎面的联合滑移1 7 图3 17 0 0 r 1 6 l t 接地印迹一2 1 图3 27 0 0 1 6 l t 接地印迹2 1 图3 39 7 2 k g f 下7 0 0 r 16 l t 的径向、侧向刚度试验曲线2 2 图3 41 2 1 5 k g f 下7 0 0 r 1 6 l t 的径向、侧向刚度试验曲线2 2 图3 59 7 2 k g f 下7 o o 1 6 l t 的径向、侧向刚度试验曲线2 3 图3 61 2 1 5 k g f 下7 0 0 1 6 l t 的径向、侧向刚度试验曲线2 3 图3 7 侧向力与侧偏角的关系2 4 图3 8 子午胎小侧偏角与滑磨功的关系2 7 图3 - 9 子午胎大侧偏角与滑磨功的关系2 7 图3 1 0 斜交胎小侧偏角与滑磨功的关系2 7 图3 1 1 斜交胎大侧偏角与滑磨功的关系2 7 图3 1 2 轮胎相对使用寿命与载荷比的关系2 9 图3 1 3 轮胎气压与磨耗关系3 1 图3 1 4 外倾角与外倾侧向力分布3 1 图3 1 5 前束与前束侧偏力分布3 2 图3 1 6 前束值与滑磨功关系3 4 图3 1 7 理想的内外轮转角关系3 5 图3 1 8 汽车实际轴距与理想轴距的关系3 5 图3 1 9 内外侧车轮垂直载荷变化时等效简化模型3 7 图3 2 0c a l 4 1 轮胎相对磨损量与侧向加速度关系3 8 图3 2 1 转向系与悬架运动干涉计算图3 9 图3 2 2 几种主要的磨损形式4 0 图3 2 3 前轮定位参数与侧滑量试验4 1 图3 2 4 左转和右转时内外轮转角关系与理论值比较4 3 图3 2 5 优化前后实际转角随左输入角的变化曲线与理论值的关系4 3 图3 2 6 优化后前后干涉量与转向垂臂下铰点位置4 4 图3 2 7 改进长直拉杆转向系的方式4 4 图4 1 外倾角与侧向力的关系4 6 图4 2 动态外倾角与转向半径的关系4 6 图4 3 转向轮各定位角度的关系4 7 图4 4 主销轴线与车轮轴线转动的关系4 8 图4 5 转向梯形坐标系与几何关系4 9 图4 6 优化前后内外侧车轮动态外倾角曲线与理论值对比。5 0 图4 7 优化前后相对滑移率的对比。5 1 图4 $ a d a m s c a r 的建模顺序5 2 图4 9 整车的建模示意图5 2 图4 10 前桥模型5 4 图4 1 l 转向系拓扑结构图。5 5 图4 12 转向系结构图5 5 图4 1 3 用a d a m s v i e w 模块建立的钢板弹簧5 5 图4 1 4 前板簧垂直刚度曲线5 6 图4 1 5 转向桥减振器模型特性曲线5 6 图4 16 驱动桥模型5 6 图4 17 底盘模型5 7 图4 18 车身模型点一5 7 图4 1 9 发动机简易仿真模型。5 8 图4 2 0 发动机的特性曲线5 8 图4 2l 驱动轮模型5 9 图4 2 2 前悬架与整车的多体动力学模型建模6 0 图4 2 3 前悬架平行跳动和转向仿真的参数设置6 0 图4 2 4 优化前后前悬架平行跳动仿真左右轮外倾角的变化曲线6 l 图4 2 5 优化前后前悬架平行跳动仿真前束角的变化曲线6 1 图4 2 6 优化前后前悬架平行跳动仿真左右轮后倾角的变化曲线6 2 图4 2 7 优化前后前悬架平行跳动仿真左右轮内倾角的变化曲线6 2 图4 2 8 优化前后前悬架平行跳动仿真轮距的变化曲线6 3 图4 2 9 转向仿真时优化前后的转向梯形参数的a c k e r m a n 误差变化曲线6 3 图4 3 0 整车扫频转向仿真的参数设置6 4 图4 3 1 整车扫频转向时输入转向角随时间变化曲线6 4 图4 3 2 优化前后定位参数下扫频转向时外倾角变化曲线6 4 图4 3 3 优化前后定位参数下扫频转向时侧偏角变化曲线6 5 图4 3 4 优化前后定位参数下扫频转向时纵向滑移率变化曲线6 5 图4 3 5 优化前后定位参数下扫频转向时垂向力变化曲线6 5 图4 3 6 优化前后定位参数下扫频转向时轮胎侧向力变化曲线6 6 图4 。3 7 优化前后定位参数下扫频转向时胎面回正力矩变化曲线6 6 表格清单 表3 17 0 0 r 1 6 l t 接地印迹试验结果2 l 表3 27 0 0 1 6 l t 接地印迹试验结果2 1 表3 39 7 2 k g f 下7 0 0 r 1 6 l t 的径向、侧向刚度试验结果2 2 表3 41 2 1 5 k g f 下7 0 0 r 1 6 l t 的径向、侧向刚度试验结果2 2 表3 59 7 2 k g f 下7 o o 16 l t 的径向、侧向刚度试验结果2 3 表3 - 61 2 15 k g f 下7 0 0 16 l t 的径向、侧向刚度试验结果2 3 表3 7 轮胎参数实验结果与侧偏刚度值2 5 表3 8 两种轮胎的最大允许载荷与气压对应关系2 5 表3 - 97 0 0 r 1 6 l t 轮胎，在6 3 0 k p a 、两种载荷下的滑磨功值2 6 表3 1 07 o o 1 6 l t 轮胎，在6 3 0 k p a 、两种载荷下的滑磨功值一2 6 表3 1 1 两种载荷下子午胎的滑磨功值2 8 表3 1 2 不同气压与侧偏角的滑磨功3 0 表3 1 3 不同前束的滑磨功值3 3 表3 1 4 前轮定位参数实验结果与设计值比较4 1 表3 1 5 前轮转角关系实验结果4 3 表4 1 样车参数5 0 表4 2 整车参数表5 3 表4 3 定位参数初始值5 4 表4 4 a d a m s 轮胎类型概述5 9 表4 5 定位参数对比6 0 图1 - 1 轮胎异常磨损图示 由于汽车轮胎的使用成本占到整车使用成本相当高的比例，因而过短的轮 胎使用寿命会大幅度增加汽车的使用成本。如果能较好地解决汽车轮胎的异常 磨损问题则对于延长轮胎的寿命，降低汽车使用成本和节约资源将有现实的意 义。 近些年来，国内厂家设计、生产客车的技术水平日益提高，但是众多生产 厂家所使用的客车底盘，多数仍是数年前由货车底盘改制而成的。虽然这些货 车底盘的可靠性比较高，但由于经过了改装，轴距、轮距、悬架和转向等方面 都进行了重新设计，在一些方面缺乏理论和试验上的验证，在整车可靠性尤其 是轮胎磨耗等许多指标并不理想。 实际使用情况表明，某些客车的前轮胎磨损普遍较货车更加严重，有些客 车的前轮胎磨损已达到相当严重的程度。如某客车制造公司生产的7 米长，采 用发动机前置，前开门或中开门的轻型客车底盘。在市场上营运后，发现其前轮 异常磨损比较严重，根据和厂家技术人员实地调研所了解到的情况，许多车辆 在新装胎后行驶两个月左右就出现前轮胎单边偏磨严重( 许多轮胎花纹已经磨 光) ，行驶仅1 0 0 0 0 公里。在出现故障的车辆上，胎肩磨损和胎冠磨损是常见 的不均匀磨损形式，此外还有锯齿状磨损和波浪状磨损等，并且主要集中在前 胎内、外侧和轮胎周向上的异常磨损问题。部分轮胎在l 万公里以内便出现了 严重的异常磨损，大大增加了车主的营运成本，严重影响了品牌形象。因此，研 究和分析其前轮磨损机理，采取切实可行的改进措施以降低轮胎磨损尤其是异 常磨损、延长使用寿命，具有十分重要的现实意义。 客车前轮定位参数是指主销内倾角、后倾角、外倾角和前束这4 个参数。 这组参数的选取和匹配，目前许多厂家还处于类比和经验设计，再进行试验验 证的阶段，没有足够的理论指导。因此许多车型的前轮定位参数匹配不科学， 导致大量出现了前轮胎严重的早期异常磨损问题【l 】。本文针对此问题，结合理 论分析，找出前轮定位参数及其在转向时的变化与轮胎磨损的关系，建立数学 模型，并提出合理可行的优化设计方法。 1 2 轮胎磨损领域内国内外研究发展状况 轮胎磨损来自于轮胎橡胶与路面之间的摩擦，却又不限于摩擦问题。胎面 磨耗是轮胎在周向和侧向切应力作用下与路面相互滑移摩擦，胎面橡胶层受到 机械应力、热、氧等因素的综合作用下，发生分子链与交联键断裂破坏的复杂 过程【2 j 。在不同接触压力下，橡胶的磨损状态各不相同，胎面磨耗的大小主要 决定于轮胎和路面接触时压力的大小和胎面各部分在路面上滑动量，而轮胎胎 面与地面接触压力又与轮胎结构、负荷、气压相关联。因此国内外有关学者研 究轮胎的磨损主要从橡胶的摩擦入手，进一步分析接地压力、滑移等对轮胎磨 损的影响。 1 2 1 轮胎磨损微观机理与数值计算方法 上世纪8 0 年代末，郭孔辉提出了各向摩擦系数相等条件的适用于各种印迹 压力分布的纵滑与侧偏联合工况的“统一轮胎模型；9 0 年代，他又提出了各 向摩擦系数不同条件下轮胎力学特性的统一理论模型【3 l ，从而从理论上分析了 轮胎在不同工况条件下的摩擦特性，为研究汽车操纵稳定性和磨损等方面提供 了轮胎力学特性的理论支持。1 9 9 6 年，庄继德出版的汽车轮胎学中，系统 地论述了车轮磨损的机理，并用试验方法测算了胎面的磨损里程，并对橡胶复 合材料和轮胎的结构参数对轮胎磨损的影响进行了阐述，利用基于刷子模型的 摩擦耗散能计算了轮胎的磨耗【2 】。吴光强【4 】等采用单位磨损里程方法，运用 f l e i s c h e r 的橡胶摩擦能量理论，将摩擦功与摩擦体积联系起来，通过轮胎磨损 率，胎冠的滑行距离以及平均接触压力来计算轮胎的摩擦量。一些汽车管理部 门、轮胎制造商、汽车制造厂相关技术人员对轮胎磨损，也做了相应的研究。 方庆红【5 j 等人通过研究橡胶胶料的摩擦特性以及轮胎与路面之间的磨损过程阐 述了轮胎磨损的微观机理，并对轮胎磨损过程及影响的因素进行了探讨。江苏 大学的郭伟1 6 j 在轮胎刷子模型的基础上，将轮胎看作是“橡皮 ，取胎面与地 2 面接触面内的一块微块，微块上的摩擦耗散能为剪切力与滑移距离的乘积，再 通过积分得到接触面内胎面磨损量。 在国外，从上世纪6 0 年代开始就有a s c h a l l a m a c h 和d m t u n n e r 等人对轮 胎磨损理论和试验进行了系统的研究，也基本确立了用来研究轮胎磨损的滑磨 功理论【7 1 。该理论认为汽车轮胎磨损量是由作用于轮胎接地印迹内胎面上由滑 移产生的磨擦功所决定的。滑磨功的大小为印迹内胎面上各点所受到的地面切 向反作用力e 与该点相对于地面产生的滑移距离如。之矢量积的总和，即 a = 动i ( 1 - 1 ) 其中，砟一口为印迹内胎面滑移区，丘为起始滑移点，a 为轮胎滑磨功。 根据对接地印迹所作的假设，a s c h a l l a m a c h 等人推导出了计算轮胎滑磨功 的数学公式，并由此得出轮胎胎面磨损量与各影响参数之间的关系。之后的试 验结果表明，该理论基本上可以反映轮胎磨损的真实情况。此后几十年时间里， 有关轮胎磨损理论的研究工作大部分都是滑磨功理论的发展与完善【8 】。 v e i t h 发展了用于计算轮胎磨损量的简单公式，由其假设可得出，磨损是正 比于摩擦功的大小，即磨损量是由耐磨系数和摩擦功相乘得到的。耐磨系数是 一个针对特定轮速下单位摩擦功的磨损体积的标准。摩擦功代表了各转速下胎 面上产生的摩擦功，g r o s c h 等发展了针对摩擦功的完整模型公式，并考虑了温 度、速度和不同橡胶混合比的影响【9 】。v e i t h 在大量实验基础上提出了磨损和摩 擦能影响力大小的区别，使得分析对磨损有影响的各个参数的作用变为可能。 s p i n n e r 等人发现子午胎磨损远小于斜交胎，并将其归因于轮胎表明压力分 布的差异和变形振幅不同p j 。 f k o u t n y 1 0 j 采用统计学原理，建立数学模型，根据实际实验数据，分析了 温度、湿度和运行距离对轮胎胎面磨损的影响，给出了轮胎磨损寿命和花纹的 可信度磨损极限。 另外，国内外也有不少研究人员将c a e 有限元分析技术应用于轮胎磨损的 建模与仿真中，如通过m s c m a r c 和a b a q u s 等软件进行轮胎的非线性模拟， 在轮胎的应力场和稳定场基础上分析其磨损与轮胎结构、使用参数的关系，并 取得了一系列成果。z h e n g d i 】基于稳态的轮胎有限元模型，考虑了轮胎材料、 车辆参数和驾驶工况，预测特定工况下轮胎宽度方向的磨损，并用轮胎胎面的 磨损高度来预测磨损程度，具有较高的预测精度。 1 2 2 轮胎磨损的宏观试验方法研究 在轮胎磨损的宏观试验研究方面，外国的研究人员从上世纪中期开始就有 了许多探索和尝试，也积累了很多试验研究方法的经验与理论成果。 a s c h a l l a m a c h 等人在研究滑磨功理论的同时也进行了必要的试验测试【12 1 ，主 3 要是应用轮胎磨损试验拖车，测试结果被直接用来验证了滑磨功理论的正确性。 美国和前苏联等国家的研究人员在轮胎磨损实车道路测试方面做了大量的工作 【1 3 】，主要方法是用多辆汽车同时在试验道路上行驶，改变部分车辆的有关参数 值，定期测试轮胎行驶一定里程后的磨损量，从而得出该参数值对轮胎磨损的 影响规律，其结果更接近于实际使用的情况，但其中却又有试验条件不容易准 确控制等问题。 另外，国外也有研究人员使用转鼓试验台测量轮胎的磨损量，这种试验方 法容易较为准确的控制试验条件，有利于分离出单个参数对轮胎磨损的影响关 系，虽然与汽车实际行驶工况有较大差别，但通过对其他许多参数的模拟，也 得到了很多试验成果。日本学者t a t s u of u j i k a w a 和s h u n i c h iy a m a z a k i t l 4 j 通过 轮鼓试验系统研究了轮胎胎面在平板上的磨损和在实际运行过程中磨损的关 系，得到的结论是轮胎胎面上每一点的滑移速度是不同的，并用数学回归分析 表示了速度和接触压力对磨损速率的影响，图1 2 是他们所采用的试验设备简 图。 c r o w r o a d s 镰耐 锄。哪融豫咖l 雠e 耐咖v i 酬鼬胁 戤他晦镧蹦i o r 铂蚋蒯i 毒潍社嘲瞰蛔 图1 2 胎面平板磨损试验原理图 d s t a l n a k e r ”】利用激光扫描装置在室内测试了轮胎在自由滚动和驱动状态 下的磨损情况，得出了不同里程的轮胎胎面不同部位的磨损数据，并和实际磨 损状况进行了对比。 s h i n g o k t l 6 i 等在试验中对影响轮胎磨损的力和定位角度进行了测量，根据 测量得到的数据拟合了磨损量与各参数之间的公式，并基于轮胎磨损线性化的 假设，运用a s c h a l l a m a c h 的滑磨功理论对轮胎磨损进行了数值计算。 荷兰应用科学研究院( t n o ) 1 7 】历时3 年开展了t r o w s 项目，理论和试 验研究了轮胎磨损与道路磨损之间的关系，也是使用摩擦耗散能来计算轮胎的 瞬时磨损和总磨损量。 丰田汽车的酒井智次【1 8 l 等通过改变橡胶的磨损率，在磨耗试验中添加金刚 砂等方法模拟路况，改进了磨耗试验。 4 1 2 3 轮胎异常磨损的研究 前面已经提到，轮胎异常磨损是包括不均匀磨损在内的远在达到规定的寿 命之前就产生了的非正常的磨损。胎肩和胎冠磨损是常见的异常磨损形式，而 造成异常磨损的影响因素多而复杂，除了轮胎的结构、花纹、材料、气压和负 荷外，车辆底盘参数如定位参数、转向梯形的匹配，转向侧倾、转向系机构的 运动学干涉以及车辆使用状况都有很大的影响，这些也是车辆和轮胎设计的核 心。国内也有一些基于解决实际磨损问题的参考文献，但也都因为机理的复杂 性，探讨的理论深度不够，多侧重于通过减少前轮的侧滑量减轻异常磨损现象， 而缺少对造成异常磨损影响机理的不同影响因素进行系统的研究。 国外文献中也鲜有轮胎异常磨损问题的论述，在一些国外数据库中，即便 有这方面的文献，也只讲些简单结论，参考文献多为国外各研究机构和轮胎公 司的内部报告与实验数据，不易得到。 根据相关文献和专著中对轮胎异常磨损的研究情况，也可以发现对于轮胎 异常磨损机理研究的大概方向。同济大学的黄海波【l9 1 考虑车辆系统的动态，分 析了轿车轮胎的不均匀磨损的机理和基于胎面扰动的轮胎寿命预测方法。 f l u e g g e 在对轮胎不均匀磨损的车辆试验中得到前束角对不均匀磨损的影 响最大，外倾其次的结论。p f l u g h a u p t 和e l o y 也在测量中进一步发现不均匀的 胎肩磨损是由大的前束角引起的。m c n o r t o n 在对载重车辆试验中发现外倾角对 磨损有决定性作用。y a m a z a k i 将其总结为汽车运行参数变化而造成的侧向力的 增加和减少及由之产生轮胎与地面之间的滑移。 在国内，王健康、安相璧、魏道高【3 4 儿3 5 】等也指出，前束角和外倾角的初始 设置对于轮胎的非正常磨损起到了非常关键的作用，而装配误差，连接间隙等 能够引起定位角度变化的原因也是轮胎非正常磨损的原因。本课题中也特别对 于定位参数对异常磨损的影响机理从理论上进行了分析，并进行了优化设计和 仿真验证。 1 3 本论文主要研究目的与内容 论文的研究目的是深入探讨多因素综合作用下客车底盘前轮异常磨损的发 生机理并针对客车前轮的异常磨损提出前轮定位参数匹配的优化设计方法，并 加以验证。论文主要内容有如下几个方面： ( 1 ) 轮胎磨损理论与微观机理分析 在研究轮胎磨损的微观机理时，在简化的轮胎力学模型基础上，推导出滑 磨功的数值计算模型。按照文献【7 1 【1 2 1 【2 0 1 【2 1 】中的推导过程，逐步推导出一个较为 完善的滑磨功数值计算公式，该公式作为本文大部分计算工作所应用的理论依 据。 ( 2 ) 计算轮胎磨损量与有关参数之间的关系 分析轮胎的侧偏角、气压、载荷等参数和车辆底盘的前轮定位参数、转向 梯形、转向时的侧倾等因素影响轮胎磨损的机理，并进行了相应的计算分析， 得出了汽车参数值对轮胎磨损影响的一般规律，从而系统的探讨了轮胎异常磨 损的机理。 在轮胎异常磨损机理的理论分析基础上，结合课题中的实际情况，分析了 该车型轮胎异常磨损的原因并提出解决方案。 ( 3 ) 在现有的理论的基础上，根据定位参数动态变化和轮胎磨损的关系，通过 建立考虑前轮定位参数空间几何关系的计算前轮动态外倾角和实际转角值的数值 模型，提出了各定位参数为设计变量的优化设计方法，编写优化程序并得到了 设计值范围内使得轮胎磨损最小的最优解，为研究客车定位参数的选取与优化 提供了依据。 ( 4 ) 根据实车参数，建立了整车的多体动力学模型，进行了悬架和整车的仿真 试验，通过改变前桥的定位参数，对比了优化前后的定位参数对影响轮胎磨损 性能的相关参数的仿真结果，认为优化后的定位参数可以减少车辆的轮胎磨损 量。 6 第二章轮胎磨损微观机理分析 由于轮胎磨损原因非常复杂，综合影响因素很多，使得其机理至今在理论 上尚未完全探明。但是现有的研究成果大多认为主要原因源自于轮胎滚动时， 由于各种滑移而产生橡胶摩擦能的耗散以及路面对轮胎的微观撕裂和切割，即 摩擦能耗散和变形能耗散。而在这些能量损失当中，并非都导致了轮胎橡胶的 磨耗，还会有部分、以热能的形式耗散的。因此，在计算轮胎磨损时应对能量 耗散进行一定折算，引入表征单位时间里磨损程度与能量耗散关系的量，有学 者称之为轮胎磨损速率【2 2 1 。 办= 瓦e ；( 9 s ) n( “o 风) p 缁 ( 2 - 1 ) 其中e 是摩擦耗散能，u op 0 是材料常数，、以、p 。可由实验获得。 从研究轮胎磨损的文献中发现，主要的思路都是在简化的轮胎模型基础上， 从滑移的角度对轮胎与路面接触印迹面内的压力分布进行分析，进而计算出轮 胎的由于滑移产生的摩擦能量耗散。本论文中，延续了这一方法，针对研究课 题中的客车前轮为非驱动轮，将磨损能量的计算分为在轮胎驱动和制动时的纵 向滑移滚动、侧偏滚动时的侧向滑移和联合滑移三种情况下进行。 滑磨功理论是研究轮胎磨损规律的基本理论，它基于轮胎接地印迹内的胎 面滑移和受力两方面，从这两个方面出发，通过建立轮胎受力的物理模型，逐 步推导出较完善的不同工况下的滑磨功计算公式。 2 1 简化的轮胎运动学特性与力学模型 轮胎刷子模型是假设胎体为刚性和胎面为弹性，即轮胎弹性完全集中在具 有刷子变形特征的胎面上，而将胎体视为刚性体( 即不考虑胎体弹性) 的简化理 论模型。参照文献【2 3 1 将轮胎的刷子模型简化为如图2 1 的形式。该模型假设胎 体可以沿x 、y 、z 三个方向产生变形。 轮毅 刷子单元 图2 1 轮胎刷子模型简图 7 图2 2 轮胎的运动学特性简图 设胎面印迹内一点的速度；：( ；工，；y ) ，侧偏角口：a r c t 觚羔。 轮胎的滚动速度为： = 缈疋 其中，国为车轮的滚动角速度，尺。为轮胎滚动的有效半径。 滑移速度；，= ( ；盯，；y ) ，叱为车辆前进方向的速度，纵向滑移速度为： v 。2 叱一k 定义滑移率为：s ：一a v 1 ， 纵向滑移率最为： 瓯= 詈= 警k缈。 制动滑移率瓦为： 咒= 半= 击 8 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 从：q 二型x ( 2 9 ) k 其中，j 为计算点距离印迹初始点之间的距离。 胎面变形的存在将使印迹内的胎面各点产生切向变形力，随着变形的增加， 作用于胎面上的切向变形力随之增加。当该力的大小增加到路面附着极限时， 胎面将相对于地面产生滑移。因为一般印迹后部的胎面变形比印迹前部的胎面 变形大，因而胎面滑移往往发生在印迹的后部。当滑移发生时，滑移区内胎面 上的点在变形恢复力的作用下克服地面附着力而做功，即胎面滑磨功【引。滑磨 功的理论认为，胎面磨损发生于印迹内的胎面滑移区内。 2 1 2 简化的轮胎力学模型 ( 1 ) 侧向滑移工况 当车轮不受侧向力作用时，接地印迹的中心线将与车轮的中心平面在地面 上的投影线重合。当车轮受到静态侧向力作用时，车轮将产生侧向变形。若车 轮以速度v 前进时，侧向力的存在将产生侧偏角口，其印迹内的胎面中心线的 变形见图2 3 。图中a 为印迹起始点，c 为印迹终点，b 为起始滑移点，x ：是 它的坐标。由于地面的附着作用，当胎面上的点进入印迹后，变形曲线首先如 a b 所示，胎面侧向变形的大小缈与胎面上的点进入印迹的距离x 成正比，衄可 表示为： a y = x t a n t r (