分析双横臂独立悬架轮胎的寿命与轮距变化量关系

刘旭

【摘要】本文分析轮距变化引起轮胎磨损、操稳性变差的机理，提出解决措施。根据双横臂独立悬架运动学和动力学结构，推导优化轮距提高轮胎使用寿命。

【关键词】轮距变化 轮胎磨损

双横臂独立悬架结构特点决定了车轮跳动时，车轮绕瞬时中心摆动，左右轮之间的距离会产生变化。轮距变化影响整车操纵稳定性，影响轮胎寿命，因此控制轮距的变化量和变化趋势，是悬架设计的一个重要技术要求。

一、轮距变化对整车性能影响

（一）轮距变化造成轮胎异常磨损

路面不平或转向，车轮产生相对于车身的上下跳动，悬架导向机构运动，引起轮胎的横向滑移，轮距发生变化。

车轮上跳时，轮胎负荷增加，如果轮距变化量过大，引起滚动车轮的侧偏，不仅产生侧向力，还使直线行驶能力下降，滚动阻力增大，轮胎磨损加剧，轮胎寿命下降。

车轮下落时，因轮胎负荷减小，可以适当增加轮距变化量，提高整车横向稳定性。

轮胎磨损后，降低了轮胎的特性，降低整车的操纵稳定。

（二）轮距变化产生侧偏角，影响汽车的操纵稳定性如图1所示，图中点Cm为质心，点Pm为独立悬架横臂虚拟作用点，点Om为悬架侧倾中心，点Cm与Om距离为侧倾力臂。图1（a）为悬架设计状态的车身姿态图，图1（b）为转弯工况下的车身姿态图，图1（c）为单轮过凸块的车身姿态图，分析悬架拉伸和压缩行程的侧倾运动。

图1（b）所示，假设汽车右转弯，产生侧倾力綧MΦ，车身逆时针侧倾转动，左侧悬架压缩、右侧悬架伸张，左车轮相对车身上跳（悬架压缩）、右车轮相对车身下落（悬架拉伸）。

若左悬架轮距减小、右悬架轮距增大，则侧倾中心偏移量e增大，加剧左悬架压缩、右悬架拉伸，侧倾力矩增加，车身侧倾加大，驾驶员和乘客感到不稳定、不安全和不舒适，操纵稳定性变差。

（三）车轮变化量的推导

小型轿车轮胎的侧向刚度约为100～200N/mm，最大轴荷约为1000～2000kg，因此在最大车轮跳动量下要保证轮胎侧向变形在弹性变形范围，否则轮胎属于应力磨损。由于轮胎侧向力磨损是纵向力磨损的3倍以上，考虑轮胎疲劳磨损，一般要求轮距变化量远小于轮胎在最大侧向力作用下的弹性变形量。

轿车的悬挂质量的侧倾力臂如果设为400mm，当由于轮距变化引起的车身侧倾角为1°时，轮距变化量在6mm以上。

根据以上轮距变化约束，以及综合考虑轮距变化引起的外倾角变化、侧倾中心变化、侧向力增加、载荷重新分配、侧倾转向等性能影响，目前一般采用下面原则控制轮距变化量和变化趋势。

车轮上跳时轮距应适当增加，但增加量不宜过大，一般说来，车轮跳动+50mm时，轮距增加量不超过5mm。

车轮下跳时轮距应适当减小，减小量可以适当大一些，一般说来，车轮下落-50mm，轮距减小量不超过5mm。

二、轮距变化产生的原理

由于载荷发生变化、路面不平引起垂向加速度、转向引起车身侧倾角等原因，车轮产生相对于车身的上下跳动量z，悬架导向机构运动跟随运动，传递到轮胎产生轮距变化量y3，如2图所示。

轮胎上下跳动时，上横臂绕横臂R1作近似圆弧运动，垂直跳动距离为z1；下横臂绕横臂R2作近似圆弧运动，垂直跳动距离为z2；轮胎接地点将产生绕侧倾力臂R3作近似圓弧运动，垂直跳动距离为z。

上下横臂的瞬时中心轨迹近似为：

式中

y1—上横臂外点（近轮胎点）横向变化量，mm；

y2—下横臂外点（近轮胎点）横向变化量，mm；

a—前视图，上横臂内外点垂向距离，mm；

b—前视图，下横臂内外点垂向距离，mm。

本文采用双横臂独立悬架左边后视图描述双横臂独立悬架的跳动原理，如图2所示。

上下横臂瞬时中心随着车轮的跳动而跳动，横臂导向机构因与车轮铰链而产生推拉作用力，因此车轮的外倾角发生变化：

z1=z-dr

z2=z-3r

式中

d—上横臂外点（近轮胎点）距轮心横向距离，mm；

e—下横臂外点（近轮胎点）距轮心横向距离，mm；

r—外倾角变化量，°。

外倾角变化量近似为：

r=y1-y2（4）

如果侧倾中心≠∞时，轮距变化量近似为：

y3=H/hy2-H-h/hy1（5）

式中

H—上横臂外点（近轮胎点）距地面高度，mm；

e—上、下横臂外点（近轮胎点）垂向距离，mm。

式（2）、（3）、（4）带入式（5）简化后得轮距变化的近似值

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、优化轮距变化结果

以上下横臂与车身的铰接点的横向和纵向坐标为优化函数，以轮距变化量为优化目标，进行优化。

PU—Y、Pu—Z参数为上横臂与车身的铰接点距车身对称面距离、距轮心高度PL—Y、PL—Z参数为下横臂与车身的铰接点距车身对称面距离、距轮心高度

曲线中ORG为原车状态，A、B、C、D、E为五种优化方案，得到图3的轮距变化量优化结果。

由曲线和表格可知，方案B轮距变化量最小，车轮上跳时轮距增加，车轮下跳时轮距减小，可以获得比较理想的悬架性能。

四、应用案例

通过公式法验证计算，上横臂加长抬高、下横臂加长下降有利于减小轮距变化，延长轮胎寿命。实车比较采用原车状态和B方案的两款前双横臂独立悬架客车，采用原状态客车1015万公里更换一套轮胎，采用B方案客车20万公里不需要更换轮胎。

参考文献：

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[2]庄继德.现代汽车轮胎技术.北京：北京理工大学出版社，2001.

[3]《汽车工程手册》编辑委员会.汽车工程手册设计篇.北京：人民交通出版社，2001.

[4] M[1]iken and Douglas L.M[1]iken.Chassis Design Prin-ciples and Analysis.

[5]王国强，张进平，马若丁.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践[M]，西安：西北工业大学出版社，2002..