駕駛苛刻度數在解決輪胎異常磨損中的應用

趙 巖，韓衛強，李海亮

0 引 言

隨著用戶對汽車駕乘體驗舒適度要求不斷提升，汽車設計和制造技術也不斷更新迭代。輪胎作為汽車與地面接觸的唯一部件，是被高感知的具有品牌屬性的部件，具有傳遞能量、減緩沖擊等方面作用，影響整車的平順性和舒適性、經濟性、制動性及NVH（Noise、Vibration、Harshness，噪聲、振動與聲振粗糙度）等性能[1]。為適應“雙碳”目標發展要求，汽車輪胎滾動阻力系數設計得越來越低，但受“魔鬼三角”即輪胎滾動阻力系數、耐磨性和抗濕滑性能制約[2]，降低滾動阻力系數會限制耐磨性、抗濕滑性發揮，增加輪胎異常磨損的可能性，使異常磨損問題凸顯。

輪胎異常磨損現象各異，成因復雜，需有針對性地制定改善措施。本文利用DSN （Driving Severity Number，駕駛苛刻度數）排查分析輪胎異常磨損的原因，為整車耐久試驗更加規范化開展提供數據支撐，豐富開發驗證手段。

1 輪胎異常磨損

常見的輪胎異常磨損如圖1所示。

圖1 輪胎異常磨損

圖1（a）為前輪內側、后輪外側偏磨情況，表現為胎肩處花紋溝深相對另一側低或胎體簾線露出等，輪胎偏磨多和四輪定位參數、懸架結構、高速環道試驗工況等相關；圖2（b）為輪胎中部磨損過快，表現為中部花紋主溝明顯比兩側淺，這與輪胎氣壓過高[3]、輪胎花紋及結構設計不合理等相關；圖1（c）為輪胎肩部偏磨，并伴隨橡膠開裂、脫皮掉塊等現象，這與駕駛工況及駕駛習慣相關。

圖2 右前輪胎磨損情況

受驅動位置、軸荷分布及前輪頻繁轉向等因素影響，前、后輪胎的磨損速度不同，例如前置前驅車輛的前輪胎磨損速度明顯高于后輪胎。為延長輪胎整體使用壽命，除定期修正車輛四輪定位參數、輪胎氣壓外，建議車輛使用過程中定期進行輪胎換位[4]。

2 DSN

VEITH 根據輪胎磨損的影響因素及特性，提出駕駛苛刻度監測系統[5]，包括測試橫向加速度的加速度計、車輪轉動計數器和信號處理及顯示模組。系統輸出的指數即為DSN，用來表征車輛轉彎和縱向強度，可采用DSN 量化表示行駛路線-車輛-駕駛員系統對輪胎磨損的影響，但未考慮輪胎橡膠的實際耐磨性及路面情況，因此DSN是相對磨損參考指標，不能計算絕對磨損或磨損率，通過DSN 可以橫向比較不同工況對輪胎磨損的影響，為快速解決異常磨損提供參考。

輪胎受到的縱向力和側向力均影響輪胎磨損，其中側向力影響更大，因為輪胎側向剛度比縱向剛度低，容易因變形和受力不均而出現滑動摩擦。DSN 由CSN（Cornering Severity Number，轉向苛刻度數）和BSN（Braking Severity Number，制動苛刻度數）組成，根據經驗，側向力與縱向力的摩擦功為5∶1，即

式中：DSN為DSN；CSN為CSN；BSN為BSN；ayi為第i段行程平均側向加速度與重力加速度g的比值；axi為第i段行程平均縱向加速度與重力加速度g的比值；Fz為輪胎實際載荷，N；Fz,R為輪胎額定載荷，N；n為輪胎總轉數。

3 案例解析

3.1 故障現象

某SUV 在整車耐久試驗中右前輪外側出現間斷性偏磨脫皮，同時花紋主溝存在若干裂紋，如圖2所示，故障里程出現在6 000～11 200 km，其余3 個輪位的輪胎胎肩均無脫皮、開裂問題，其中左前輪胎磨損情況如圖3所示。

圖3 左前輪胎磨損情況

圖2（a）為右前輪胎胎肩間斷性脫皮前期表現，集中在胎肩花紋橫溝的同一側（接地旋轉時位于胎肩橫向花紋后側），且脫皮與輪胎中心面呈斜向擴展趨勢；圖2（b）為輪胎胎肩局部脫皮表現，外側胎肩磨損脫皮嚴重，從輪胎主溝看，主溝1、2 的內側磨損較為嚴重，呈現鋸齒狀，主溝外側肩部平整，磨損位置伴隨開裂，自外向內，磨損開裂逐漸減輕；圖2（c）為輪胎異常磨損部位胎側磨損表現，表面呈斜向波浪狀紋理，說明該部位與地面有斜向滑移摩擦，滑移方向與波浪紋垂直。對比圖3 左前輪胎，其胎肩磨損較快，但未出現脫皮、開裂問題。

圖4為故障輪胎的花紋主溝深度值，最外側較最內側減少1.1 mm，超過偏磨判定標準（標準值為1.0 mm），說明存在外側偏磨現象，初步推斷輪胎發生了比較嚴重的側向滑移。

圖4 右前輪胎花紋主溝深度（周向6點平均值）

3.2 故障排查

按照人、機、料、法、環列出輪胎異常磨損的潛在原因，如圖5所示，進行逐一分析：（1）駕駛員將連續彎道、方形轉彎簡化為連續繞圓工況，部分路況速度偏高，加劇輪胎磨損；（2）定期監測及調整胎壓，未發現異常，80%里程為1人載、20%里程為滿載均符合要求，兩次檢測四輪定位參數均合格，左右側軸距相當，底盤其他部件無異常；（3）對故障輪胎生產過程、斷面結構及尺寸、硫化過程及胎面膠物性進行排查和檢測，未見異常；（4）高環、連續彎道等工況加劇外側磨損，故障車為中改車型，定位參數已經過多輪驗證，設計合理；（5）試驗過程中未出現氣溫異常情況。

圖5 右前輪胎異常磨損故障排查

初步確定整車試驗工況加速輪胎磨損，胎肩脫皮、開裂受駕駛員駕駛習慣影響較大，但仍未找到對右前輪胎開裂、脫皮的合理解釋。

3.3 DSN測試

對故障車安裝DSN 檢測設備，如圖6 所示，監測整車各工況DSN，整車為半載狀態，測試結果見表1。

表1 綜合耐久試驗DSN測試

圖6 駕駛苛刻度系統安裝

由表1 可知，DSN 在不同工況下取值變化大，其中連續彎道和方形轉彎工況下的取值較大，說明此時輪胎磨損最為嚴重。

圖7為高速環道工況下試驗車輛的加速度及分布。

圖7 高速環道工況加速度及分布

由圖7（a）可知，高速環道工況下加速度絕對值均不超過0.2g，受試驗場路線限制，圖7（b）中右轉工況（側向加速度為負）出現比例明顯高于左轉工況（側向加速度為正）。

圖8為城市路模擬工況下試驗車輛的加速度及分布。

圖8 城市路模擬工況加速度及分布

由圖8（a）可知，城市路工況下最大縱向加速度的絕對值為0.6g，最大側向加速度的絕對值為0.82g，圖8（b）中驅動工況（縱向加速度為正）出現比例低于制動工況（縱向加速度為負），左轉與右轉分布比例相當。

圖9 為方形轉彎工況下試驗車輛的加速度及分布。

圖9 方形轉彎工況加速度及分布

由圖9（a）可知，方形轉彎工況下車輛側向加速度的絕對值較大，最大值為0.78g，圖9（b）中左轉工況出現比例高于右轉工況，其中具有較大加速度絕對值的左轉制動工況（側向加速度＞0.10g，縱向加速度＜-0.06g）出現比例最高，為41%。

圖10為組合路工況下試驗車輛的加速度及分布。

圖10 組合路工況加速度及分布

由圖10（a）可知，組合路工況下加速度絕對值均不超過0.2g，受試驗場路線限制，圖10（b）中右轉工況出現比例明顯高于左轉工況。

圖11為連續彎道工況下試驗車輛的加速度及分布。

圖11 連續彎道工況加速度及分布

由圖11（a）可知，連續彎道工況下車輛側向加速度的絕對值較大，圖11（b）中左轉與右轉分布比例相當，其中具有較大加速度絕對值的左轉制動工況出現比例最高，為26%。

綜上，方形轉彎工況和連續轉彎工況的加速度絕對值較大，與表1中相同工況下具有高DSN值的結果匹配，且左轉制動工況占比相對較高。對比整車試驗規范，發現3方面問題：（1）組合路工況的試驗車速略高于規范要求；（2）試驗取消了連續彎道工況的直行段，成為完全繞圓試驗，平均車速為26.3 km/h，超出規范值8 km/h兩倍多；（3）方形轉彎試驗與連續彎道試驗被試驗駕駛員主觀更改為繞圓試驗，并在同一場地連續完成，車輛受慣性影響，在離心力作用下發生側滑，輪胎外側持續保持較高壓力，且兩種工況下左轉工況較右轉工況多，左轉制動較右轉制動加速度大，右前胎肩頻繁受壓并發生接觸摩擦，胎面磨到極限后露出基部膠，由于基部膠耐磨性較差，磨損速率較快，繼續行駛后產生脫皮、掉塊現象。

試驗結果說明駕駛員更傾向于進行左轉繞圓駕駛，其可能原因為：受離心力作用，車輛左轉時左側抬升、右轉時左側下降，左轉時座椅對駕駛員的支撐作用比右轉時強，同時，相同車速及繞圓半徑下，左轉時駕駛員在內側，其離心力較右轉時小，使駕駛員感覺更舒適，也在一定程度上促使左轉出現更高車速。

3.4 試驗改進

將DSN 測試結果反饋給試驗駕駛員，要求加強培訓并在后續整車試驗中嚴格按照試驗規范開展整車耐久驗證。之后整車試驗未再出現輪胎異常磨損、脫皮開裂現象。

通過DSN橫向對比能夠量化分析輪胎異常磨損的出現工況及原因。結合整車開發實際與經驗，將輕度制動0.35g所對應的DSN值設置為參考標準，超過該值會使輪胎磨損加劇，嚴重時引起輪胎異常磨損。設置DSN標準數值，有助于規范和提醒試驗駕駛員的駕駛行為，保證試驗項目按要求完成。目前，DSN監測系統應用較少，后續開發中需根據實際應用、積累數據進行迭代優化，進一步豐富故障排查手段。

4 結 論

輪胎異常磨損是整車開發及日常使用中的常見故障，本文通過應用DSN 監測系統查找試驗車輛右前輪外側胎肩脫皮開裂等異常磨損的原因，發現部分試驗工況可以加速輪胎磨損，駕駛習慣是導致輪胎脫皮開裂的直接原因。通過糾正試驗員的駕駛習慣，可以有效控制輪胎異常磨損。

DSN監測系統具有實用性強、效率高的特點，既可用于試驗車輛，也可用于社會道路車輛，有助于提升開發工作效率，節省開發成本。今后將持續積累整車開發中DSN數據并迭代其應用，為整車耐久試驗進一步規范化提供數據支撐，更好地指導整車試驗及日常使用。