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对双轴转向引起的汽车轮胎磨损成因的相关研究
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考
试题
随着汽车工业的发展,轮胎作为汽车一个重要部件,对其性能的要求越来越高。轮胎磨损是影响轮胎寿命的主要原因。轮胎耐磨特性的优劣直接影响轮胎的行驶里程。不正常的磨损可导致轮胎的提前报废,其造成的经济损失也是非常大的。据据统计,轮胎的维修费用约占整台车辆正常维修费用的15%。轮胎的不正常磨损还会造成轮胎爆破等故障,严重威胁汽车的行驶安全。因此,分析轮胎非正常磨损的原因,对防止轮胎非正常磨损、延长使用寿命、节约成本、提高其使用效益和保证安全作业等都具有现实意义。
1 转向系统组成
转向系统是用来改变汽车的行驶方向和保持汽车直线行驶的系统,它由转向控制机构、转向传动装置和转向车轮组成,在采用动力转向的汽车上还有功能装置。转向控制装置是指控制汽车转向运转的部分,由驾驶员直接或间接操作,转向力全部或部分由驾驶员的肌肉作用来提供。转向控制装置是使转向效果变为机械、液力或电力方式提供的全部零件,如转向盘、转向轴、转向器。转向传动装置是指转向控制装置与转向车轮之间传递转向力的所有零件,如转向臂、转向纵拉杆总成、转向节上臂等。
2 双轴转向结构
双轴转向汽车多以两个前轴为转向轴,具有双前轴转向结构的汽车,常被称为“前四后八(轮胎)车”。双前轴转向结构有多种形式,基本上都能够满足汽车的转向要求。双前轴转向结构设置前、后两个转向轴由同一液压动力转向器操纵,前、后转向轴的转动方向和转向角度基本同步。双轴转向传动机构中增设前后两个可调节长短的可调连杆,及两转向悬臂和四个连接销、销套。两个悬臂座分别固定在车架上,前后可调连杆两头为正反丝扣套接,平时紧固卡子和紧固螺栓将可调连杆杆身和两头的接头紧为一体,需要时松开两头紧固螺栓,旋转可调连杆杆身可达到伸缩调整。调整前可调连杆的长短时,前悬臂被带动旋转一个角度,前悬臂的旋转一方面是带动前转向直拉杆运动,使得前轴车轮转动一个角度,另外又通过后可调连杆带动后悬臂旋转一个角度,引起后轴车轮转动一个角度。因此,调整前可调连杆的长短,就是调整两转向轴、转向轮与转向摇臂的相对位置。调整后可调连杆时,只有后悬臂被带动旋转,因此只是调整后转向轴、转向轮与前转向角的相对位置。其双轴转向传动机构如图1所示。
1.转向摇臂;2.前可调连杆;3.前悬臂;4.后可调连杆;5.后悬臂;
6.前转向直拉杆;7.后转向横拉杆
图1 双轴转向传动机构示意图
3 双轴转向汽车轮胎磨损分析
3.1 双前轴转向引起轮胎异常磨损特点
轮胎对汽车行驶平顺性和转向性能的影响很大,对保证汽车的安全性能也很重要的作用。轮胎类型不合适,气压不合适以及磨损的轮胎都会造成危险。如果轮胎和车轮不平衡,会加剧轮胎磨损。在使用中,轮胎除了正常磨损外,也会由于车轮定位参数不匹配或汽车转向结构故障等而出现不正常磨损,如图2所示:
a) b) c) d) e)
a)气压常太高或遭遇恶劣的行驶条件;b)气压常太低;c)车轮运转不平稳;d)悬架失效或定位参数不匹配;e)车轮发卡后的强制动
图2 轮胎磨损形式及原因
双前轴转向汽车除了会发生上图中的各种磨损形式外,还会因为轴间侧滑而发生特殊形式的轮胎磨损。如单独观察每一个转向轮,轴间侧滑与轮间侧滑引起的轮胎磨损形式基本相同,即磨损部位偏向一侧,但是把所有转向轮作为整体来观察,其磨损特点就有明显差异。
a) b)
图3 车轮定位参数不匹配时同一轴上左右车轮磨损情况
图3是汽车存在轮间侧滑时,同一转向轴上左、右车轮的磨损情况,两个车轮的磨损部位同时在内侧或同时在外侧,原因是两个车轮在滚动的同时发生相对或相反方向的侧滑。
图4是汽车存在轴间侧滑时同一转向轴上左、右车轮的磨损情况,两个车轮磨损部位同时发生在一侧,而且如果前转向轴左、右车轮的磨损部位在右侧,那么后转向轴左、右车轮的磨损部位一定在左侧,即前、后转向轴车辆磨损部位刚好在相反的方向上,这是因为前、后转向轴各自带左、右车轮向相反方向侧滑。
a) b)
图4 双前辆转向汽车同一轴上左右车轮磨损情况
3.2 双前轴转向结构故障对汽车直线行驶的影响
双前轴转向传动机构的任务是将转向器输出端的转向摇臂的摆动转变为前后转向桥的左、右转向车轮绕其各自在的转向主销的偏转,并使他们偏转到绕同一瞬时转向中心的不同轨迹圆上,实现车轮无滑动地滚动转向。汽车在使用一段时间后,转向传动机构中一些配合零部件之间要发生磨损,尺寸较长的杆件要发生弯曲变形,这些都严重影响汽车的直线行驶。
3.2.1 可调连杆变化对汽车直线行驶的影响
双前轴转向传动有前后可调连杆和转向悬臂机构。转向悬臂机构通常工作比较稳定,容易出现问题的是可调连杆。可调连杆两头为正反丝扣套接,平时紧固卡子和紧固螺栓将可调连杆杆身和两头的接头紧为一体,需要时松开两头紧固螺栓,旋转可调连杆杆身可达到伸缩调整。如果说紧固卡子和紧固螺栓在使用过程中松动或可调连杆弯曲变形,可调连杆的长度将会改变,这将严重影响汽车的直线行驶性能。
3.2.2 前、后转向轴偏斜对汽车直线行驶的影响
前、后转向轴车轮偏转方向共有四种组合,即均向左偏转、均向右偏转、前轴车轮向左偏转后轴车轮向右偏转、前轴车轮向右偏转后轴车轮向左偏转。当车架变形、车桥变形、骑马螺栓松动、车桥装配连接部位磨损松旷时便会造成前后转向轴的偏斜,转向轴偏斜也有两种情况,即向同一侧偏斜和向不同侧偏斜。转向轴偏斜和转向轮偏转都严重影响汽车的直线行驶。从运动学的观点看,车轴及车轮绕垂直于地面的轴线转动的效果与轮胎发生(弹性)侧偏角后的效果一样,前、后转向轴偏斜将引起车轮侧滑,轮胎异常磨损。
3.3 车轮侧滑机理及轮胎磨损
双前轴转向汽车除了车轮间侧滑还存在轴间侧滑,即前、后转向轴引导汽车转向方向不一致而引起的车轮侧滑。
3.3.1 轮间侧滑
汽车设计时,为使转向车轮具有转向轻便、准确和行驶稳定等性能,在转向轮上设有四项结构参数,即:主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和车轮前束。主销内倾角使转向操纵轻便且能使车轮自动回正;主销后倾角能形成回正的稳定力矩,从而保证了汽车稳定的直线行驶;车轮前束在车辆前行时,减少因轮胎外倾造成的两轮分别向外滚开的趋势,使轮胎不致在地面上横向拖磨而产生异常磨损。车轮外倾角避免车桥因承载变形而可能出现的车轮内倾,从而避免汽车轮胎的偏磨损。
3.3.2 轴间侧滑
汽车在路面上直线行驶时,车轮企图向内侧运动,车轴给其一向外的力,则在车轮接地外轮胎将受到一向内的地面侧向的反作用力,即为前束侧向力。在前速侧向力作用下,轮胎将产生侧向变形其变形方向与外倾侧向变形方向相反。同车轮在外倾侧向力作用下产生侧偏,导致轮胎在接地外滑移一样,前束侧向力也将使轮胎在接地处产生侧偏并导致侧向滑移,从而加剧了轮胎的磨损。
4 总结
双前轴转向汽车的轮胎磨损的主要形式是偏磨损,这种磨损有别于车轮定位参数匹配不当时引起的偏磨损。当定位参数匹配不当时,同一转向轴上左右车轮的磨损部位都在内侧或外侧,主要是左右车轮在滚动的同时还要产生相向或相反侧滑,而双前轴转向汽车前、后转向轴引导汽车转向方向不一致时,同一转向轴左、右车轮的磨损部位都在同一侧,且前、后转向上的车轮偏磨损的方向正好相反,这是双轴转向汽车特有的轮胎磨损规律。
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