基于試驗的輪胎溫度場分布及影響因素分析

李 勇，左曙光，段向雷，郭學良

（1.同濟大學新能源汽車工程中心，上海201804；2.同濟大學汽車學院，上海201804）

近年來，隨著我國高速公路的迅速發(fā)展和路面條件的不斷改善，汽車對輪胎高速使用性能的要求日益提高，生熱已成為影響輪胎使用性能及壽命最尖銳的問題之一［1－2］.輪胎滾動時橡膠材料的黏性損耗生熱及輪胎與路面間的摩擦生熱，使其工作溫度上升，這直接影響輪胎的使用性能，不僅加速輪胎的疲勞損壞，而且影響輪胎的耐久性.胎面橡膠對溫度非常敏感，溫升使胎面橡膠的抗拉強度、剪切強度、疲勞強度等物理力學性能下降，加劇胎面磨損，導致輪胎提前報廢［3－4］.

另外，輪胎溫度的升高對車輛的行駛完全也有很大的影響.據(jù)有關部門統(tǒng)計，每年約46%發(fā)生在高速公路上的交通事故是由于輪胎發(fā)生故障引起的，其中由爆胎引發(fā)的事故約70%.可見，輪胎溫度升高雖然不是造成交通事故的直接原因，卻是最主要的誘導因素.輪胎溫度的升高會導致胎壓升高，尤其在夏季，極易誘導輪胎爆胎事故的發(fā)生，造成嚴重的后果.

輪胎在連續(xù)行駛一段時間后，輪胎將不再吸收熱量，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量等于向外散去的熱量，即達到穩(wěn)態(tài)熱平衡狀態(tài).穩(wěn)態(tài)溫度是衡量輪胎耐久性及安全性的重要指標，輪胎穩(wěn)態(tài)溫度越低，質(zhì)量就越好，因此研究輪胎穩(wěn)態(tài)溫度場分布及影響因素具有十分重要的意義.本文基于轉(zhuǎn)鼓試驗，對不同工況下輪胎表面溫度場進行了測試，探討了升溫、冷卻過程中輪胎表面溫度場的分布規(guī)律及相應機理，并采用正交試驗方法分析了載荷、胎壓及車速對輪胎穩(wěn)態(tài)溫度的影響，通過定義相對極差確定了影響輪胎表面穩(wěn)態(tài)溫度的主次因素.

1 試驗裝置及試驗方案

本文以某廠家生產(chǎn)的195／65R15型輪胎為試驗對象，把整車放在轉(zhuǎn)鼓試驗機上進行輪胎溫度場測試，由轉(zhuǎn)鼓帶動從動輪轉(zhuǎn)動，并由風機的風速跟蹤車速以模擬車輛行駛過程中的空氣對流，如圖1所示.

圖1 輪胎溫度場試驗照片F(xiàn)ig.1 The photos of tire temperature field experiment

為了分析載荷、胎壓及車速對輪胎溫升的影響，確定影響輪胎溫升的主次因素，且盡可能地減少試驗次數(shù)，本文采用正交試驗方法.正交試驗方法是利用正交表，科學地安排與分析多因素試驗的方法，是最常用的試驗設計方法之一.這種試驗方法利用排列整齊的正交表對試驗進行整體設計、綜合比較、統(tǒng)計分析，實現(xiàn)通過少量的試驗次數(shù)達到最佳的試驗目的.

試驗中，把載荷、胎壓及車速作為試驗因素，分別處于三種不同的狀態(tài)，即三因素三水平，以胎面穩(wěn)態(tài)平均溫升作為試驗指標，如表1，2所示.

表1 輪胎溫度場因素水平表Tab.1 The factors and levels table of tire temperature field

表2 輪胎溫度場正交試驗表Tab.2 The orthogonal experiment table of tire temperature field

載荷分配通過配置沙袋實現(xiàn).試驗前，將稱重儀器放置在車輪下方，通過改變沙袋的數(shù)量及位置使測量的輪胎所受的垂載分別達到中載和滿載，并計下此時車輛中的沙袋數(shù)量及位置，如圖2所示.

圖2 試驗載荷標定照片F(xiàn)ig.2 The photos of load calibration

輪胎外表面溫度采用美國FLIR公司生產(chǎn)的ThermaCAM E320型紅外熱像儀測量，該熱像儀具有較高的試驗精度，測量范圍為－20°C至500°C，測量精度為±2°C，使用的環(huán)境溫度為－15°C至50°C.

試驗時，取輪胎表面的熱發(fā)射率e＝0.94.將紅外熱像儀固定在輪胎的側(cè)面或前方，鏡頭對準輪胎表面，對輪胎外表面的溫度進行實時監(jiān)測.每隔5min記錄一次，設定輪胎在每種工況下運行30 min，以保證其溫度場能夠達到穩(wěn)定狀態(tài).停止后記錄溫度衰減情況，前20min每隔5min記錄一次，20 min后每隔10min記錄一次.

2 輪胎溫度場分布

表2中所列的各個工況下的環(huán)境溫度分別為17.7，17.7，21.0，19.5，21.0，20.4，18.7，18.7，18.3 °C.圖3給出了各個工況下輪胎達到熱平衡狀態(tài)時的熱像儀圖片.

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，輪胎外表面穩(wěn)態(tài)溫度隨著載荷、胎壓和車速變化而變化，且胎面溫度比胎側(cè)溫度高.本文主要分析輪胎外表面的穩(wěn)態(tài)溫度，因此采用單點測量模式對圖4所示的位置進行測量，其中測點1～4位于胎冠，測點5位于胎肩，測點6～9位于胎側(cè).這里以工況9為例，圖5給出了輪胎各測點及輪輞表面溫度隨時間的變化曲線.

圖3 不同工況下輪胎溫度場圖片F(xiàn)ig.3 The pictures of tire temperature field of different conditions

圖4 輪胎外表面測點位置Fig.4 The measuring points of tire surface

圖5 各測點及輪輞表面溫度的變化曲線Fig.5 The change curve of surface temperature of measuring points

從圖5可以得到，在轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動過程中，輪胎溫升很快，20min后溫度變化很小，基本達到穩(wěn)態(tài).測點5即胎肩處表面溫度最高，輪輞表面溫度最低，胎冠上的各點表面溫度基本相同，胎側(cè)各點的溫度也基本相同，且胎側(cè)各點的溫度略低于胎冠各點的溫度.這是由于胎肩處胎壁較厚，結(jié)構較復雜，幾種不同類型橡膠在該部位結(jié)合，且胎冠部與胎側(cè)部的變形不同，使得胎肩處彎曲和剪切變形較大，橡膠材料滯后生熱較多；胎冠各點都與轉(zhuǎn)鼓接觸，不但向周圍空氣通過對流散熱，同時還周期性地與轉(zhuǎn)鼓表面接觸，導熱性能很強的轉(zhuǎn)鼓（其導熱系數(shù)約是橡膠的200倍）會帶走很多熱量，使胎面及附近區(qū)域的表面溫升較??；胎側(cè)由于其胎壁最薄，相同變形下，材料滯后產(chǎn)熱最少，因此胎側(cè)各點表面溫度較低.可見，胎肩處是整個輪胎表面溫度最高的地方，也是最容易產(chǎn)生破壞的地方，應該引起充分的關注.

轉(zhuǎn)鼓停止轉(zhuǎn)動后，風機也隨之停止運轉(zhuǎn).在極短的時間內(nèi)，各點表面溫度都有了明顯的升高，最大的升高幅度達6℃.胎冠各點的表面溫度有較大升高，與胎肩處的溫度基本一致，而胎側(cè)各點表面溫度升幅較小，低于胎冠和胎肩處的溫度，輪輞表面溫度變化不大.主要是因為胎冠和胎肩處胎壁較厚，在運行過程中積聚了大量的熱量，當風機停止運轉(zhuǎn)后，熱量無法通過空氣對流散去，導致表面溫度在短時間內(nèi)急劇升高；停止后胎冠溫度與胎肩溫度基本一致，說明胎冠和胎肩處的產(chǎn)熱量基本相同，且以橡膠材料的黏性損耗生熱為主.胎側(cè)胎壁較薄，產(chǎn)生的熱量能及時地擴散出去，內(nèi)部積聚的熱量較少，停止后的溫升也較小.停機幾分鐘后輪胎表面溫度開始下降，開始階段下降稍快，但隨著時間的推移，溫度下降愈來愈慢，但輪輞表面溫度在長時間內(nèi)幾乎沒有變化.停機60min后輪胎各點表面溫度和輪輞表面溫度基本趨于相同.

3 輪胎表面穩(wěn)態(tài)溫度場影響因素分析

取不同工況下所測的輪胎胎面各點穩(wěn)態(tài)溫度平均值及平均溫升，如表3所示.

表3 各工況下胎面穩(wěn)態(tài)平均溫度及溫升Tab.3 The steady average temperature and the rise of tread under different conditions ℃

本文采用極差分析法進行分析，它反映各因素水平變動時，試驗指數(shù)的變動幅度，極差大說明該因素對指標的影響大，所以根據(jù)極差的大小就可以確定因素的主次關系.表4給出了不同因素的極差值.

表4 不同因素下正交試驗極差分析Tab.4 The range analysis of orthogonal experiment℃

從表4可以看出，輪胎表面溫升隨著車速和載荷的增大而增大，隨著胎壓的增大而減小.原因是隨著速度的增高，輪胎變形頻率加大，單位時間內(nèi)的生熱越多，造成了輪胎的溫度變高；隨著載荷的增加，輪胎整體變形增大，導致整個結(jié)構的能量損耗加劇，輪胎由滯后損失產(chǎn)生的熱量增多；隨著胎壓的增大，輪胎剛度變大，在相同載荷下，結(jié)構變形反而減小，能量損耗降低，輪胎生熱減少.

在設計正交試驗時，只是從車輛運行過程中的實際情況考慮，各個因素的變化幅度是不同的，如本文中，車輛從空載到滿載，輪胎載荷幾乎增加了一倍，而胎壓和車速卻沒有相應的幅度變化，如果單從極差的大小來對比顯然有些不妥.為了消除變化幅度不同帶來的差別，本文采用相對極差來評價各個因素對輪胎表面溫升的影響，如下式所示：

式中，分子表示不同因素下輪胎表面溫升的極差值除以水平1時的指標，分母表示不同因素從水平1到水平3的變化幅度.

表5給出了不同因素的相對極差值.

表5 不同因素的相對極差值Tab.5 The relative range values of different factors

從表5可以得出，對輪胎表面溫升影響的次序為：載荷＞車速＞胎壓，可見載荷對輪胎表面溫升的影響最大，因此應避免超載現(xiàn)象的發(fā)生.

4 結(jié)論

本文基于轉(zhuǎn)鼓試驗，探討了升溫、冷卻過程中輪胎表面溫度場的分布規(guī)律及相應機理，并采用正交試驗方法分析了載荷、胎壓及車速對輪胎穩(wěn)態(tài)溫度的影響，通過定義相對極差確定了影響輪胎表面溫度的主次因素.

（1）車速、載荷和胎壓對輪胎溫度場都有較大的影響.隨著行駛速度的增大，輪胎變形頻率加大，單位時間內(nèi)生熱變多，輪胎表面穩(wěn)態(tài)溫度越來越高；輪胎表面穩(wěn)態(tài)溫度隨著垂向載荷的增大而升高，當車輛超載時輪胎溫度將升高；隨著胎壓的增大，輪胎表面溫度呈下降的趨勢.

（2）對輪胎表面溫升影響的次序為：載荷＞車速＞胎壓，可見載荷對輪胎表面溫升的影響最大，因此應避免超載現(xiàn)象的發(fā)生.

（3）轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動過程中，輪胎胎肩處表面溫度最高，胎冠表面溫度次之，胎側(cè)表面溫度略低于胎冠表面溫度，輪輞表面溫度最低.

（4）轉(zhuǎn)鼓停止轉(zhuǎn)動后，在極短的時間內(nèi)，輪胎各處表面溫度都有了急劇的升高.胎冠表面溫度升幅較大，與胎肩處的溫度基本一致，而胎側(cè)各點表面溫度升幅較小，低于胎冠和胎肩的溫度，輪輞表面溫度變化不大.

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