輪胎磨損程度對在用車排放特性的影響研究

李允平，劉澤硯，高 松

（山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博255049）

輪胎與路面間的摩擦是一個非常復雜而且很重要的問題［1］，輪胎的磨損程度直接影響到汽車的一些基本性能，如動力性、經(jīng)濟性等。隨著磨損程度的加劇，對汽車排放的影響也是不容忽視的。輪胎與路面間的摩擦情況除路面因素外，主要受到滑移率、輪胎類型、胎面花紋和磨損程度等因素的影響。在其他因素一定的前提下，對既定車型來說，輪胎磨損程度對在用車的排放是一個重要的影響因素。本研究通過實驗數(shù)據(jù)證實了該影響因素的實際意義。

1 汽車輪胎

汽車的驅動力是通過路面作用于驅動輪上的切向反力來獲得的。這個切向反力是由驅動輪輪胎與地面接觸產(chǎn)生摩擦而產(chǎn)生的，因此，在路面情況既定的前提下，輪胎的結構形式及磨損狀況就成了影響驅動力的主要因素。輪胎磨損后，其靜力半徑和滾動半徑將變小，同時輪胎與地面間的附著性能將變差，這不僅影響了汽車的基本性能，還直接影響到發(fā)動機應有性能的發(fā)揮，使得發(fā)動機在理論設計工況下不能與汽車的實際行駛工況相匹配，從而對汽車排放產(chǎn)生影響。

1.1 輪胎形式

目前，常用的汽車輪胎主要有子午線輪胎、斜交輪胎和帶束斜交輪胎3種形式。子午線輪胎滾動阻力小，地面附著能力大；斜交輪胎滾動阻力大，地面附著能力小；帶束斜交輪胎則介于二者之間。輪胎的結構要素對輪胎摩擦性能有著顯著的影響，其結構要素主要包括胎面花紋形式、密度系數(shù)和花紋深度等3個方面［1］。胎面花紋可分為3類：縱向花紋（有較好的橫向防滑能力）、橫向花紋（有較好的縱向防滑能力）和塊狀花紋（縱向和橫向均有較好的防滑能力）。

1.2 輪胎的變形

由于輪胎橡膠的彈性變形，對輪胎和路面間的摩擦力將產(chǎn)生一定的作用，這種作用是在輪胎設計過程中早已考慮到的，但是輪胎磨損后輪胎橡膠的彈性變形將發(fā)生變化，從而導致輪胎與路面間的摩擦力發(fā)生改變。這種關系的改變會直接影響到輪胎和路面間的滑移率和附著系數(shù)［2－3］。定義滑移率為Sr，附著系數(shù)為μ。

式（1）中：Fx—附著力；Fz—垂直載荷；v—車輪實際速度；vt—車輛的理論速度；vs—同一點絕對速度的切向分量；r—節(jié)圓半徑；ω—驅動輪角速度。

理論上輪胎與地面間是無滑移的，也就是說滑移率為零。但是，汽車在行駛時要產(chǎn)生驅動力就必須依靠在縱向力的作用下，通過輪胎在與路面接觸區(qū)域內的局部切向彈性變形來產(chǎn)生摩擦力，即附著力。顯然，摩擦力產(chǎn)生的大小與產(chǎn)生切向彈性變形的區(qū)域面積有關，即與滑移率有關。

1.3 輪胎的磨損原因及磨損標志

輪胎產(chǎn)生磨損的原因很多，主要有輪胎氣壓過高或過低、車輪定位不正確、轉向機構參數(shù)的改變、車輪動平衡不準、輪轂與軸承的間隙不符合要求和駕駛操作等方面［4］。

輪胎一般都在其胎冠的側面標有指示磨損程度的記號，也就是磨損標志［5］。其功用是顯示輪胎的使用限度，并指示輪胎花紋的殘留深度。如果磨損超過該記號，車輪會打滑，應及時更換輪胎。

2 實驗方法

本實驗采用VMAS檢測系統(tǒng)作為實驗平臺，實驗車在檢測平臺上進行輪胎不同磨損程度的排放污染物的檢測實驗。

2.1 實驗方法的確定

VMAS檢測系統(tǒng)是一種比較成熟的在用車排放污染物的實驗檢測系統(tǒng)，它與維修結合起來就是I/M制度，該制度在國內外均得到了廣泛的認可和應用。本實驗以VMAS系統(tǒng)作為實驗平臺，嚴格按照文獻［6－7］規(guī)定的實驗循環(huán)及相關要求對樣車排放污染物進行檢測，實驗循環(huán)如圖1所示。

實驗樣車采用正常使用的在用車，在實驗過程中分別對樣車更換磨損程度不同（新、中、舊）的輪胎，磨損程度用輪胎花紋深度表示。新輪胎花紋深度9mm，中度磨損輪胎花紋深度5mm，舊輪胎花紋深度2mm。每一種狀態(tài)分別做3次實驗，并取得實驗數(shù)據(jù)。

實驗結束后，對實驗數(shù)據(jù)進行客觀的分析研究，并用灰色系統(tǒng)理論對實驗結果進行輔助分析和評價，從中找出其關聯(lián)度。

圖1 VMAS實驗循環(huán)圖Fig.1 Experimental cycle diagram of VMAS

2.2 實驗所用的儀器設備及實驗車基本信息

實驗所用的儀器設備及實驗車基本信息見表1。檢測日期為2012年12月27日。

表1 實驗設備及實驗車輛信息Table 1 Experimental facilities and information of vehicle

2.3 一般實驗條件

實驗在山東省淄博市機動車排放污染物檢測中心進行。該中心實驗場地及實驗設備完全符合國家有關標準的要求，實驗所用的儀器設備均經(jīng)技術監(jiān)督部門定期檢驗并合格。實驗前用標準物質對儀器按文獻［6］中的有關規(guī)定進行了標定。實驗車輛的狀態(tài)符合技術要求，發(fā)動機用93號汽油。實驗時環(huán)境溫度0.3℃，相對濕度30.7%，大氣壓力103.5kPa。

3 實驗結果

3.1 采樣點及數(shù)據(jù)

實驗結果的數(shù)據(jù)由兩部分組成，一部分是整個實驗循環(huán)195s的實驗數(shù)據(jù)，取樣頻率為1s；另一部分是關鍵點的數(shù)據(jù)。由于195s內的數(shù)據(jù)較多，本研究只分別給出了一次實驗的關鍵點數(shù)據(jù)及對應的實驗工況，如表2和表3所示。同樣本研究也只給出了CO和HC的實驗結果。195s實驗循環(huán)（舊）實驗數(shù)據(jù)的樣本見圖2。

表2 汽車排放實驗結果Table 2 Experimental result of vehicle emissions

表3 關鍵點對應的實驗工況Table 3 Experiment conditions corresponding with key points

圖2 測量參數(shù)樣本Fig.2 Samples of measurement parameters

3.2 實驗結果及裁決

最終實驗結果按國家有關標準的要求將計量單位均換算為g/km，并將HC和NOx合并為（HC＋NOx）作為一項判定指標［6－7］，實驗結果及裁決見表4。

表4 結果及裁決Table 4 Results and conclusions

4 實驗結果分析

從表4中可以看出，輪胎的磨損程度不同直接影響到了汽車排放，磨損嚴重（舊）的輪胎其排放的污染物超出了國家標準的限值而被裁決為不合格。

4.1 實驗數(shù)據(jù)整理與分析

整個實驗循環(huán)共計195s，采樣頻率為1s。但是在0～11s起步前和188～195s停車后時段車速為0km/h，以及實驗循環(huán)中間的車速為0km/h的時段可以不進行分析，因為此時車速為0km/h的實驗結果與輪胎磨損與否無關。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出如圖3所示的排放特性曲線，從實驗結果曲線上看，輪胎磨損程度嚴重的舊輪胎排放特性明顯比磨損程度較輕和幾乎沒有磨損的新輪胎差。另外，從表5給出的在變工況下排放數(shù)據(jù)的處理結果［8］也顯示了同樣的結論。但是，從圖3和表5中發(fā)現(xiàn)了離散點的存在，離散點對應車速由0→15km/h換擋→32km/h、采樣點49～61時段內的工況，其特征表現(xiàn)為用舊輪胎測得的數(shù)據(jù)比用中度磨損的輪胎測得的數(shù)據(jù)小。分析認為，出現(xiàn)離散點的原因可能與車輛的操作有關，盡管車速沒有超出±2km/h的誤差，但由于車速控制不穩(wěn)而引起發(fā)動機工況的波動造成了排放的不穩(wěn)定。輪胎磨損后對排放特性的影響是明顯的，特別是汽車在加速、減速工況下輪胎磨損程度對其排放的影響尤為明顯，排放特性隨輪胎磨損程度的加劇變得越來越差。

圖3 試驗車的排放特性曲線Fig.3 Emission characteristic curve of test vehicle

表5 變工況下排放數(shù)據(jù)平均值Table 5 Average value of emissions in variable conditions

4.2 灰色關聯(lián)度計算

通過實驗得出的數(shù)據(jù)不可能是線性的，其中由于測試系統(tǒng)的響應等因素的影響不可避免地會有離散點的出現(xiàn)。在這種情況下用灰色理論［9－10］來判斷實驗數(shù)據(jù)的關聯(lián)度是一種簡單、科學和實用的方法。由于篇幅的限制，本研究只給出部分數(shù)據(jù)，根據(jù)絕對關聯(lián)度計算公式計算：

4.2.1 計算過程

初始化操作（整理為等長度1的時距序列）。

計算絕對關聯(lián)度（序列的始點零化像）。

計算｜S0｜，｜S1｜，｜S1－S0｜及絕對關聯(lián)度。

用同樣的方法和步驟可以計算出其他參數(shù)序列之間的絕對關聯(lián)度。

4.2.2 計算結果

CO（新）和CO（中）的絕對關聯(lián)度為0.72，CO（新）和CO（舊）的絕對關聯(lián)度為0.67，HC（新）和 HC（中）的絕對關聯(lián)度為0.99，HC（新）和 HC（舊）的絕對關聯(lián)度為0.93。

從計算結果中可以看出，以新輪胎作為行為序列時，更換中、舊輪胎后根據(jù)所得實驗數(shù)據(jù)計算得出的與行為序列絕對關聯(lián)度，無論是CO還是HC與行為序列的絕對關聯(lián)度，磨損嚴重的均小于磨損中等程度的，也就是說，用磨損程度中等的輪胎測得的試驗數(shù)據(jù)與幾乎沒有磨損的新輪胎測得的試驗數(shù)據(jù)比較，其結果比換用磨損嚴重的舊輪胎更接近。這說明磨損嚴重的輪胎對汽車排放特性的影響更大。這一結果與4.1的分析計算結果一致。

5 結 語

本研究通過實驗得出的數(shù)據(jù)考察了輪胎磨損程度對汽車排放特性的影響，結果顯示，輪胎的磨損程度對其排放特性有直接的影響，特別是在加速段和減速工況時影響尤為明顯。用灰色系統(tǒng)理論分析的關聯(lián)度也表明輪胎磨損程度對在用車的排放特性有直接的影響。該實驗研究為控制在用車的排放提供了理論和實踐依據(jù)。

［1］王野平.論輪胎與路面間的摩擦［J］.汽車技術，1999（2）：10－13.

［2］王仁廣，劉昭度，齊志權，等.輪胎摩擦力與滑移率關系模型的建立方法［J］.農業(yè)機械學報，2007，38（7）：27－28，34.

［3］李松齡，裴玉龍.路面附著性能影響因素分析及其改善對策的研究［J］.公路，2007（11）：126－130.

［4］徐書坤.輪胎異常磨損的原因與對策［J］.汽車運用，2009（12）：47.

［5］東倉，李玉玲.輪胎的胎面花紋及其功能［J］.汽車與配件，2000（35）：42－43.

［6］GB18285—2005，點燃式發(fā)動機汽車排氣污染物排放限值及測量方法方法（雙怠速及簡易工況法）［S］.

［7］DB/37—2011，山東省點燃式發(fā)動機在用輕型汽車排氣污染物排放限值［S］.

［8］郭躍華，陸志峰，錢峰，等.概率論與數(shù)理統(tǒng)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007：3－4，49－53

［9］劉思峰，黨躍國，方志耕，等.灰色系統(tǒng)理論及其應用［M］.5版.北京：科學出版社，2010：38－61，68－88.

［10］趙曉芬.灰色系統(tǒng)理論概述［J］.吉林省教育學院學報，2011，27（3）：152－154.