基于均值分析的若干輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計變量對滾動阻力的影響試驗研究*

曹沖振　闞常凱　陳京邦　許彤然　呂勇

（山東科技大學(xué)，青島 266590）

基于均值分析的若干輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計變量對滾動阻力的影響試驗研究*

曹沖振闞常凱陳京邦許彤然呂勇

（山東科技大學(xué)，青島 266590）

選取胎面中心厚度（不包括花紋溝深度）—Tread Ga厚度、帶束層材料、帶束層角度等7個結(jié)構(gòu)設(shè)計變量，通過試驗研究了各變量對滾動阻力的影響。分析得出：帶束層角度和帶束層寬度對滾動阻力影響顯著；增大帶束層角度、增加A點厚度、減小Tread Ga厚度、減小帶束層鋼絲密度、減小帶束層寬度、減小冠帶層纏繞寬度、降低三角膠高度均有利于改善輪胎的滾動阻力。

主題詞：輪胎結(jié)構(gòu)滾動阻力設(shè)計變量均值分析法

1　引言

通常，滾動阻力消耗的能量占汽車燃油或電量消耗的14%～17%，降低輪胎滾動阻力對降低整車燃油消耗有顯著作用［1］。滾動阻力的影響因素較多，本文以195/65 R14 89H乘用車輪胎為例，在胎面膠、花紋排列、輪胎輪廓不變的條件下，選取輪胎的幾個結(jié)構(gòu)設(shè)計變量，借助試驗研究了各變量對滾動阻力的影響。

2　變量的選取

滾動阻力是由輪胎變形與摩擦引起的，受壓的輪胎主要發(fā)生3種變形：胎面、胎側(cè)和胎圈的彎曲變形；胎面的受壓；胎面和胎側(cè)的剪切形變。輪胎在滾動過程中反復(fù)變形，其內(nèi)部、外部和中間結(jié)構(gòu)會發(fā)生不同程度的拉伸和壓縮，造成能量損失，其中以胎面耗散的能量最多，約占到50%以上［2］。胎面處主要結(jié)構(gòu)包括胎面、帶束層、冠帶層、簾線層；胎側(cè)處主要結(jié)構(gòu)包括胎側(cè)膠、簾線層；胎圈處主要包括鋼圈、三角膠。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，選取胎面處的胎面中心厚度（不包括花紋溝厚度）—Tread Ga厚度、帶束層材料、帶束層角度、帶束層寬度、冠帶層纏繞寬度，胎側(cè)處A點（輪胎裝飾線處的點，如圖1所示）厚度，胎圈處三角膠高度等7個變量作為研究對象。

3　變量設(shè)置與試驗胎制作

3.1變量的設(shè)置

考慮到需要研究多個變量因素對滾動阻力的影響，參考現(xiàn)有基準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置2組不同的變量值作為比較。不同變量對應(yīng)的變量值［3］見表1，其中W150與W180只有鋼絲密度不同。

表1　各變量因素取值情況

3.2試驗胎的制作

試驗方案見表2，其中1、2分別表示表1中變量值1、變量值2對應(yīng)的取值。試驗胎除方案中的變量不同，其他的半制品（如氣密層）均一致且為同一時間準(zhǔn)備；試驗安排在同一臺機器上成型、硫化，每個方案成型6條輪胎備用，并做好標(biāo)記。

表2　不同方案的變化情況

4　滾動阻力的測試方法

式中，F(xiàn)t為輪軸力的凈值（凈值是指扣除附加損失值）；rL為輪軸中心至鼓面的距離；R為轉(zhuǎn)鼓半徑；Fp1為附加損失。

本次重復(fù)性試驗依照GB/T 18861—2012的規(guī)定進行，但為消除溫度的影響，對滾動阻力值進行修正。在環(huán)境溫度20～30℃范圍內(nèi)測得的輪胎滾動阻力值，按以下公式進行修正［4］：

GB/T 18861—2012不包含對輪胎滾動阻力的要求或質(zhì)量分級指標(biāo)，沒有提供不同實驗室間或不同試驗機之間試驗結(jié)果的比較方法。目前國內(nèi)外的滾動阻力試驗機多采用測力法［3～4］，滾動阻力為：

式中，F(xiàn)r25為在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度（25℃）下的輪胎滾動阻力；temb為實際測量時的環(huán)境溫度；Kt為輪胎滾動阻力的溫度修正系數(shù)，對于轎車輪胎，取Kt=0.008。

5　試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)處理

5.1滾動阻力試驗

使用青島高測科技股份有限公司生產(chǎn)的輪胎滾動阻力試驗機，按照GB/T 18861—2012的要求進行滾動阻力試驗。為保證試驗結(jié)果更有效可靠，每個方案分別取3條輪胎在同一臺滾動阻力試驗機上完成試驗，對得到的滾動阻力取平均值并記錄，試驗結(jié)果如表3所示。

表3　滾動阻力試驗結(jié)果　N

經(jīng)過理論分析［5］，借助均值分析（analysis of means，ANOM）研究各變量因素對滾動阻力的影響。

5.2數(shù)據(jù)處理

ANOM適用于因子水平固定的試驗類型［5］，依據(jù)ANOM理論，在本問題中，每次試驗重復(fù)次數(shù)（即樣本容量）r=3，變量因素的水平數(shù)k=2，水平重復(fù)數(shù)p=4，試驗次數(shù)m=8。ANOM的決策程序如下：

b.依據(jù)平均極差估計總體的標(biāo)準(zhǔn)差：

式中，d2=1.693為變換因子，它的值取決于樣本容量，可查表。

c.計算每一水平的標(biāo)準(zhǔn)差：

d.計算出決策圖中心線CL，上下決策限UCL和LCL（a=0.05）：

式中，Ha為顯著水平a、水平數(shù)k以及用來評估σ的自由度df有關(guān)的量，df=0.9pk（r-1），Ha值可查表，這里df=14.4，Ha=1.51。

e.作出ANOM圖。

f.計算各因子的不同水平的平均值：

式中，l為不同因子；z為不同因子的水平數(shù)，z取值1或2。

在ANOM圖中描出各xˉlz的圖形，如果其超出ANOM圖中a=0.05的決策權(quán)限，則說明因子顯著。利用Matlab的繪圖功能得到ANOM圖如圖2所示。

在ANOM圖中，如果相同因素的不同水平之間的差異大，那么該因素對目標(biāo)值的影響大，其就是主要因素［5］。由圖2可知，各因素對滾動阻力的影響由大到小依次為：帶束層寬度、帶束層角度、冠帶層纏繞寬度、Tread Ga厚度、三角膠高度、帶束層材料、A點厚度。

6　結(jié)論

由以上試驗結(jié)果和分析，可以得到以下結(jié)論：

a.對滾動阻力影響最大的因素是帶束層寬度和帶束層角度，在不影響其他性能的情況下，應(yīng)先通過改變這2個變量改善輪胎的滾動阻力。

b.增大帶束層角度、增大A點厚度、減小Tread Ga厚度、減小帶束層鋼絲密度、減小帶束層寬度、減小冠帶層纏繞寬度、降低三角膠高度均有利于改善輪胎的滾動阻力。

c.在盡量不改變輪胎性能的情況下，適當(dāng)調(diào)整輪胎結(jié)構(gòu)仍可以得到理想的滾動阻力。

1趙敏.降低輪胎滾動阻力的途徑.輪胎工業(yè)，2006，26（10）：586～592.

2何燕，張忠富.輪胎滾動阻力影響因素及測試方法.輪胎工業(yè)，2004，24（4）：238～241.

3GB 9743-2007轎車輪胎.

4GB/T 18861-2012汽車輪胎滾動阻力試驗方法.

5熊晶晶.ANOM在質(zhì)量控制中的應(yīng)用，工業(yè)工程，2003，2（6）：55～57.

（責(zé)任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2016年5月7日。

Experimental Research on the Influence of Several Key Tire Structure Design Variables on Rolling Resistance Based on the Mean Value Analysis

Cao Chongzhen，Kan Changkai，Chen Jingbang，Xu Tongran，Lv Yong
（Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590）

Seven key tire structure design variables，such as the thickness of the tire tread center（not including the depth of pattern groove）—the thickness of Tread Ga，the material of the belt ply，the angle of the belt ply，are selected，and the influence of these variables on rolling resistance are analyzed by experiments.It is concluded from the analysis that the angle and width of the belt ply have the most obvious effect on rolling resistance.In addition，increasing angle of the belt ply and thickness of the A point，reducing the thickness of Tread Ga，wire density of the belt ply，width of the belt ply，width of the cap ply and the height of the bead filler are all conducive to reducing tire rolling resistance.

Tire structure，Rolling resistance，Design variables，Mean value analysis

U463.341+4

A

1000-3703（2016）10-0036-03

國家自然科學(xué)基金項目（50975164）。