載重子午線輪胎溫度變化的影響因素分析

周忠偉，李 威，徐 藝，李棟林，劉 鵬

（三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

輪胎膠料的粘彈性使其在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生滯后損失，其中一部分熱能通過輪胎外表面散失，另一部分則直接引起輪胎溫度升高。當(dāng)輪胎溫度升高到一定程度時(shí)，膠料的各種熱學(xué)、力學(xué)性能會(huì)下降，影響輪胎的行駛安全，甚至因過熱損壞而發(fā)生“爆胎”現(xiàn)象[1]。近年來，隨著汽車性能的提高和道路條件的改善，汽車的行駛速度不斷提高，汽車輪胎的溫升也大大提高，輪胎的破壞形式逐漸從力破壞為主轉(zhuǎn)化為熱破壞為主，對輪胎生熱的研究變得越來越重要[2-3]。

本工作利用紅外線測溫儀及探針式熱電偶對載重子午線輪胎表面及內(nèi)部溫度進(jìn)行測試，應(yīng)用多元線性回歸方法建立輪胎溫度與行駛速度、負(fù)荷、充氣壓力和環(huán)境溫度等多因素變化之間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)輪胎

選取載重輪胎的規(guī)格分別為11R22.5，295/80R22.5，12R22.5，315/80R22.5和14.00R20，輪胎的設(shè)計(jì)參數(shù)等符合GB/T 9744—2015《載重汽車輪胎》。

1.2 主要設(shè)備和儀器

TJR-2-TB（Y）雙工位載重輪胎高速耐久性試驗(yàn)機(jī)，天津久榮車輪技術(shù)有限公司產(chǎn)品；紅外線測溫儀，測量溫度范圍為-30～400 ℃，在0～199℃范圍內(nèi)測量精度為±2 ℃，使用的環(huán)境溫度為0～200 ℃，美國雷太公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

目前研究輪胎生熱的方法主要包括有限元法[4]和實(shí)測法。實(shí)測法又包括接觸法和非接觸法。

接觸法主要用于測定胎冠、胎肩等處輪胎的內(nèi)溫，分為靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法。

本研究輪胎內(nèi)部溫度測量采用動(dòng)態(tài)法。在輪胎滾動(dòng)過程中，將探針式熱電偶從氣門嘴插入，并通過滑環(huán)裝置將其引出，測定輪胎內(nèi)部空氣的溫度。

輪胎表面溫度（即胎冠部位的溫度）測量采用非接觸法，即采用紅外線測溫儀對高速滾動(dòng)輪胎進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。其最大優(yōu)點(diǎn)是不接觸即可測得物體的表面溫度分布圖，同時(shí)可借助計(jì)算機(jī)對等溫線和同一溫度的面積比率進(jìn)行分析，并可進(jìn)行故障探測等研究，還可從導(dǎo)熱的角度對滾動(dòng)中輪胎內(nèi)部空氣的流動(dòng)進(jìn)行研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 行駛速度

選取規(guī)格為14.00R20的輪胎進(jìn)行試驗(yàn)，加載負(fù)荷為44.10 kN。輪胎溫度與行駛速度的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 輪胎溫度與行駛速度的關(guān)系曲線

從圖1可以看出，當(dāng)輪胎以130 km·h-1行駛2 h，輪胎內(nèi)部溫度高達(dá)97.6 ℃，胎冠部位溫度為54.0 ℃，即輪胎內(nèi)部溫度與胎冠部位溫度相差約44 ℃。

從圖1還可以看出：輪胎溫度隨著行駛速度提高呈小幅升高，當(dāng)行駛速度從70 km·h-1提高至130 km·h-1時(shí)，胎冠部位的溫度由40.5 ℃升至54℃；輪胎內(nèi)部溫度由86.5 ℃升至97.6 ℃。這是因?yàn)殡S著輪胎行駛速度的提高，輪胎變形頻率加大，單位時(shí)間內(nèi)生熱增大，輪胎溫度升高，同時(shí)試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，輪胎損壞形式多為胎冠脫層。

由此可見，車輛在行駛過程中應(yīng)充分考慮到行駛速度對輪胎生熱的影響，避免因輪胎溫度過高而發(fā)生爆胎事故。

由圖1可計(jì)算出行駛速度（v）與輪胎內(nèi)部溫度（Ta）和胎冠部位溫度（Tb）的線性回歸方程：

2.2 負(fù)荷

選取規(guī)格為315/80R22.5的輪胎以65 km·h-1的速度行駛100 h后測試輪胎內(nèi)部及胎冠部位的溫度。輪胎溫度與負(fù)荷的關(guān)系曲線如圖2所示，輪胎額定負(fù)荷為36.75 kN。

從圖2可以看出，當(dāng)輪胎的負(fù)荷由23.89 kN增至55.13 kN（即負(fù)荷率由65%增至150%）時(shí)，Tb由35.0 ℃升至66.0 ℃，同時(shí)Ta由45.1 ℃升至114.1℃。由此可知，負(fù)荷是影響輪胎溫度變化的重要因素。當(dāng)輪胎在超負(fù)荷條件下運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生較大變形，胎肩部位的磨損嚴(yán)重，且胎體材料的分子摩擦及部件的機(jī)械摩擦?xí)?dǎo)致Ta升高。

圖2 輪胎溫度與負(fù)荷的關(guān)系曲線

當(dāng)輪胎胎冠中心表面溫度超過60 ℃（負(fù)荷率為120%）時(shí)，輪胎膠料的力學(xué)性能降低，側(cè)偏剛度和徑向剛度都會(huì)不同程度下降。為了保證載重輪胎耐久性試驗(yàn)機(jī)的安全運(yùn)行，減小爆胎等幾率，當(dāng)輪胎的負(fù)荷率超過120%且監(jiān)測到胎冠表面溫度超過60 ℃時(shí)，需要每隔2 h停止運(yùn)行，對輪胎進(jìn)行檢查。

由圖2可計(jì)算出負(fù)荷（F）與Ta和Tb的線性回歸方程：

另外，考察輪胎規(guī)格及速度級別與輪胎溫度的關(guān)系。5組不同規(guī)格的輪胎分別以 65 km·h-1的速度行駛7 h后的溫度如表1所示。

表1 輪胎規(guī)格及速度級別與輪胎溫度的關(guān)系

從表1可以看出，輪胎規(guī)格并不是影響Ta的主要因素，而Tb變化無明顯規(guī)律，但與輪胎的規(guī)格有關(guān)。對于同一規(guī)格不同速度級別的輪胎（5號輪胎樣本），當(dāng)速度級別由M變至L時(shí)，Ta和Tb分別降低約1和12 ℃。

2.3 充氣壓力

規(guī)格為12R22.5的輪胎在不同充氣壓力、120%負(fù)荷率下行駛57～66 h時(shí)間區(qū)域內(nèi)的Tb變化如圖3所示。

圖3 充氣壓力對Tb的影響

從圖3可以看出：當(dāng)輪胎的充氣壓力不同時(shí)，Tb不盡相同；充氣壓力為300 kPa時(shí)Tb比充氣壓力為450 kPa時(shí)高2 ℃左右。這是因?yàn)樵谙嗤?fù)荷作用下，輪胎的充氣壓力過低，則胎體變形過大，會(huì)產(chǎn)生屈撓，造成輪胎過度生熱。

2.4 環(huán)境溫度

規(guī)格為295/80R22.5的輪胎在額定負(fù)荷下行駛至Tb基本不變時(shí)，即輪胎表面溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)，改變v，考察其對Tb和環(huán)境溫度（Tc）的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 v對 Tb和 Tc的影響

從圖4可以看出，隨著v提高，Tb和Tc均升高，但Tc升幅較小。當(dāng)Tc升至40 ℃時(shí)，輪胎表面的熱量傳至環(huán)境的能力降低，熱量得不到有效消散而積聚在輪胎中，使Ta變高，這與第2.1節(jié)的研究結(jié)果一致。

由圖4可計(jì)算出v與Tb和Tc的回歸方程：

2.5 輪胎溫度與影響因素之間的函數(shù)模型

輪胎在實(shí)際行駛過程中，往往是行駛速度、負(fù)荷、充氣壓力及環(huán)境溫度等多因素同時(shí)發(fā)生變化。輪胎穩(wěn)態(tài)溫度是衡量輪胎質(zhì)量的重要指標(biāo)，因此，建立輪胎表面穩(wěn)態(tài)溫度與實(shí)際工作條件之間的函數(shù)關(guān)系式具有實(shí)際意義。

利用多元線性回歸方法，計(jì)算建立輪胎溫度與影響因素之間的函數(shù)模型：

式中，a—f為方程系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)，P為充氣壓力。

3 結(jié)論

（1）輪胎溫度隨著行駛速度的提高小幅升高，且二者近似呈線性關(guān)系。

（2）負(fù)荷是影響輪胎溫度變化的重要因素。當(dāng)負(fù)荷過高時(shí)，輪胎在行駛過程中會(huì)發(fā)生較大變形，胎肩部位磨損嚴(yán)重，從而導(dǎo)致輪胎內(nèi)部溫度升高。

（3）在相同負(fù)荷作用下，充氣壓力過低，會(huì)造成輪胎過度生熱。

（4）當(dāng)環(huán)境溫度升高到一定程度后，輪胎表面的熱量傳至環(huán)境的能力降低，熱量積聚在輪胎中，使輪胎內(nèi)部溫度升高。

本工作可為輪胎爆破的機(jī)理和預(yù)防研究提供依據(jù)。