配套轎車輪胎的性能測(cè)試

魏 勝，路 波，張麗杰，朱士斌，賈愛瑞，劉曉芳

（山東玲瓏輪胎股份有限公司，山東 招遠(yuǎn) 265400）

隨著我國(guó)汽車行業(yè)的發(fā)展，輪胎企業(yè)在汽車配套業(yè)務(wù)方面發(fā)展迅速。輪胎作為車輛與路面接觸的唯一部件，其性能對(duì)于整車性能極其重要，甚至在一些車輛動(dòng)力學(xué)方面，其他子系統(tǒng)需圍繞輪胎進(jìn)行大量的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。因此，對(duì)輪胎有很多方面的性能要求，而輪胎性能測(cè)試的重要性也由此凸顯。

本文圍繞著主機(jī)廠對(duì)輪胎性能的要求，從輪胎的耐久性能、安全性能、動(dòng)力學(xué)性能、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和裝配性等方面介紹從輪胎性能到整車性能的測(cè)試系統(tǒng)。

1 耐久性能

輪胎的耐久性能在國(guó)內(nèi)外都有相應(yīng)的法規(guī)規(guī)定，如我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)DOT標(biāo)準(zhǔn)、歐盟ECE標(biāo)準(zhǔn)和日本JASO標(biāo)準(zhǔn)等，均采用在室內(nèi)轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加速耐久測(cè)試方式，即常見的耐久性和高速性能試驗(yàn)。耐久性能是輪胎最基本的安全性保障之一，隨著主機(jī)廠市場(chǎng)的細(xì)分和發(fā)展，配套輪胎需要進(jìn)行一些更為苛刻的耐久性測(cè)試，如老化耐久性能、結(jié)構(gòu)耐久性能和整車加速耐久性能等。

1.1 常規(guī)耐久性能

常規(guī)耐久性試驗(yàn)在輪胎耐久高速實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，按照測(cè)試程序在規(guī)定的速度、充氣壓力和負(fù)荷條件下運(yùn)行相應(yīng)的時(shí)間后，觀測(cè)輪胎的狀況，并通過計(jì)算機(jī)輸出測(cè)試結(jié)果。

1.2 老化耐久性能

汽車使用環(huán)境的廣泛性決定了輪胎使用環(huán)境的廣泛性，即需應(yīng)對(duì)極端高溫環(huán)境且具有長(zhǎng)壽命應(yīng)用性能，因此需要進(jìn)行老化耐久性測(cè)試。它通過在輪胎內(nèi)部充入高氧氣含量的氣體以及外部高溫的環(huán)境對(duì)輪胎進(jìn)行老化后，再進(jìn)行常規(guī)耐久性測(cè)試，達(dá)到模擬輪胎在高溫使用環(huán)境下使用狀況的目的。輪胎高溫老化試驗(yàn)箱如圖1所示。

圖1 輪胎高溫老化試驗(yàn)箱

1.3 結(jié)構(gòu)耐久性能

車輛除了在良好的鋪裝路面上行駛外，還需要應(yīng)對(duì)各種崎嶇不平的路面，輪胎是與地面接觸時(shí)的第1個(gè)受力部件。結(jié)構(gòu)耐久性測(cè)試是專為該工況開發(fā)的，即輪胎在高溫、高氧氣條件下老化一段時(shí)間后，在鑲嵌有障礙物的轉(zhuǎn)鼓表面進(jìn)行測(cè)試（見圖2），考察輪胎結(jié)構(gòu)在沖擊情況下的耐久性能。

圖2 結(jié)構(gòu)耐久性實(shí)驗(yàn)機(jī)

1.4 整車加速耐久性能

在室內(nèi)進(jìn)行高負(fù)荷或高速條件下的耐久性測(cè)試，由于累計(jì)行駛里程與實(shí)際輪胎行駛里程差異很大，因此通過72 000 km的整車加速耐久性測(cè)試來評(píng)價(jià)輪胎在實(shí)際道路上長(zhǎng)里程耐久性能。道路比例為高速路占58%～60%，快速路占36%～38%，砂石路占3%～4%。整車加速耐久性測(cè)試路線和路面如圖3所示。

圖3 整車加速耐久性測(cè)試路線和路面

2 安全性能

整車的安全性能是最為重要的性能，而輪胎作為車輛的安全部件之一，其重要性更為突出。輪胎的安全性涉及輪胎的強(qiáng)度性能、脫圈阻力、保持性能、制動(dòng)性能、橫向抓著力、高速穩(wěn)定性和耐鼓包等性能。

2.1 強(qiáng)度性能

路面灑落物、路面凹凸是破壞輪胎胎面的主要因素，而輪胎充氣后一旦被破壞極易出現(xiàn)車輛失控現(xiàn)象。因此胎面的強(qiáng)度性能需要滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和DOT等標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)要求。

2.2 脫圈阻力

車輛在行駛過程中出現(xiàn)輪胎脫圈時(shí)，由于輪胎瞬間失壓，會(huì)導(dǎo)致車輛姿態(tài)急劇變化，如果控制不當(dāng)，極易因車輛失控而導(dǎo)致交通事故發(fā)生。靜態(tài)脫圈阻力成為評(píng)價(jià)這一性能的手段。

2.3 實(shí)車脫圈阻力

除了室內(nèi)的靜態(tài)脫圈阻力測(cè)試要求外，主機(jī)廠為確保車輛實(shí)際應(yīng)用中無脫圈現(xiàn)象，采用實(shí)車脫圈阻力評(píng)價(jià)，即在實(shí)際路面上，從車輛直線行駛到彎道極限狀態(tài)下輪胎是否脫圈，且采用非常低的充氣壓力來確保該項(xiàng)性能測(cè)試無風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)車脫圈阻力測(cè)試道路如圖4所示。

圖4 實(shí)車脫圈阻力測(cè)試道路

2.4 保持性能

在車輛行駛時(shí)，當(dāng)輪胎發(fā)生異常情況，輪胎氣壓瞬間降至零，若此時(shí)輪胎從胎圈上脫落會(huì)導(dǎo)致輪輞著地，車輛因瞬間失去抓地力而極易失控。

為防止此類問題出現(xiàn)，應(yīng)進(jìn)行輪胎保持性能試驗(yàn)。該項(xiàng)測(cè)試以輪胎高速行駛瞬間失壓后，中度減速時(shí)胎圈是否脫落、是否著地作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。輪胎保持性能測(cè)試場(chǎng)地及爆破器如圖5所示。

圖5 輪胎保持性能測(cè)試場(chǎng)地和爆破器

2.5 制動(dòng)性能

汽車的制動(dòng)性能是駕乘人員的安全保障。車輛的制動(dòng)力最后通過輪胎傳遞到路面，因此輪胎的制動(dòng)性能是影響車輛制動(dòng)性能的重要因素。車輛需要在不同的路面上行駛，包括干地、濕地、冰地和雪地。因此需要根據(jù)車輛和輪胎的使用場(chǎng)景全面地進(jìn)行評(píng)估。

2.5.1 干地制動(dòng)性能

干燥路面是車輛的主要使用場(chǎng)景，在該路面上需要確保車輛的制動(dòng)性能。干地路面的制動(dòng)常采用100 km·h-1帶防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）車輛建壓時(shí)間內(nèi)制動(dòng)距離進(jìn)行評(píng)估。干地制動(dòng)性能測(cè)試道路如圖6所示。

圖6 干地制動(dòng)性能測(cè)試道路

2.5.2 濕地制動(dòng)性能

在下雨時(shí)，路面會(huì)出現(xiàn)潮濕甚至積水的情況，此時(shí)車輛制動(dòng)性能會(huì)大大下降，從而成為發(fā)生事故的重要原因。國(guó)內(nèi)外通過濕滑指數(shù)來評(píng)估輪胎的濕地制動(dòng)性能。通過80 km·h-1帶ABS車輛建壓時(shí)間內(nèi)制動(dòng)距離或者測(cè)試輪胎的濕地摩擦因數(shù)（μ）-滑移率（s）峰值來評(píng)估。圖7示出了濕地制動(dòng)性能測(cè)試道路和車輛。

圖7 濕地制動(dòng)性能測(cè)試道路和車輛

2.5.3 雪地制動(dòng)性能

當(dāng)車輛在積雪路面行駛時(shí)，其雪地制動(dòng)性能尤為重要。雪地制動(dòng)性能可以通過雪地抓著力指數(shù)，即25 km·h-1帶ABS車輛建壓時(shí)間內(nèi)制動(dòng)距離來進(jìn)行評(píng)估，主機(jī)廠也有的采用50 km·h-1帶ABS車輛建壓時(shí)間內(nèi)制動(dòng)距離，更適合客戶的實(shí)際使用情況，如圖8所示。

圖8 雪地制動(dòng)性能測(cè)試

2.5.4 冰地制動(dòng)性能

當(dāng)汽車遇到極寒路面結(jié)冰工況時(shí)，輪胎的冰面抓著力是行車安全的保障。對(duì)于冰面抓著力，多采用20 km·h-1帶ABS車輛建壓時(shí)間內(nèi)制動(dòng)距離作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。冰地制動(dòng)性能測(cè)試如圖9所示。

圖9 冰地制動(dòng)性能測(cè)試

2.6 橫向抓著性能

汽車行駛時(shí)主要是完成直線行駛和轉(zhuǎn)彎。直線行駛的安全性由制動(dòng)性能保證，轉(zhuǎn)彎時(shí)的安全性需要由車輛橫向抓著力來保障，因此需要評(píng)估輪胎在不同路面條件下的橫向抓著力，一般采用定半徑繞圓測(cè)試。

2.6.1 干地橫向抓著性能

我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，繞圓測(cè)試采用直徑為60 m的圓，但隨著測(cè)試設(shè)施的發(fā)展和車輛行駛速度的提高，常采用更大直徑的圓，如直徑為100，200，240 m等的圓來進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，如圖10所示。

圖10 干地繞圓測(cè)試場(chǎng)地

2.6.2 濕地、雪地、冰地橫向抓著性能

在潮濕甚至積水路面、積雪路面和結(jié)冰路面，輪胎的橫向抓著力對(duì)于行車安全尤為重要，通常也采用繞圓測(cè)試方法，如圖11所示。

圖11 濕地、雪地、冰地繞圓測(cè)試場(chǎng)地

2.7 高速穩(wěn)定性

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車最高行駛速度越來越高。汽車高速下的穩(wěn)定性涉及到行車的安全性。對(duì)于輪胎而言，其穩(wěn)定性對(duì)行車安全有重要貢獻(xiàn)，輪胎高速穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法與整車的評(píng)價(jià)方法一致，即在平直路面上進(jìn)行高速雙移線測(cè)試，評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性，如圖12所示。

圖12 高速穩(wěn)定性測(cè)試場(chǎng)地

2.8 耐鼓包性能

隨著車輛使用輪胎胎圈直徑的增大，在輪胎外直徑不變的情況下，輪胎的扁平率越來越小，胎面撞擊鼓包的風(fēng)險(xiǎn)增大。輪胎耐鼓包性能評(píng)估采用室內(nèi)擺錘撞擊[1]和實(shí)車撞擊的方法，分別如圖13和14所示。

圖13 室內(nèi)擺錘撞擊測(cè)試

圖14 室外撞擊測(cè)試

3 動(dòng)力學(xué)性能

汽車的操縱穩(wěn)定性是車輛性能重要的組成部分。輪胎的動(dòng)力學(xué)特性直接影響整車的動(dòng)力學(xué)特性。對(duì)于輪胎的動(dòng)力學(xué)特性要求，從輪胎單體的動(dòng)力學(xué)特性到輪胎整車的動(dòng)力學(xué)特性都需要評(píng)估。輪胎動(dòng)力學(xué)特性包括剛度、六分力和操縱穩(wěn)定性。

3.1 剛度

輪胎是充氣的彈性元件，在整車動(dòng)力學(xué)中表現(xiàn)為剛度特性[2]，需要測(cè)試徑向剛度、橫向剛度、縱向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，輪胎靜態(tài)剛度實(shí)驗(yàn)機(jī)如圖15所示。

圖15 輪胎靜態(tài)剛度實(shí)驗(yàn)機(jī)

3.2 六分力

輪胎在滾動(dòng)過程中受到3個(gè)方向的力和圍繞3個(gè)方向的扭矩，即六分力，同時(shí)還有4個(gè)姿態(tài)變量，即側(cè)偏角、外傾角、滑移率和速度。六分力是輪胎運(yùn)動(dòng)過程中的重要參數(shù)，經(jīng)過汽車行業(yè)和輪胎行業(yè)多年的研究和開發(fā)，提出六分力的關(guān)鍵參數(shù)影響整車的性能，包括輪胎的殘余回正力矩、側(cè)偏剛度、H函數(shù)、G函數(shù)、橫向摩擦因數(shù)、縱向摩擦因數(shù)和松弛長(zhǎng)度。六分力測(cè)試設(shè)備如圖16所示。

圖16 六分力測(cè)試設(shè)備

3.2.1 殘余回正力矩/殘余側(cè)向力

輪胎殘余回正力矩或殘余側(cè)向力是車輛防跑偏設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，主要用于抵消路面排水而設(shè)計(jì)的排水坡度。

3.2.2 六分力參數(shù)

輪胎六分力參數(shù)與整車的操控性相關(guān)，主要通過側(cè)偏測(cè)試、側(cè)傾測(cè)試和縱向滑移測(cè)試獲得各力學(xué)參數(shù)。

3.2.3 μ-s特性

在車輛的制動(dòng)性能中，輪胎在實(shí)際路面的μ-s特性中的μ峰值是其重要參數(shù)。通過改變輪胎的s，同步測(cè)試輪胎的橫向力和負(fù)荷得到縱向μ，獲得μ-s曲線，測(cè)試道路如圖17所示。

圖17 μ-s曲線測(cè)試道路

3.3 操縱穩(wěn)定性

輪胎的操縱穩(wěn)定性與車輛的操縱穩(wěn)定性測(cè)試流程一致，主要包括直線性能、轉(zhuǎn)向性能（中心區(qū)響應(yīng)、線性區(qū)和非線性區(qū)）、非極限操縱性能和極限操縱性能。由于操縱穩(wěn)定性的多維度及復(fù)雜性，一般采取主觀評(píng)價(jià)為主、客觀數(shù)據(jù)為輔的評(píng)價(jià)方式。

3.4 噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度（NVH）性能

整車的NVH性能是最容易被感知的性能之一，也是開發(fā)投入很大的性能。輪胎的NVH性能與整車的NVH性能關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)，尤其隨著電動(dòng)汽車的興起，輪胎的NVH性能在整車NVH性能中的占比變得越來越大。NVH性能包括通過噪聲性能、客觀整車NVH性能、主觀整車NVH性能和室內(nèi)NVH性能。

3.4.1 通過噪聲

輪胎的通過噪聲是城市噪聲治理的重點(diǎn)之一，各地區(qū)政府對(duì)于輪胎噪聲[3]都設(shè)有限制要求，中國(guó)和歐盟等也制定了輪胎噪聲標(biāo)簽等級(jí)。通過多速度測(cè)試得到輪胎在80 km·h-1的噪聲輻射，從而測(cè)得通過噪聲，如圖18所示。

圖18 通過噪聲測(cè)試

3.4.2 客觀整車NVH性能

當(dāng)車輛與輪胎匹配時(shí)，通過整車級(jí)別，在不同的路面上通過麥克風(fēng)來收集車內(nèi)的噪聲，評(píng)判客觀整車NVH性能。常用的路面包括光滑瀝青路面、粗糙瀝青路面、刻槽水泥路面、比利時(shí)鋪裝路面[4]，如圖19所示。

圖19 客觀整車NVH性能測(cè)試

3.4.3 主觀整車NVH性能

主觀整車NVH性能包括平順性、舒適性和噪聲3個(gè)方面，通過人體的不同感知位置、不同的頻率范圍和不同的路面進(jìn)行區(qū)分。該性能很難通過客觀數(shù)據(jù)完全建立相關(guān)性，整車和輪胎的NVH性能大部分還依賴于主觀的評(píng)價(jià)手段，主要的評(píng)價(jià)路面如圖20所示。

圖20 主觀整車NVH性能評(píng)價(jià)路面

3.4.4 室內(nèi)NVH性能

由于輪胎的整車NVH性能依賴于測(cè)試車輛和環(huán)境，為縮短開發(fā)周期，提高測(cè)試的重復(fù)性。有些主機(jī)廠還要求提供相應(yīng)的輪胎級(jí)別室內(nèi)NVH性能，來表征整車NVH性能，如輪胎的室內(nèi)噪聲、高速均勻性、模態(tài)和力傳遞、沖擊噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲等。

3.4.4.1 室內(nèi)噪聲

在半消聲室內(nèi)，通過轉(zhuǎn)鼓帶動(dòng)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)，在一定負(fù)荷和充氣壓力下運(yùn)行，獲取輪胎發(fā)出的聲音并進(jìn)行分析。輪胎室內(nèi)噪聲測(cè)試如圖21所示。

圖21 輪胎室內(nèi)噪聲測(cè)試

3.4.4.2 高速均勻性

由于輪胎在加工過程中產(chǎn)生的不圓度導(dǎo)致其在滾動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生徑向力和前后力的波動(dòng)，即輪胎的均勻性問題。高速均勻性是指輪胎均勻性隨行駛速度的變化情況，其測(cè)試如圖22所示。

圖22 高速均勻性測(cè)試

3.4.4.3 模態(tài)和力傳遞

在整車的低頻噪聲上，在300 Hz頻率以內(nèi)存在大量的模態(tài)，在輪胎的滾動(dòng)過程中，輪胎的模態(tài)和力傳遞起到一定的作用。輪胎的模態(tài)和力傳遞測(cè)試如圖23所示。

圖23 輪胎模態(tài)和力傳遞測(cè)試

3.4.4.4 結(jié)構(gòu)噪聲

轎車的路面噪聲一直是車輛NVH領(lǐng)域的難點(diǎn)問題，而輪胎作為傳遞路徑上的重要零部件，起著重要的作用。由此為評(píng)估輪胎本身的路面噪聲性能而開發(fā)的結(jié)構(gòu)噪聲測(cè)試技術(shù)得到應(yīng)用，如圖24所示。

圖24 輪胎路面噪聲測(cè)試

3.4.4.5 沖擊噪聲

車輛沖擊性能也是其NVH性能的重點(diǎn)評(píng)估內(nèi)容，輪胎與車輛的匹配是非常重要的。降低沖擊力和沖擊余振，使沖擊變得圓潤(rùn)是沖擊噪聲優(yōu)化的方向，因此需要對(duì)輪胎的沖擊噪聲進(jìn)行評(píng)估，如圖25所示。

圖25 輪胎沖擊噪聲測(cè)試

4 經(jīng)濟(jì)性

輪胎在汽車零部件中屬于消耗品，這包括輪胎自身對(duì)燃油的消耗，即滾動(dòng)阻力，也包括輪胎本身的消耗，即輪胎磨耗。因此，減小輪胎的滾動(dòng)阻力、提高輪胎的耐磨性能，可以降低車輛本身的使用成本。

4.1 滾動(dòng)阻力

在輪胎滾動(dòng)過程中，輪胎內(nèi)部材料的內(nèi)摩擦?xí)D(zhuǎn)化成熱能耗散掉，并且隨著負(fù)荷、氣壓和速度的變化而變化。因此采用滾動(dòng)阻力系數(shù)評(píng)估輪胎的滾動(dòng)阻力性能，常用的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)為ISO 28580和SAE 2452，滾動(dòng)阻力系數(shù)越小，滾動(dòng)阻力性能越好，燃油經(jīng)濟(jì)性越好。輪胎滾動(dòng)阻力測(cè)試如圖26所示。

圖26 輪胎滾動(dòng)阻力測(cè)試

4.2 耐磨性能

輪胎的耐磨性能因汽車工況、駕駛?cè)藛T、道路情況、交通情況和環(huán)境的不同而不同。目前沒有加速的磨耗測(cè)試流程，因此耐磨性能一般是通過實(shí)車在規(guī)范化的路況下進(jìn)行測(cè)試。輪胎耐磨性能測(cè)試如圖27所示。

圖27 輪胎耐磨性能測(cè)試

5 環(huán)保性

輪胎屬于高分子材料，其原材料可能含有毒、有害物質(zhì)，在加工過程中可能散發(fā)、排放揮發(fā)性有機(jī)物和氣味[5]。因此，主機(jī)廠還會(huì)對(duì)輪胎的禁用物質(zhì)、高度關(guān)注物、碳?xì)渑欧藕蜌馕哆M(jìn)行評(píng)估。

6 裝配特性

輪胎需要與輪輞裝配后，再裝配到整車上。因此需要對(duì)輪胎的可裝配性進(jìn)行評(píng)估，即通過胎圈張力評(píng)估輪胎的裝配特性。

7 其他特性

輪胎除以上介紹的主要性能外，還有諸如輪胎的滾動(dòng)半徑、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、氣密性能、耐臭氧老化性能和電阻性能等，都有相應(yīng)的評(píng)估方法。

8 結(jié)語

輪胎配套是一個(gè)系統(tǒng)的工程，要求其所有的性能都能滿足配套汽車的要求，因此需要建立完備的性能評(píng)測(cè)體系，對(duì)輪胎性能和整車性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，以提高輪胎企業(yè)為汽車廠提供配套輪胎的能力。