淺談汽車輪胎磨耗試驗

曾凱凱，王 偉，王廣博

（一汽－大眾汽車有限公司天津分公司 總裝車間，天津 300000）

1 汽車輪胎磨耗試驗的必要性

汽車由成千上萬個零部件組成，每個零部件的使用都經(jīng)過了一系列的認可試驗。這些零部件不僅需通過單件的試驗認可，更需驗證其在整車狀態(tài)中的表現(xiàn)。 但是輪胎作為汽車上的一大部件，國內(nèi)整車廠并未有完善的試驗認可規(guī)范。這就造成雖然輪胎廠商提供的輪胎性能優(yōu)越，但是裝配在整車上時卻出現(xiàn)了一系列異常磨損現(xiàn)象，引起客戶抱怨，帶來額外的索賠和負面的新聞報道，從而造成經(jīng)濟上的巨大損失。在歐洲許多廠商對其所用輪胎都有自己的試驗規(guī)范和評價標準，奧迪公司也要求在中國產(chǎn)的車輛所用的輪胎也必須經(jīng)過試驗認可。所以這就需要我們自己有一套完整的試驗規(guī)范流程，對各個車型匹配的各種型號輪胎通過試驗進行認可，盡可能把問題發(fā)現(xiàn)在研制階段。

2 影響輪胎異常磨損的幾大因素

車輛之所以能在路面上各方向運動，我們可以認為這是由于輪胎與路面接觸的作用而產(chǎn)生的結(jié)果，輪胎承受了作用在汽車上的力，才得以形成運動。由于輪胎是橡膠彈性體，在車輪滾動過程中，不斷的受力變形以及輪胎與地面之間的相對運動， 在這一系列的作功過程中勢必會消耗一定的能量。 根據(jù)質(zhì)量守恒定律與能量守恒定律，可以認為這是輪胎不斷消耗而提供的能量。輪胎的消耗又集中體現(xiàn)在胎面的不斷磨耗中。胎面的磨耗是輪胎與地面在各種作用方式和環(huán)境條件下相互作用，胎面橡膠逐漸脫落的過程。 輪胎的磨耗直接影響輪胎的使用壽命，而在所有輪胎磨損形式中，非正常磨損對輪胎的壽命影響最大。產(chǎn)生異常磨損的因素有很多，其所引起的偏磨、起包、漏線、脫層等不僅會大大縮減輪胎的使用周期，甚至可以使輪胎直接報廢。在本文中，淺談了影響輪胎非正常磨損的幾個因素。

2.1 輪胎的本身性能及使用條件

輪胎的使用材料橡膠是復(fù)雜的化工合成品，其不同的配方成分對其性能有著重要的影響。簡單的可以區(qū)分為硬性胎和軟性胎，從 F1比賽中我們可以發(fā)現(xiàn)，軟性胎在速度上有很大優(yōu)勢，但是硬性胎的耐磨性要好于軟胎。在輪胎的使用條件中，輪胎氣壓對其也有一定的影響。

當輪胎經(jīng)常在低壓狀態(tài)下行駛時，由于胎側(cè)變形的緣故，其徑向變形增大，輪胎向里彎曲，胎面中部負荷減少，但是胎面邊緣負荷急劇增大，使材料的應(yīng)力增大，造成輪胎的接觸面受力不均，胎面磨損也不均勻，會出現(xiàn)輪胎兩肩磨損嚴重；而經(jīng)常在氣壓過高狀態(tài)下使用，輪胎剛度增大，輪胎的變形及與地面的接觸面積減少， 但是接觸面的壓強急劇增大，輪胎會出現(xiàn)中部磨損嚴重。不同的行使路面，對輪胎的壽命有著重要的影響，一般來說同一型號的輪胎在不同等級公路上的行駛里程會相差20%～25%，而碎石路面上的行駛里程僅為瀝青路面的60%左右。在SWP試驗中，由于各種壞路的影響，一套胎的行駛壽命僅為5 000 公里左右，而一般正常使用的輪胎壽命會達到4萬公里左右，可見路面對其使用壽命有著重要的影響。一般來說輪胎的正常工作溫度為 95 ℃，當輪胎胎面溫度每升高1 ℃，其磨損程度增加2%，輪胎在同一路面，同一車速下行駛，外界溫度每升高5 ℃，其行駛里程減少10%～15%。

當車輛以超過輪胎規(guī)定最高車速行駛時，由于輪胎工作溫度過高，不僅大大縮減使用壽命，同時也易發(fā)生危險。每個型號的輪胎也都有其承載規(guī)格，若承載負荷超過額定負荷的10%，輪胎行駛里程減少8%；承載符合超過20%，行駛里程減少35%；承載負荷超過50%，行駛里程減少59%[1]。為了盡可能延長輪胎的使用壽命，必須在正確的使用條件下合理使用輪胎。

2.2 車輪定位參數(shù)的影響

在輪胎的使用過程中，車輛的機構(gòu)故障對輪胎的磨損也有重要影響。如車輪前束值或外傾角不對、車輪固定不牢、輪轂軸承磨損或未安裝到位、轉(zhuǎn)向拉桿彎曲或轉(zhuǎn)向球頭磨損，傳動軸彎曲歪斜，以及制動盤或鼓磨損不均引起制動不勻，這些都會影響輪胎的正常磨損。在這些因素中，前束角和車輪外傾角的調(diào)整對輪胎的異常磨損影響最大。 由于外傾角的存在，車輪與地面接觸部分必會存在外傾側(cè)向力，外傾側(cè)向力與外傾角的大小成線性關(guān)系[2]。

由于輪胎為彈性體，在外傾側(cè)向力作用下輪胎底部與地面接觸處發(fā)生側(cè)向變形，如圖1所示，aa為右前輪側(cè)向變形后輪胎接地印跡中心線，它與車輪中心線AA平行。當車輪在路面上滾動時，輪胎接地印跡中心線 aa 將不再與 AA 平行，而是偏移一定角度β，我們稱之為外傾側(cè)偏角，如圖1所示，最先落地的印跡點（A1）離車輪中心線 AA 近。側(cè)向變形小，以后相繼落地的輪胎印跡點 （A2、A3、A4……）離車輪實際行駛直線 AA 越來越遠。側(cè)向變形也越大，所產(chǎn)生的側(cè)向應(yīng)力也越來越大。當側(cè)向應(yīng)力與地面摩擦力相等時，輪胎開始滑移。

圖1 車輪印跡線

圖2中，y軸代表輪胎側(cè)偏變形量，x軸代表輪胎接地印跡長度，OX為車輪無外傾時車輪印跡中心線，AC為車輪在外傾側(cè)向力作用下的靜變形接地印跡中心線，β為側(cè)偏角。車輪滾動時在A點開始與地面接觸，經(jīng)過時間t達到B點之后輪胎變形產(chǎn)生的側(cè)向應(yīng)力和側(cè)向摩擦力相等，輪胎開始向C點滑移，滑移至C點后輪胎又將重復(fù)以上變形滑移過程。輪胎與地面間的滑移，加劇了輪胎的磨損，并導(dǎo)致異常磨損。

圖2 輪胎側(cè)向滑移

由于車輪外傾角的存在使輪胎產(chǎn)生向外的側(cè)偏，而前束角的存在使輪胎向內(nèi)側(cè)偏，所以對同一車輪而言，合理的外傾角與前束角的匹配，可以使側(cè)偏相互抵消從而減少輪胎側(cè)向滑移、降低輪胎的磨損。

2.3 駕駛方式

良好的駕駛方式能大大延長輪胎的使用壽命，而急劇起步，急劇制動，超速行駛和急劇轉(zhuǎn)彎等操作方式勢必導(dǎo)致輪胎非正常磨損。車輛作為一大質(zhì)量慣性體，當急劇起步時，輪胎會與地面發(fā)生拖曳而打滑，而長時間的打滑能引起輪胎生熱，加速胎面的磨損。同樣道理，當頻繁制動或緊急制動，特別是車輪抱死時，瞬間的摩擦力使胎面產(chǎn)生不均勻磨損。高速行駛的車輛，輪胎在單位時間內(nèi)與地面接觸次數(shù)大大增加，結(jié)果使胎溫與內(nèi)壓急劇升高，加速輪胎的磨損。車輛在轉(zhuǎn)彎時，車輛本身的離心力與地面給予輪胎的反作用力相等，當急劇轉(zhuǎn)向時， 所產(chǎn)生的離心力就愈大，同時作用在輪胎上的轉(zhuǎn)向側(cè)向力也愈大，引起輪胎側(cè)向變形并導(dǎo)致側(cè)向滑移， 從而也加劇輪胎的磨耗。

3 輪胎磨耗試驗的做法

根據(jù)前文中的理論分析，為了能客觀合理地對輪胎性能進行評價，我們必須有針對性的提出有利于輪胎正常磨損的試驗做法。德國 IFT 公司，是一家具有三十多年經(jīng)驗的專業(yè)性輪胎磨耗試驗公司，有著完善的理論指導(dǎo)和實際操作水平。通過對其試驗規(guī)范的研讀，并結(jié)合國內(nèi)本身的實際情況，我們制定了符合中國國情的試驗規(guī)范。

在這當中，首先需要選擇一條合適的試驗路線。為了減小路線帶來的嚴重影響，每天的試驗路線必須大于200公里。根據(jù)德國 IFT 公司的試驗做法，我們規(guī)定每天試驗里程為535公里，其中高速公路占55%，普通公路45%。在這普通公路中，必須具有多彎的山路，穿越城鎮(zhèn)的鄉(xiāng)間公路等，同時路面狀況要求良好，沒有太多的坑包、石子，這些都會影響輪胎的正常磨耗。根據(jù)這些要求，我們選擇了北京地區(qū)作為試驗場所，一來北京的路面修的比較平整，密云山區(qū)的道路車少彎多，而且北京地區(qū)雨雪天氣較少，這些都有利于輪胎的正常磨耗，從而能更有代表性地體現(xiàn)出輪胎的性能。為了僅僅是評估輪胎的性能，我們要調(diào)換司機和輪胎來使車輛和駕駛?cè)藛T對磨耗的影響最小化。對同一型號的輪胎，我們最好是準備三套胎及三輛同樣的車輛來進行試驗。

其司機及輪胎的輪換方式以圖3為例，這樣可保證每條胎在同樣的駕駛條件下都有被使用過。即測試三套胎，每位司機（C1-C2-C3）都要在既定的路線在其車輛上 （V1-V2-V3）來使用三套胎 （A-B-T）從而減少由于司機和車輛對于輪胎磨損的影響。

圖3 司機與輪胎的輪換方式

調(diào)換輪胎和司機能一定程度地提高輪胎磨耗的客觀性，但是還不能滿足輪胎磨耗試驗的要求。我們通過規(guī)定司機的駕駛規(guī)范及對車輛的實時監(jiān)控，從而最大限度的減少司機和車輛的影響。對于車輛，為了能使左右輪承受載荷相同，一般需要在副駕駛位加載75 kg“水人”來平衡軸荷。而從前文分析可以得知，四輪定位參數(shù)的變化能引起輪胎的異常磨損，所以我們規(guī)定每五千公里對車輛狀態(tài)進行一次測量，及時調(diào)整定位參數(shù)，使其車輪外傾角和前束值保證合適的匹配值，減少額外側(cè)向力的影響。輪胎的正常磨損要求車輛以正常的方式行駛，所以我們規(guī)定司機駕駛車輛必須做到縱向加速度不能超過0.35 g，橫向加速度也不能超0.35 g，最大車速不能超過120 km/h。

這些數(shù)值是根據(jù)德國奧迪專業(yè)部門的標準制定的。為了能體現(xiàn)出數(shù)據(jù)的客觀性，我們采用車輛行車記錄儀對車輛的行駛狀態(tài)實時監(jiān)控，它能采集車輛實時的速度，每個方向上的加速度以及車輛在試驗路線的位置。通過這些數(shù)據(jù)的采集分析，可以給以后的輪胎狀態(tài)分析提供一些參考，從而得出更具說服力的結(jié)論。

有了路線、駕駛方式及車輛狀態(tài)的控制，我們就能有代表性的模擬用戶的使用條件來進行輪胎的評價。在試驗過程中，每五千公里定為一循環(huán)，一般需要進行四個循環(huán)以上的試驗。在一個循環(huán)結(jié)束后，我們將輪胎從車上拆下，對其出現(xiàn)的異常磨損進行評價分析，確定為輪胎本身缺陷還是其他因素引起的不正常磨耗。同時通過測量花紋溝深來計算輪胎的估計里程壽命，評估輪胎在整車上的磨耗特性。

估計里程壽命是根據(jù)目前的磨耗情況結(jié)合磨損極限規(guī)定而計算出來的輪胎理論壽命。世界各國都對汽車輪胎的磨損極限做了相應(yīng)規(guī)定。美國規(guī)定汽車輪胎的磨損極限為花紋高度不小于1.0 mm；日本汽車輪胎協(xié)會規(guī)定貨車和客車輪胎的磨損極限為3.2 mm，轎車輪胎的磨損極限為1.6 mm；我國規(guī)定轎車子午線輪胎花紋磨損極限為1.6 mm，貨車和客車子午線輪胎花紋磨損極限為2.0 mm。我們可以用每個循環(huán)后所測量出的花紋溝深來計算每一溝測量點的估計里程壽命[3]。為了測量值的可比性，有必要在胎側(cè)位置做上記號，同時胎面上每個花紋溝深都需進行測量。簡單的可分為四等分，取平均值為溝槽的深度。胎肩部分取磨損極限1.0 mm，主溝部分磨損極限為1.6 mm，以所有溝深測量點估計里程壽命中的最少的里程壽命定為這條胎的里程壽命。

圖4 輪胎花紋深度測量標記

我們使用線性近似值的方式來計算其估計壽命。計算公式如下（使用最小平方或最小二乘方公式）：

X：估計里程壽命；

Y：輪胎里程壽命終止溝深（根據(jù)國家標準取1.6 mm）。

可用下圖5來表示對輪胎里程壽命的估算。

圖5 對輪胎里程壽命的估算

4 小結(jié)

輪胎磨耗試驗的重點在于過程的控制以及后期對數(shù)據(jù)的分析解讀。過程的控制需要合理規(guī)范的流程及嚴格遵守的制度，數(shù)據(jù)的分析處理要求我們進一步提高自身的理論水平和實際經(jīng)驗。只有形成了一整套完整的試驗做法，使磨耗試驗具有很強的重復(fù)性，這樣我們寫出的報告，得出的結(jié)論才具有意義。