军车轮胎评价指标体系探究

2014-11-21解来卿何建清高树新石秉良

汽车科技 2014年2期

解来卿　何建清　高树新　石秉良

摘要：简述了国内外军用车辆配套轮胎发展现状，分析了军用车辆对轮胎的特殊技术要求，根据轮胎与整车性能的相关性分析，运用系统分析和逻辑推理的方法，分别从单胎和整车两个角度构建了军车轮胎的评价指标体系，为军车的轮胎选型、设计和试验评价提供了借鉴。

关键词：军用车辆；轮胎；评价指标

中图分类号：U463.341 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2014）02-0042-06

轮胎作为车辆的关键部件之一，对车辆的动力性、通过性、经济性、制动性、操纵稳定性以及行驶平顺性都有直接的影响。随着汽车工业的飞速发展，车辆对轮胎的质量及性能要求越来越高，这也促使了轮胎技术的发展和轮胎试验评价手段的提高。然而，在军车领域，我国尚缺乏针对军车轮胎的评价方法，在一定程度上制约了先进轮胎在军车上的配套和应用。为此，本文根据军车对轮胎的技术要求及轮胎与整车性能的相关性分析，研究建立轮胎的评价指标体系，为军车轮胎的试验评价奠定基础。

1 军用车辆轮胎发展简述

1.1 国外军用车辆轮胎发展现状

国外，特别是美国，在军用车辆轮胎领域研究起步较早。早在1959年，美军的多家研究机构就对子午线与斜交结构轮胎的越野性能进行了深入研究，并于1965年开始在战术轮式车辆上采用子午线轮胎。发展至今，美国军用车辆轮胎具有规格系列齐全，子午化程度高，宽断面、大直径特征明显，综合性能较高等特点；目前已形成了一套比较完善的军用车辆轮胎规格系列、评价指标、试验方法和使用要求的标准体系，具体包括《美国轮胎轮辋协会（TRA）军用轮胎标准》、SAE J 2013《军用轮胎术语》、SAE J 2014《军用战术轮式车辆用充气轮胎》、《轮胎管理员手册》以及SAE J 1992《军用车辆车轮/轮辋性能要求和试验规程》等，这些标准对军用车辆轮胎的单胎综合性能、轮胎牵引力、脱圈性能、驾驶操纵稳定性、机械可靠性及胎面耐磨性等进行了详细要求，后又在新车型研制中对内支撑体充气轮胎的泄气可行驶能力进行了规定，这些指标要求共同构成了美军战术轮式车辆轮胎完整的评价指标体系。

1.2 国内军用车辆轮胎发展现状

受我国轮胎行业发展起步晚、进程慢的影响，我军目前车辆装备的轮胎存在着规格系列不全、综合性能不高、适用性不强等问题，主要体现在以下四个方面：一是子午线轮胎的比例仍然比较低，特别是重型车辆使用的大规格轮胎，仍较多采用斜交结构，制约了车辆机动能力的提高；二是轮胎调压能力较弱，一般不具有多用途能力，多以硬路面通行能力为主，冰雪、沙地等特殊路面的行驶性能较差；三是以有内胎轮胎为主，可靠性较低，维修保障性较差，使用寿命较短；四是大多轮胎不具备泄气可行驶能力，车辆战场生存能力较弱。

同时，我国军用车辆轮胎在试验评价方面存在着评价指标体系不完整、试验方法不完善和标准制订滞后等问题。现行的GJB 1261A-2004《军用越野汽车轮胎通用规范》只对军车轮胎的基本通用性能进行了规定，还没有针对可调压的子午线轮胎以及泄气可行驶轮胎的一些特殊性要求进行规定，且规定的试验评价项目均为考核单个轮胎的指标和室内台架试验，缺少面向整车的评价指标和道路试验方法。这一现状也制约了先进轮胎在军车上的配套和应用，因此迫切需要研究提出专门针对军用车辆轮胎的评价指标体系，为军车的轮胎选型和试验评价提供依据。

2 军用车辆对轮胎的技术要求

军用车辆由于使用环境、行驶地域以及整车战术技术性能的特殊性，对轮胎有特殊的技术要求。主要表现在以下方面：

a. 在良好铺装路面及乡村土（沙石）路面上快速行驶时，能适应路面变化而可靠地发挥驱动性和制动性，同时具有良好的操纵稳定性和较强的耐扎破和耐撕裂损伤性能，长时间连续工作后滚动阻力小、发热小、噪声小。

b. 在翻耕地、稻田地、沙（滩）地、灌木丛林地、泥泞地、坑洼地等软地面行驶时，应具有良好的自洁性，能有效传递牵引力，应具有包容诸如圆石、树干及树桩等的通过性能，应能在降低滚动阻力的同时增加有效牵引力，且不打滑、不陷车，具有足够的地面承载能力以保证可靠通过。

c. 在冰雪地（路）面上行驶时，应具有综合最佳的制动性能和操纵稳定性能，起步和加速时应尽可能地防止车轮空转引起的接地面内水膜的发生以改善附着性能，转向行驶时应防止超出侧向附着极限，保证良好的操纵稳定性能，在湿滑地（路）面上行驶时应具有良好的抗滑能力。

d. 能适应我国寒冷、炎热、高原和沿海等地区，要求轮胎散热性能良好，防止高温时橡胶的扯断强度、扯断伸长率及硬度降低、橡胶与钢丝间的附着强度下降以及橡胶老化等，进而防止爆胎发生，轮胎橡胶特性随温度变化应具有如下性能：低温条件下具有良好的柔软性，使轮胎与冰雪路面间保持直接、密切接触，从而增大牵引力，高温条件下具有一定的弹性。

e. 能按照环境温度、地面类型等确定最佳气压，调压范围应覆盖各种路（地）面情况。如在良好铺装路面上行驶时，应调高轮胎气压，以减小轮胎变形和滚动阻力；在坑洼不平的硬路面上应以较低的气压行驶，以减轻车身和相关部件受到的冲击和振动，改善平顺性，延长使用寿命；在沙漠、沼泽、泥泞等松软地面上行驶时，应将轮胎气压降至更低，以提高通过性能。

f. 与悬架系统配合保证乘坐舒适性，以降低驾驶员的疲劳，应具有良好的吸震和包络能力；与转向机构和悬架系统配合，使车辆具有良好的转向和操纵稳定性能；在车辆行驶速度范围内，能支承整车重量，并安全使用。

g. 能适应恶劣的战场环境，具有较高的行驶可靠性和耐久性，防止行驶中发生泄气，泄气后仍能以一定的速度持续行驶一定距离。

综上所述，军用车辆对轮胎的总体技术要求是：较强的软、硬地面通行能力，较高的良好道路行驶速度，较强的调压和低压行驶能力，良好的减振性能和抗冲击能力，较强的泄气可行驶能力，良好的抗老化和耐久性能以及较高的可靠性和良好的维修性。endprint

3 轮胎与整车性能指标相关性分析

3.1 与整车结构参数相关的轮胎指标

轮胎作为整车的一部分，其重量构成整车整备质量的一部分，轮胎的外直径也直接影响到整车高度，同时轮胎的断面宽度对车辆宽度及总体布置设计也有影响。另外，轮胎作为支撑整车重量的关键部件，整车最大总质量也直接受轮胎的负荷能力的限制。因此，与整车结构技术特性参数相关的轮胎指标主要有：轮胎质量、尺寸和负荷能力。其中，轮胎尺寸一般用新胎充气外缘尺寸来表示。轮胎在静止状态下，垂直负荷与轮胎变形的关系称为轮胎的静负荷性能。静负荷性能一般用下沉率和硬度系数来表示，它是与车辆承载能力相关的轮胎指标。

自由半径反映轮胎装车前的尺寸；轮胎装车后，静力半径决定着整车的高度，影响最小离地间隙的大小；滚动半径影响着车辆的行驶速度。因此，这三个参数是从整车角度评价轮胎尺寸的重要指标。轮胎一旦装车后，轮胎的符合能力基本决定了整车的轴荷。

3.2 与整车机动性相关的轮胎指标

军车机动性包括公路机动性和越野机动性，前者的评价指标主要有车辆加速性能、最高速度等，后者的评价指标主要有地形通过性和地面通过性。车辆的加速性能主要取决于车辆的驱动力 Ft，而驱动力大小除了与发动机输出扭矩及传动系传动比有关外，还须满足下列附着条件：

（1）

式中：Fφ为地面对车轮的附着力，在车轮与地面的法向作用力Z一定得情况下，其大小与附着系数φ成正比，而φ主要由路面和轮胎决定。

因此，轮胎与路面的附着系数是影响车辆公路机动性的轮胎指标。从整车角度讲，车辆牵引性能很大程度上取决于轮胎与地面的附着情况，所以可以用整车牵引性能来间接评价轮胎的附着性能。

影响车辆最高速度的轮胎指标主要有：轮胎的临界速度和轮胎的高速性能。从整车角度讲，可以用整车最高车速来间接衡量轮胎的高速性能。另外，轮胎的滚动阻力为车辆行驶阻力的重要组成部分，轮胎滚动阻力系数是与整车公路机动性相关的轮胎指标。

在整车布置确定的情况下，选用大直径轮胎可明显提高车辆的各种通过角及离地间隙，进而提高车辆的地形机动性。因此，轮胎外直径是与车辆地形通过性相关的轮胎指标。轮胎的单位面积平均压力，直接决定了车辆在软地面上的车辙深度进而影响车辆行驶阻力。选用宽断面和低压的轮胎可明显增大轮胎接地面积，减小轮胎接地压力，提高车辆软地面通过性。因此用于反映车辆越野机动能力的轮胎指标主要有：轮胎尺寸、平均接地压力、接地系数、单位面积平均压力和软地面通过性。

3.3 与整车安全性相关的轮胎指标

与车辆安全性相关的轮胎指标包括轮胎本身的安全性能和轮胎装车后使用安全性能。前者主要包括轮胎强度、抗切割性、轮胎脱圈性能和轮胎气密性，这些指标所均一定程度反映出轮胎是否容易产生诸如爆胎、泄/漏气等安全问题；后者主要包括车辆制动性和操纵稳定性，主要与轮胎的制动附着性和力学特性有关。

脱圈性能一般用脱圈阻力来评价，而军用车辆选用的大型轮胎可以通过装车后低气压转弯行驶时的安全行驶速度来表征。

制动距离是反映整车制动性的综合参数，其主要影响因素除制动器制动力外，与轮胎和路面的制动附着性、滚动阻力和滑动摩擦系数均有关。因此，一定初速度下的制动距离可以作为辅助评价轮胎制动附着性的指标。

车辆的操纵稳定性取决于轮胎的力学特性，包括轮胎径向、侧偏、侧倾和回正等特性。其中，轮胎侧偏刚度是决定操纵稳定性的重要的指标。从整车角度来讲，一般通过车辆的稳态回转性、转向回正性和转向轻便性等方面来评价轮胎的力学特性及其与车辆的匹配情况。

3.4 与整车生存性相关的轮胎指标

军用车辆生存性是指车辆在战场上的生存能力，它包括车辆的隐蔽性和防护性等。

车辆隐蔽性主要有噪声和伪装性能，与轮胎有关的是轮胎行驶时的车外噪声。车辆行驶时，轮胎噪声过大将会影响车辆的隐蔽性。

为提高防护性，军用车辆战时一般要求选装防弹或泄气可行驶轮胎，即在轮胎遭到枪击或坚硬物刺扎泄气后，仍能保证车辆以一定的速度安全行驶一定的战术距离，迅速脱离危险区域。因此，轮胎的泄气可行驶能力是影响车辆防护性的重要指标。

3.5 与整车适应性相关的轮胎指标

轮胎的环境适应性是决定车辆整车适应性的重要因素之一。轮胎为橡胶制品，在高低温环境下，其胶料配方和骨架材料的物理性能会发生变化，进而影响轮胎的性能和寿命。因此，轮胎装车使用中的高低温环境适应性是反映轮胎的环境适应性的重要指标。从轮胎的行驶条件考虑，轮胎本身的适应性还应包括轮胎道路适应性。轮胎道路适应性是从整车角度反映轮胎适应各种道路行驶能力的综合评价指标。它主要包括铺装道路适应性、越野道路适应性和软地面适应性，分别评价轮胎铺装道路上的高速行驶能力、越野道路上的持续行驶能力和软地面低气压行驶能力。

3.6 与整车行驶平顺性相关的轮胎指标

轮胎是车辆的弹性和阻尼元件之一，它和车辆悬架共同来衰减车辆行驶时所受到的冲击，以保证车辆具有良好的行驶平顺性。研究表明，降低轮胎刚度能使车轮部分的固有频率下降，减小车轮部分高频共振时加速度，是提高汽车平顺性的有效方法，降低轮胎气压，能减小轮胎刚性，增加汽车的平顺性。

轮胎的均匀性也是影响车辆行驶平顺性的主要因素之一，轮胎不均匀，导致整车的振动特别厉害。轮胎的均匀性也体现为轮胎的平衡性。轮胎的平衡性包括轮胎静不平衡和轮胎动不平衡。静不平衡会引起轮胎胎面磨耗不均、振动大、舒适性差等，而且会加快汽车零件的损坏。动不平衡性会影响车辆驾驶的操纵性能，并会引起轮胎摆动及影响轮胎的转向。

3.7 与整车行驶可靠性相关的轮胎指标

轮胎是车辆的关键部件，它直接与地面接触，是车辆中容易出现各种故障的易损部件之一，其耐久性直接影响整车的可靠性。轮胎的耐久性可以通过台架试验来考核，也可以通过装车后的轮胎寿命里程来反映。随着轮胎胎体所用材料性能的不断改善以及轮胎制造技术的提高，有80%以上轮胎是因胎面花纹磨光而报废，所以胎面耐磨性能在一定程度上表明轮胎的使用寿命。通常以轮胎每行驶1 000 km所磨去的花纹深度来衡量轮胎的耐磨性能，并可以此估算轮胎的寿命里程。endprint

从轮胎和轮辋一体化角度考虑，车轮的耐疲劳性也是影响整车可靠性的一个因素。评价车轮的耐疲劳性可以通过台架试验，用动态弯曲疲劳性能和动态径向疲劳性能两个指标来考核。

4 军用车辆评价指标体系的构建

4.1 构建原则与方法

a. 突出军车对轮胎的特殊技术要求

军用车辆与民用汽车相比，既有共性，更有特殊性，因此军用车辆对轮胎的指标要求也有别于普通汽车。针对军用车辆轮胎提出的评价指标既要反映出轮胎的共性，更要突出军车在越野机动性、环境适应性、战场生存性及行驶可靠性等方面的特殊要求。

b. 从单胎和整车两个角度分别提出指标

轮胎现有的各种技术规范和理论研究中，多是从单个轮胎的角度提出评价指标，包括轮胎的结构、质量、力学特性等。然而，对于整车设计而言，单纯讨论轮胎的某项性能意义并不大，轮胎的评价和选型应结合轮胎与车辆性能的匹配。因此，本文构建的军车轮胎评价指标体系包括单个轮胎（台架试验）的评价指标和轮胎装车后（道路试验）所反映出来的性能指标。

4.2 军车轮胎评价指标体系

为方便从整车角度来理解和评价轮胎，按结构及技术特性参数、机动性、安全性、生存性、可靠性、平顺性和适应性等七大类对轮胎的指标进行了分类，构建军用车辆轮胎评价指标体系如表1所示。

4.3 与民用汽车轮胎指标的对比

与民用汽车相比，军用车辆在越野机动性、战场生存性和环境适应性等方面有更为严格的要求，所建立的军车轮胎指标体系突出了评价这些方面的性能。主要表现在：

a. 越野机动性是军用车辆与民用汽车最明显的区别之一。因此指标体系重点提出了反映车辆越野机动性的轮胎指标，主要有：轮胎尺寸、平均接地压力、接地系数、单位面积平均压力和软地面通过性等。

b.轮胎的泄气可行驶能力是军车对轮胎的特殊要求，指标体系中提出了轮胎泄气后可行驶的距离和平均速度两项评价指标。

c.适应性是军车适应高低温环境和道路的性能，其中道路适应性包括铺装道路、越野道路和软地面行驶适应性，综合反映了轮胎适应各种道路行驶的能力，这是民用汽车所不具有的。

5 结论

我国现行汽车轮胎技术规范和试验标准中，缺少面向军车整车的评价指标。本文通过分析轮胎与军车整车性能指标的相关性，提出了轮胎单胎评价指标和轮胎装车后的整车评价指标，构建了军车轮胎评价指标体系，为军车轮胎的选型和试验评价奠定了基础，为轮胎与车辆性能的匹配分析提供了有益参考。

参考文献

[1]吴桂忠，等.汽车轮胎试验研究现状与发展趋势[J].轮胎工业.2006（10）：579-585.

[2]何建清，等.外军车辆轮胎现状、发展趋势及启示[J].军事交通学院学报，2011（4）：85-89.