基于均值分析的若干轮胎结构设计变量对滚动阻力的影响试验研究*

曹冲振　阚常凯　陈京邦　许彤然　吕勇

（山东科技大学，青岛 266590）

基于均值分析的若干轮胎结构设计变量对滚动阻力的影响试验研究*

曹冲振阚常凯陈京邦许彤然吕勇

（山东科技大学，青岛 266590）

选取胎面中心厚度（不包括花纹沟深度）—Tread Ga厚度、带束层材料、带束层角度等7个结构设计变量，通过试验研究了各变量对滚动阻力的影响。分析得出：带束层角度和带束层宽度对滚动阻力影响显著；增大带束层角度、增加A点厚度、减小Tread Ga厚度、减小带束层钢丝密度、减小带束层宽度、减小冠带层缠绕宽度、降低三角胶高度均有利于改善轮胎的滚动阻力。

主题词：轮胎结构滚动阻力设计变量均值分析法

1　引言

通常，滚动阻力消耗的能量占汽车燃油或电量消耗的14%～17%，降低轮胎滚动阻力对降低整车燃油消耗有显著作用［1］。滚动阻力的影响因素较多，本文以195/65 R14 89H乘用车轮胎为例，在胎面胶、花纹排列、轮胎轮廓不变的条件下，选取轮胎的几个结构设计变量，借助试验研究了各变量对滚动阻力的影响。

2　变量的选取

滚动阻力是由轮胎变形与摩擦引起的，受压的轮胎主要发生3种变形：胎面、胎侧和胎圈的弯曲变形；胎面的受压；胎面和胎侧的剪切形变。轮胎在滚动过程中反复变形，其内部、外部和中间结构会发生不同程度的拉伸和压缩，造成能量损失，其中以胎面耗散的能量最多，约占到50%以上［2］。胎面处主要结构包括胎面、带束层、冠带层、帘线层；胎侧处主要结构包括胎侧胶、帘线层；胎圈处主要包括钢圈、三角胶。根据设计经验，选取胎面处的胎面中心厚度（不包括花纹沟厚度）—Tread Ga厚度、带束层材料、带束层角度、带束层宽度、冠带层缠绕宽度，胎侧处A点（轮胎装饰线处的点，如图1所示）厚度，胎圈处三角胶高度等7个变量作为研究对象。

3　变量设置与试验胎制作

3.1变量的设置

考虑到需要研究多个变量因素对滚动阻力的影响，参考现有基准和国家标准，设置2组不同的变量值作为比较。不同变量对应的变量值［3］见表1，其中W150与W180只有钢丝密度不同。

表1　各变量因素取值情况

3.2试验胎的制作

试验方案见表2，其中1、2分别表示表1中变量值1、变量值2对应的取值。试验胎除方案中的变量不同，其他的半制品（如气密层）均一致且为同一时间准备；试验安排在同一台机器上成型、硫化，每个方案成型6条轮胎备用，并做好标记。

表2　不同方案的变化情况

4　滚动阻力的测试方法

式中，Ft为轮轴力的净值（净值是指扣除附加损失值）；rL为轮轴中心至鼓面的距离；R为转鼓半径；Fp1为附加损失。

本次重复性试验依照GB/T 18861—2012的规定进行，但为消除温度的影响，对滚动阻力值进行修正。在环境温度20～30℃范围内测得的轮胎滚动阻力值，按以下公式进行修正［4］：

GB/T 18861—2012不包含对轮胎滚动阻力的要求或质量分级指标，没有提供不同实验室间或不同试验机之间试验结果的比较方法。目前国内外的滚动阻力试验机多采用测力法［3～4］，滚动阻力为：

式中，Fr25为在标准环境温度（25℃）下的轮胎滚动阻力；temb为实际测量时的环境温度；Kt为轮胎滚动阻力的温度修正系数，对于轿车轮胎，取Kt=0.008。

5　试验结果与数据处理

5.1滚动阻力试验

使用青岛高测科技股份有限公司生产的轮胎滚动阻力试验机，按照GB/T 18861—2012的要求进行滚动阻力试验。为保证试验结果更有效可靠，每个方案分别取3条轮胎在同一台滚动阻力试验机上完成试验，对得到的滚动阻力取平均值并记录，试验结果如表3所示。

表3　滚动阻力试验结果　N

经过理论分析［5］，借助均值分析（analysis of means，ANOM）研究各变量因素对滚动阻力的影响。

5.2数据处理

ANOM适用于因子水平固定的试验类型［5］，依据ANOM理论，在本问题中，每次试验重复次数（即样本容量）r=3，变量因素的水平数k=2，水平重复数p=4，试验次数m=8。ANOM的决策程序如下：

b.依据平均极差估计总体的标准差：

式中，d2=1.693为变换因子，它的值取决于样本容量，可查表。

c.计算每一水平的标准差：

d.计算出决策图中心线CL，上下决策限UCL和LCL（a=0.05）：

式中，Ha为显著水平a、水平数k以及用来评估σ的自由度df有关的量，df=0.9pk（r-1），Ha值可查表，这里df=14.4，Ha=1.51。

e.作出ANOM图。

f.计算各因子的不同水平的平均值：

式中，l为不同因子；z为不同因子的水平数，z取值1或2。

在ANOM图中描出各x¯lz的图形，如果其超出ANOM图中a=0.05的决策权限，则说明因子显著。利用Matlab的绘图功能得到ANOM图如图2所示。

在ANOM图中，如果相同因素的不同水平之间的差异大，那么该因素对目标值的影响大，其就是主要因素［5］。由图2可知，各因素对滚动阻力的影响由大到小依次为：带束层宽度、带束层角度、冠带层缠绕宽度、Tread Ga厚度、三角胶高度、带束层材料、A点厚度。

6　结论

由以上试验结果和分析，可以得到以下结论：

a.对滚动阻力影响最大的因素是带束层宽度和带束层角度，在不影响其他性能的情况下，应先通过改变这2个变量改善轮胎的滚动阻力。

b.增大带束层角度、增大A点厚度、减小Tread Ga厚度、减小带束层钢丝密度、减小带束层宽度、减小冠带层缠绕宽度、降低三角胶高度均有利于改善轮胎的滚动阻力。

c.在尽量不改变轮胎性能的情况下，适当调整轮胎结构仍可以得到理想的滚动阻力。

1赵敏.降低轮胎滚动阻力的途径.轮胎工业，2006，26（10）：586～592.

2何燕，张忠富.轮胎滚动阻力影响因素及测试方法.轮胎工业，2004，24（4）：238～241.

3GB 9743-2007轿车轮胎.

4GB/T 18861-2012汽车轮胎滚动阻力试验方法.

5熊晶晶.ANOM在质量控制中的应用，工业工程，2003，2（6）：55～57.

（责任编辑斛畔）

修改稿收到日期为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

国家自然科学基金项目（50975164）。