两种冬季轮胎在寒区的性能研究与对比测试

谢伟忠，陈龙，袁世海，孙建忠，熊俊西

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州 510640）

两种冬季轮胎在寒区的性能研究与对比测试

谢伟忠，陈龙，袁世海，孙建忠，熊俊西

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州 510640）

分析了冬季轮胎性能研究的重要性及影响其性能的胎面胶和花纹设计特点。通过实车测试对比了四季胎和雪地胎在寒区冰雪路面的制动性能、加速性能及操控性能表现。对比结果表明，车辆装配雪地胎时能获得更大的纵向和侧向附着力极限，更适合于在寒区低温环境下使用，使用四季胎存在较大安全隐患。

四季胎；雪地胎；寒区；测试

CLC NO.:U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-162-04

前言

轮胎是整车动力学特性的重要决定因素，不仅支撑着车辆载荷，同时也为加速、制动和转向提供了所需的纵向力和侧向力[1],是保证车辆行驶安全性的关键。轮胎可以根据车型、用途划分为不同的种类，其性能也是不同的，而相同类型的轮胎，其性能也会受结构、材料、花纹等众多因素的影响。在冬季寒冷地区，四季胎和雪地胎是使用较多的两种轮胎。四季胎，是指在不同的季节下均可以使用的轮胎，胎侧一般会标有“M+S”字样，即Mud（泥地）+Snow（雪地）下适用，目前不少国内销售的整车尤其是SUV车型均标配该类型轮胎。雪地胎是指采用特殊的胎胶配方和花纹设计，适用于冬季低温和冰雪路面行驶的特殊轮胎，胎侧除了标有“M+S”字样外，还有专用的雪花标识，目前主要使用在东北、西北等冬季严寒地区。随着我国经济的发展以及人们安全意识的提高，冬季轮胎正越来越受到关注。

1、冬季轮胎性能研究的必要性

1.1 我国寒区的分布及主要路面状况

我国幅员辽阔，经纬度及海拔跨度较大，造成了冬季各区域间的气温存在巨大差异。按照最冷月平均气温＜-3℃、超过10℃的月份≤5个月及年平均气温≤5℃来界定寒区的话，我国寒区面积约417.4×104km2，占我国陆地面积的43.5%[2]。东北三省、内蒙古中东部地区、青海、新疆的部分地区和西藏大部分地区，均属于寒区。以上地区的平均气温低于0℃的月份数基本在4个月以上，一般为11月-2月，包括的主要城市有：哈尔滨、长春、沈阳、呼和浩特、兰州、西宁和乌鲁木齐等。

由于寒区冬季气温低，降雪量大且雪季漫长，路面状况复杂多变。比较常见的路面有鲜雪路、压实雪路及部分结冰路面。为了保证车辆和行人的出行安全，城市里主要道路的积雪清理工作相对及时，而城市周边的乡镇道路及国道上的积雪往往不能得到及时的清理，对行车安全造成了一定的隐患。

1.2 国内冬季轮胎的使用现状

四季胎和雪地胎是国内使用较多的两种冬季轮胎。四季胎在冬季使用分布较广，基本覆盖了我国的大部分地区，据称全年都能使用，其价格与普通轮胎相当，不少国内销售的SUV车型均标配该类型的轮胎。雪地胎的使用地域和时间则相对集中，国内寒区范围内的大中城市均有较高的使用率，常驾车行驶于县城和乡镇等道路的车辆基本都会在冬季换装雪地胎。通过近年的调查发现，在长春、沈阳等温度相对较高且路面积雪清理较及时的大城市，有不少车主在冬季仍然使用四季胎，而再往北的地区如哈尔滨、齐齐哈尔、黑河等地，冬季基本所有车辆均已换装雪地胎。

1.3 欧洲冬季轮胎法规借鉴

欧洲是目前世界范围内冬季轮胎使用相对成熟的地区，一方面是因为消费者对行车安全的高度重视，另一方面是较多的国家推出了强制使用冬季胎的法规。例如德国规定在冰雪路面上不能使用夏季轮胎，要使用带有“M+S”标记或雪花状标记的冬季轮胎。奥地利强制规定在每年的11月1日至次年的4月15日必须使用冬季轮胎，而带有“M+S”标记的四季胎也可划分在冬季轮胎轮胎的范围内。瑞典强制性规定在每年的12月1日至次年的3月31日使用带有“M+S”标识的轮胎，轮胎花纹深度最少3mm[3]。

2、冬季轮胎的设计特点

2.1 胎面胶的配方

胎面是轮胎与地面接触的媒介，因此其在低温下的性能将直接影响到轮胎的抓地力表现。冬季轮胎的胎面胶配方有别于普通轮胎，在低温下胎面硬度较普通轮胎要低，保证了在冬季冰雪路面上的抓着性能及抗湿滑性能。冬季胎胎面胶常用的原材料有天然橡胶（NR)、顺丁橡胶（BR）、溶聚丁苯橡胶（SSBR），再加入一定量的白炭黑及抗湿滑助剂等。和普通橡胶相比，NR和BR胶料的玻璃化温度较低，低温下的储能模量较小，在低温下能保证足够的柔软性，提高了轮胎在寒区冰雪路面的行驶安全性能。SSBR胶料的玻璃化温度较高，在0℃附近的损耗因子较大，具有较好的抗湿滑性能，适用于普通地区冬季高速轮胎。使用白炭黑可以减小胎面胶硬度在低温下的变化，保证轮胎在极低温下的柔软性。而加入某些特定的抗湿滑助剂，可增大损耗因子、降低低温下的储能模量，提高抗湿滑性能和雪地行驶性能[4]。

2.2 轮胎花纹设计

轮胎与路面的摩擦力主要由三大部分组成：1、由胎面与路面接触产生的粘着摩擦力；2、轮胎橡胶变形产生的阻滞摩擦力；3、轮胎花纹与地面间的刮动摩擦力[5]。对于冬季轮胎来说，在寒区冰雪路面下的粘着摩擦力和阻滞摩擦力都是比较小的，主要靠的是轮胎花纹的刮动摩擦力来提供车辆所需的牵引力、制动力和侧向力。雪地胎花纹的沟槽一般都比较深、比较宽，能有效得排开路面的积雪并接触硬质的路面，加大轮胎附着力，轮胎侧壁的花纹和胎面细花纹能有效提高轮胎与地面的接触面积，提高车轮与冰面接触区域的刮动摩擦力。四季胎的胎面花纹与普通轮胎差别并不太明显，主要体现在胎面上密布的横向细花纹，能起到一定的排水、排雪作用，并增大接地面积，提升汽车的泥地、雪地行驶性能。有研究表明[6]，在冰面和中等压实雪地上，轮胎花纹的横向沟槽间隙率越大，可提供的制动力就越大。

3、四季胎与雪地胎寒区性能测试

3.1 测试条件

本次测试地点为黑龙江省黑河市孙吴二门山试水库，用于测试的车辆为某款紧凑型SUV，车辆TCS/ABS/ESP功能正常，环境温度约为-15℃，测试项目及路面如表1所示。考虑寒区路面附着条件一致性较差，各对比项目选择在同一时间段内进行，每个试验项目进行五次测试，测试结果为去掉最好和最差的结果后取中间三次的平均值获得。

图1 测试轮胎（四季胎（上）和雪地胎（下））

表1 对比测试项目表

测试轮胎选择了符合试验车型设计要求的相同规格四季胎和雪地胎各一套（轮胎花纹见图2），在测试前进行了超过100km的高附路面磨合，测试胎压按设计值进行设定，并在装车和试验前在室外放置2个小时，对轮胎表面进行必要的清洁。本次测试按照“同车不同胎”原则进行，即除轮胎不同外，其余试验条件均保证了较好的一致性。

3.2 牵引性能测试

牵引性能测试通过测量车辆从静止起步加速至指定车速所需的时间来进行。测试载荷为车辆设计载荷。为了尽可能减小驾驶员操作引起的测试误差，试验过程中TCS始终处于开启状态，且用全油门加速。测试路面为经过压整的雪地和干燥的水泥铺装路面，雪地测试均选择在没有车辙的路面上进行。牵引性能对比测试结果见表2、图2。

为了直观体现轮胎打滑的程度，定义驱动轴速Vaxle：

式中，Vlw、Vrw分别为驱动轴左、右车轮轮速。

表2 牵引性能对比测试结果

从表2、图2结果可以看出，四季胎和雪地胎的在压实雪地上的牵引性能相差较大，使用雪地胎加速到达目标速度所需的时间约为四季胎的65%。装配四季胎时，加速初段驱动轮打滑严重，TCS控制更加频繁，在驱动轴速稳定后，轮胎所能提供的加速度也较小。在干燥的水泥铺装路面上，两种轮胎的牵引性能相差不大，得益于花纹对轮胎接地面积的影响，四季胎稍好于雪地胎。

图2 牵引测试车速和轴速曲线（压实雪地）

3.3 制动性能测试

制动性能测试通过测量车辆从特定车速开始采用紧急制动到完全停止所经过的距离来进行。测试载荷为车辆设计载荷。为了对比两种轮胎的低温附着性能，在ABS开启和关闭状态下均进行了测试。测试路面选择了经过压整的雪地及冰面。制动性能对比测试结果见表3、表4及图3。

表3 制动性能对比测试结果（ABS on）

从表3、表4可以看出，在制动性能上，雪地胎在压实雪地和冰面上较四季胎有绝对的优势。在ABS开启的状态下，车辆装备四季胎时的冰雪路面制动距离约为装备雪地胎时的1.7倍。从图3可以看出，在压实雪地上紧急制动的过程中，装配四季胎时车轮更加容易抱死，车辆纵向平均制动减速度也仅为不到 0.3g，而装配雪地胎时平均减速度可达0.4g。

表4 制动性能对比测试结果（ABS off）

图3 ABS开启状态下的车速、轮速及减速度曲线（压实雪地）

在ABS关闭时，无论装配雪地胎还是四季胎，车轮在冰雪路面下的紧急制动过程中均处于抱死状态，可以较好的体现轮胎与路面的附着性能。使用雪地胎可以有效的缩短制动距离，在冰面上的优势更加明显，这得益于雪地胎更为粗糙的表面花纹和低温下良好的柔软度保持性。

3.4 操稳性能测试

3.4.1 蛇行试验

蛇行试验参考了国标GB/T 6323-2014中的相关试验方法，按照标准要求进行场地布置，见图4。通过测试车辆可以通过该路线的最高车速以及过程中的峰值横摆角速度和侧向加速度，验证车辆在装配不同轮胎时的侧向动力学性能。考虑到本次试验主要为了对比轮胎性能，试验载荷并未按国标规定的满载进行加载，而是采用车辆整备质量加上驾驶员、试验员和试验仪器质量的载荷。测试过程中关闭了车身稳定控制系统（ESP），车辆以接近等速的状态通过规定试验路线。测试路面为经过压整的中等压实雪地。测试结果见表5。

图4 蛇形试验标桩布置图（L=30m）

表5 蛇行对比测试结果

从表5结果可以看出，车辆在装配雪地胎时，通过蛇行路线的最高车速比装配四季胎时提高了13km/h（26.5%），平均侧向加速度峰值提高了0.19g（70.3%），平均横摆角速度峰值也有一定的提升。可见，雪地胎能为车辆提供更大的侧向附着力，降低车辆在雪地上行驶时发生失控的风险，也提升了一定的驾驶乐趣。

3.4.2 双移线试验

双移线试验参考了ISO 3888-1-1999中的相关试验方法，参考标准要求并结合实际情况进行场地布置，如图5。通过测量车辆可以通过规定路线的最高车速及过程中的平均横摆角速度和侧向加速度，验证车辆在装配不同轮胎时的变线操控性及稳定性。试验载荷为车辆整备质量加上驾驶员、试验员和试验仪器质量的载荷。测试过程中关闭了车身稳定控制系统（ESP），油门开度由驾驶员进行控制并以最快的速度通过指定路线。测试路面为经过压整的中等压实雪地。测试结果见表6。

图5 双移线试验标桩布置图

表6 双移线对比测试结果

从表6结果可以看出，在双移线工况的对比测试中，四季胎与雪地胎的性能差异与蛇行工况下相近。车辆装配雪地胎时，通过车速较四季胎提高了18km/h（31.5%），平均横摆角速度峰值提高了4.9°/s（39.7%），平均侧向加速度峰值提高了0.18g（72%）。可见，装配雪地胎的车辆拥有更好的高速移线性能，确保了行车安全。

3.4.3 操稳道行驶试验

操稳道行驶试验主要验证车辆在压实积雪路面上的综合驾驶性能。本次使用的操稳道全长约2300m，宽8m，路面为经过压整的中等压实雪地。试验通过记录车辆从静止起步开始行驶一圈至回到起点所经历的时间以及过程中的纵向、侧向加速度信号，综合验证车辆的加速、制动及转向性能。试验载荷为车辆整备质量加上驾驶员、试验员和试验仪器质量的载荷。测试过程中ESP、ABS、TCS均处于正常工作状态。

测试结果如表7所示。

表7 操稳道行驶对比测试结果

从表7结果可以看出，车辆在装配雪地胎时，在操稳道上所能达到的最快行驶圈速能比装配四季胎时减少48.77秒，平均行驶车速提高了14.3km/h(32.8%)，优势明显。将行驶过程中记录的车辆侧向、纵向加速度分别绘制于X和Y轴上，可得到车辆在装配雪地胎和四季胎时XY平面上的加速度分布图（如图6）。在除轮胎以外的其余试验条件均基本相同的情况下，该图可近似等效为轮胎与雪地间的附着椭圆。通过图6可以看出，车辆装配雪地胎时可获得更大的纵向和侧向附着极限：加速时，雪地胎可为车辆提供最大约0.2g的加速度，而四季胎仅为约0.1g；制动时，雪地胎可提供的最大减速度为0.4～0.5g，而四季胎仅为约0.3g；转向时，雪地胎能提供的最大侧向加速度为约0.5g，而四季胎仅为0.3g。

图6 车辆在XY平面内的加速度分布图

4、结论

1）得益于独特的胎面胶配方和花纹设计，雪地胎相比四季胎更适合于在寒区低温环境下使用。

2）经过对比测试，在寒区冰雪路面条件下，车辆在装配雪地胎时可获得更大的附着力极限，相对于四季胎，牵引性能和制动性能的提升均在50%以上，操稳性能也有近30%的提升。雪地胎不仅保证了车辆的行驶安全，也在一定程度上提升了驾驶乐趣。

[1] Gillespie T D.车辆动力学基础.赵六奇，金达锋.译.北京:清华大学出版社[M].2006:134.

[2] 陈仁升,康尔泗,吴立宗,等.中国寒区分布探讨[J]. 冰川冻土.2005. 27(4):469-475.

[3] 苏博,姚丽佳.冬季轮胎概况[J].橡胶科技, 2014(2):5-12.

[4] 聂万江,韩慧,李文东.冬季轮胎胎面胶配方的研究[J].轮胎工业.2013.33(12):729-733.

[5] 徐军辉. 雪地轮胎性能[J].世界汽车. 2015(11):58-61.

[6] King T R, Matyja F E. TREAD DESIGN EFFECT ON WINTER TRACTION[J]. Society of Automotive Engineers Preprint,1981.

[7] 国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.GB/T 6323-2014 汽车操纵稳定性试验方法[S].

[8] ISO-International Organization for Standardization.Passenger cars -Test track for a severe lane-change manoeuvre[S].ISO 3888-1:1999, 1999.

[9] 彭旭东,孟祥凯,卢荡,等.冰雪路面汽车轮胎摩擦特性研究进展[J].摩擦学学报, 2003, 23(5):451-456.

Research and Testing of The Performance of Two Kinds of Winter Tires in Cold Region

Xie Weizhong, Chen Long, Yuan Shihai, Sun Jianzhong, Xiong Shixi
( GAC, Automotive Engineering Institute, Guangdong Guangzhou 510640 )

Briefly analyse the importance of researching the winter tires’ performance, and design characteristics of tread pattern and tread stock which influence it.Compare the performance of all-season tires and snow tires by testing the car’s braking、acceleration and handling performance on the snow or ice surface in cold region. The results show that snow tires can provide the car with higher limitation both in longitudinal and lateral direction so it’s more suitable in cold region，while using all-season tires is dangerous.

all-season tires; snow tires; cold region; testing

U467.3

A

1671-7988 (2017)08-162-04

谢伟忠，本科，整车性能试验工程师，就职于广汽研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.055