浅谈汽车轮胎磨耗试验

2021-09-09曾凯凯王广博

汽车实用技术 2021年16期

曾凯凯，王伟，王广博

（一汽－大众汽车有限公司天津分公司总装车间，天津 300000）

1 汽车轮胎磨耗试验的必要性

汽车由成千上万个零部件组成，每个零部件的使用都经过了一系列的认可试验。这些零部件不仅需通过单件的试验认可，更需验证其在整车状态中的表现。但是轮胎作为汽车上的一大部件，国内整车厂并未有完善的试验认可规范。这就造成虽然轮胎厂商提供的轮胎性能优越，但是装配在整车上时却出现了一系列异常磨损现象，引起客户抱怨，带来额外的索赔和负面的新闻报道，从而造成经济上的巨大损失。在欧洲许多厂商对其所用轮胎都有自己的试验规范和评价标准，奥迪公司也要求在中国产的车辆所用的轮胎也必须经过试验认可。所以这就需要我们自己有一套完整的试验规范流程，对各个车型匹配的各种型号轮胎通过试验进行认可，尽可能把问题发现在研制阶段。

2 影响轮胎异常磨损的几大因素

车辆之所以能在路面上各方向运动，我们可以认为这是由于轮胎与路面接触的作用而产生的结果，轮胎承受了作用在汽车上的力，才得以形成运动。由于轮胎是橡胶弹性体，在车轮滚动过程中，不断的受力变形以及轮胎与地面之间的相对运动，在这一系列的作功过程中势必会消耗一定的能量。根据质量守恒定律与能量守恒定律，可以认为这是轮胎不断消耗而提供的能量。轮胎的消耗又集中体现在胎面的不断磨耗中。胎面的磨耗是轮胎与地面在各种作用方式和环境条件下相互作用，胎面橡胶逐渐脱落的过程。轮胎的磨耗直接影响轮胎的使用寿命，而在所有轮胎磨损形式中，非正常磨损对轮胎的寿命影响最大。产生异常磨损的因素有很多，其所引起的偏磨、起包、漏线、脱层等不仅会大大缩减轮胎的使用周期，甚至可以使轮胎直接报废。在本文中，浅谈了影响轮胎非正常磨损的几个因素。

2.1 轮胎的本身性能及使用条件

轮胎的使用材料橡胶是复杂的化工合成品，其不同的配方成分对其性能有着重要的影响。简单的可以区分为硬性胎和软性胎，从 F1比赛中我们可以发现，软性胎在速度上有很大优势，但是硬性胎的耐磨性要好于软胎。在轮胎的使用条件中，轮胎气压对其也有一定的影响。

当轮胎经常在低压状态下行驶时，由于胎侧变形的缘故，其径向变形增大，轮胎向里弯曲，胎面中部负荷减少，但是胎面边缘负荷急剧增大，使材料的应力增大，造成轮胎的接触面受力不均，胎面磨损也不均匀，会出现轮胎两肩磨损严重；而经常在气压过高状态下使用，轮胎刚度增大，轮胎的变形及与地面的接触面积减少，但是接触面的压强急剧增大，轮胎会出现中部磨损严重。不同的行使路面，对轮胎的寿命有着重要的影响，一般来说同一型号的轮胎在不同等级公路上的行驶里程会相差20%～25%，而碎石路面上的行驶里程仅为沥青路面的60%左右。在SWP试验中，由于各种坏路的影响，一套胎的行驶寿命仅为5 000 公里左右，而一般正常使用的轮胎寿命会达到4万公里左右，可见路面对其使用寿命有着重要的影响。一般来说轮胎的正常工作温度为 95 ℃，当轮胎胎面温度每升高1 ℃，其磨损程度增加2%，轮胎在同一路面，同一车速下行驶，外界温度每升高5 ℃，其行驶里程减少10%～15%。

当车辆以超过轮胎规定最高车速行驶时，由于轮胎工作温度过高，不仅大大缩减使用寿命，同时也易发生危险。每个型号的轮胎也都有其承载规格，若承载负荷超过额定负荷的10%，轮胎行驶里程减少8%；承载符合超过20%，行驶里程减少35%；承载负荷超过50%，行驶里程减少59%[1]。为了尽可能延长轮胎的使用寿命，必须在正确的使用条件下合理使用轮胎。

2.2 车轮定位参数的影响

在轮胎的使用过程中，车辆的机构故障对轮胎的磨损也有重要影响。如车轮前束值或外倾角不对、车轮固定不牢、轮毂轴承磨损或未安装到位、转向拉杆弯曲或转向球头磨损，传动轴弯曲歪斜，以及制动盘或鼓磨损不均引起制动不匀，这些都会影响轮胎的正常磨损。在这些因素中，前束角和车轮外倾角的调整对轮胎的异常磨损影响最大。由于外倾角的存在，车轮与地面接触部分必会存在外倾侧向力，外倾侧向力与外倾角的大小成线性关系[2]。

由于轮胎为弹性体，在外倾侧向力作用下轮胎底部与地面接触处发生侧向变形，如图1所示，aa为右前轮侧向变形后轮胎接地印迹中心线，它与车轮中心线AA平行。当车轮在路面上滚动时，轮胎接地印迹中心线 aa 将不再与 AA 平行，而是偏移一定角度β，我们称之为外倾侧偏角，如图1所示，最先落地的印迹点（A1）离车轮中心线 AA 近。侧向变形小，以后相继落地的轮胎印迹点（A2、A3、A4……）离车轮实际行驶直线 AA 越来越远。侧向变形也越大，所产生的侧向应力也越来越大。当侧向应力与地面摩擦力相等时，轮胎开始滑移。

图1 车轮印迹线

图2中，y轴代表轮胎侧偏变形量，x轴代表轮胎接地印迹长度，OX为车轮无外倾时车轮印迹中心线，AC为车轮在外倾侧向力作用下的静变形接地印迹中心线，β为侧偏角。车轮滚动时在A点开始与地面接触，经过时间t达到B点之后轮胎变形产生的侧向应力和侧向摩擦力相等，轮胎开始向C点滑移，滑移至C点后轮胎又将重复以上变形滑移过程。轮胎与地面间的滑移，加剧了轮胎的磨损，并导致异常磨损。

图2 轮胎侧向滑移

由于车轮外倾角的存在使轮胎产生向外的侧偏，而前束角的存在使轮胎向内侧偏，所以对同一车轮而言，合理的外倾角与前束角的匹配，可以使侧偏相互抵消从而减少轮胎侧向滑移、降低轮胎的磨损。

2.3 驾驶方式

良好的驾驶方式能大大延长轮胎的使用寿命，而急剧起步，急剧制动，超速行驶和急剧转弯等操作方式势必导致轮胎非正常磨损。车辆作为一大质量惯性体，当急剧起步时，轮胎会与地面发生拖曳而打滑，而长时间的打滑能引起轮胎生热，加速胎面的磨损。同样道理，当频繁制动或紧急制动，特别是车轮抱死时，瞬间的摩擦力使胎面产生不均匀磨损。高速行驶的车辆，轮胎在单位时间内与地面接触次数大大增加，结果使胎温与内压急剧升高，加速轮胎的磨损。车辆在转弯时，车辆本身的离心力与地面给予轮胎的反作用力相等，当急剧转向时，所产生的离心力就愈大，同时作用在轮胎上的转向侧向力也愈大，引起轮胎侧向变形并导致侧向滑移，从而也加剧轮胎的磨耗。

3 轮胎磨耗试验的做法

根据前文中的理论分析，为了能客观合理地对轮胎性能进行评价，我们必须有针对性的提出有利于轮胎正常磨损的试验做法。德国 IFT 公司，是一家具有三十多年经验的专业性轮胎磨耗试验公司，有着完善的理论指导和实际操作水平。通过对其试验规范的研读，并结合国内本身的实际情况，我们制定了符合中国国情的试验规范。

在这当中，首先需要选择一条合适的试验路线。为了减小路线带来的严重影响，每天的试验路线必须大于200公里。根据德国 IFT 公司的试验做法，我们规定每天试验里程为535公里，其中高速公路占55%，普通公路45%。在这普通公路中，必须具有多弯的山路，穿越城镇的乡间公路等，同时路面状况要求良好，没有太多的坑包、石子，这些都会影响轮胎的正常磨耗。根据这些要求，我们选择了北京地区作为试验场所，一来北京的路面修的比较平整，密云山区的道路车少弯多，而且北京地区雨雪天气较少，这些都有利于轮胎的正常磨耗，从而能更有代表性地体现出轮胎的性能。为了仅仅是评估轮胎的性能，我们要调换司机和轮胎来使车辆和驾驶人员对磨耗的影响最小化。对同一型号的轮胎，我们最好是准备三套胎及三辆同样的车辆来进行试验。

其司机及轮胎的轮换方式以图3为例，这样可保证每条胎在同样的驾驶条件下都有被使用过。即测试三套胎，每位司机（C1-C2-C3）都要在既定的路线在其车辆上（V1-V2-V3）来使用三套胎（A-B-T）从而减少由于司机和车辆对于轮胎磨损的影响。

图3 司机与轮胎的轮换方式

调换轮胎和司机能一定程度地提高轮胎磨耗的客观性，但是还不能满足轮胎磨耗试验的要求。我们通过规定司机的驾驶规范及对车辆的实时监控，从而最大限度的减少司机和车辆的影响。对于车辆，为了能使左右轮承受载荷相同，一般需要在副驾驶位加载75 kg“水人”来平衡轴荷。而从前文分析可以得知，四轮定位参数的变化能引起轮胎的异常磨损，所以我们规定每五千公里对车辆状态进行一次测量，及时调整定位参数，使其车轮外倾角和前束值保证合适的匹配值，减少额外侧向力的影响。轮胎的正常磨损要求车辆以正常的方式行驶，所以我们规定司机驾驶车辆必须做到纵向加速度不能超过0.35 g，横向加速度也不能超0.35 g，最大车速不能超过120 km/h。

这些数值是根据德国奥迪专业部门的标准制定的。为了能体现出数据的客观性，我们采用车辆行车记录仪对车辆的行驶状态实时监控，它能采集车辆实时的速度，每个方向上的加速度以及车辆在试验路线的位置。通过这些数据的采集分析，可以给以后的轮胎状态分析提供一些参考，从而得出更具说服力的结论。

有了路线、驾驶方式及车辆状态的控制，我们就能有代表性的模拟用户的使用条件来进行轮胎的评价。在试验过程中，每五千公里定为一循环，一般需要进行四个循环以上的试验。在一个循环结束后，我们将轮胎从车上拆下，对其出现的异常磨损进行评价分析，确定为轮胎本身缺陷还是其他因素引起的不正常磨耗。同时通过测量花纹沟深来计算轮胎的估计里程寿命，评估轮胎在整车上的磨耗特性。

估计里程寿命是根据目前的磨耗情况结合磨损极限规定而计算出来的轮胎理论寿命。世界各国都对汽车轮胎的磨损极限做了相应规定。美国规定汽车轮胎的磨损极限为花纹高度不小于1.0 mm；日本汽车轮胎协会规定货车和客车轮胎的磨损极限为3.2 mm，轿车轮胎的磨损极限为1.6 mm；我国规定轿车子午线轮胎花纹磨损极限为1.6 mm，货车和客车子午线轮胎花纹磨损极限为2.0 mm。我们可以用每个循环后所测量出的花纹沟深来计算每一沟测量点的估计里程寿命[3]。为了测量值的可比性，有必要在胎侧位置做上记号，同时胎面上每个花纹沟深都需进行测量。简单的可分为四等分，取平均值为沟槽的深度。胎肩部分取磨损极限1.0 mm，主沟部分磨损极限为1.6 mm，以所有沟深测量点估计里程寿命中的最少的里程寿命定为这条胎的里程寿命。