轎車輪胎道路試驗客觀評價指標及方法概述

謝東明，邱 彬，許晟杰，楊建森，劉建軍

(中國汽車技術研究中心，天津 300300)

前言

一部汽車可以簡單地認為由5個質量(車身和4個車輪)組成，輪胎不僅使車輛得以支撐在路面上，還在車輛行駛過程中不斷磨損，產生車輪阻力和滾動噪聲，傳遞驅動和制動力矩，同時為車輛行駛穩定性提供足夠的側向力[1]。

本文中分析了轎車輪胎主要的道路試驗評價指標：車內和車外聲學性能，輪胎行駛阻力，多種路面條件下的縱向力、側向力極限，輪胎的耐磨性。還闡述了相應的常用道路試驗評價方法，為不同輪胎產品間的對比，以及與輪胎相關的整車舒適性、經濟性、安全性和可靠性的提高提供參考。

1 輪胎聲學性能及評價方法

輪胎噪聲是車輛行駛噪聲的重要組成部分，車輛行駛過程中，輪胎花紋與路面接觸的時候會形成空腔。空腔中空氣共振產生噪聲，同時輪胎與路面間摩擦引起的胎面振動等其他因素也是噪聲形成的重要原因[2]。

1.1 聲學性能評價指標

輪胎噪聲通過車輛結構及空氣波動傳遞至車廂內，極易引起駕駛員疲勞，影響乘員的乘坐舒適性；同時，隨著隔聲、吸聲、消聲等降噪措施廣泛采用，發動機和傳動系統噪聲逐漸降低，輪胎噪聲在汽車噪聲中所占比例日益增加，已被視為現代汽車非常重要的噪聲源而予以關注[3]。

目前，與輪胎相關的聲學性能主要有：

(1)車內噪聲，用以評價乘客艙內駕駛員與乘員的乘坐舒適性；

(2)滾動車外噪聲，用以單獨評價輪胎的滾動車外噪聲對于聲學環境的影響，滾動車外噪聲也是輪胎獲得歐盟認證所必須滿足的評價指標[4]；

(3)加速行駛車外噪聲，用以評價整車在全油門開度或部分油門開度狀態下發動機、傳動系統、輪胎與地面的總體噪聲水平，也是城市聲學環境控制和治理的重要技術手段[5]。

1.2 車內噪聲評價方法

車內噪聲水平與乘員舒適性，以及顧客對汽車總體的印象和評價直接相關，是各車型、各輪胎品牌之間的競爭指標。

車內噪聲測量，以轎車作為測試平臺，換裝不同型號或花紋的輪胎，通過對比各速度點的噪聲值大小或噪聲品質，獲取不同輪胎產品的聲學性能。

車輛低速行駛時不同輪胎的噪聲相差較小，且試驗容易受到發動機噪聲的影響；車速為50km/h以上時輪胎噪聲才逐漸顯現[6]。因此，評價輪胎引起的噪聲時，低速行駛的對比意義不大；但汽車高速行駛時，汽車車身和附件與空氣產生摩擦，產生頻帶較寬的風激噪聲，輪胎噪聲評價易受其影響，所以常用中等速度段50-120km/h，對輪胎聲學性能進行對比和評價。

轎車輪胎車內噪聲評價對傳感器的布置方式均依據GB/T 18697—2002《聲學 汽車車內噪聲測量方法》，如圖1所示。傳聲器的垂直坐標是座椅的表面與靠背表面的交線以上(0.70±0.05 )m處，水平坐標應在座椅的中心面上(乘員座位)或水平橫坐標向右 (0.20±0.02)m處(駕駛員座位)。

1.2.1 車內勻速噪聲試驗

車內勻速噪聲試驗中，在60-120km/h之間以速度等間隔至少選取5個測量速度點，勻速穩定行駛5s以上，并采集噪聲信號。試驗結束后，通過對比各種輪胎在各速度點上的車內勻速行駛A計權聲壓值，或各種輪胎在某一特定速度點上，各頻率范圍上的聲壓級差異，得出各種輪胎車內勻速聲學性能的優劣。由于其采集噪聲信號的時間較短，試驗簡便，且與乘員的乘坐舒適性直接相關，所以目前被較多的輪胎制造廠商用作輪胎噪聲性能對比試驗的首選方法。

2008-2009年，對10余組輪胎進行的車內勻速噪聲對比試驗發現，由于采取了不同的輪胎花紋與溝槽設計、成分配方等，在90km/h附近，選裝不同輪胎將產生較大的車內噪聲值差異，部分輪胎間的車內勻速噪聲差異高達1.5dB(A)。

1.2.2 車內滾動噪聲試驗

車內滾動噪聲試驗，可以采用發動機怠速或熄火，變速器置于空擋滑行試驗的方法。重點采集120km/h以下各速度點對應的噪聲信號；可選取不同輪胎特定速度點上的聲壓級或頻率特性等相關指標進行對比。由于滑行距離較長，如須對各速度點噪聲信號進行全面采集，則要求滑行的路面必須盡可能平整，不得有接縫、凸凹不平或類似的表面結構，由于車輛滑行距離較長，難以尋找到合適的試驗道路，試驗多在靜音轉鼓上進行。

1.2.3 車內加速噪聲試驗

60-120km/h車內加速噪聲試驗方法主要采用車輛最高擋，從略低于60km/h的車速開始全油門加速，直到車速超過120km/h時停止試驗，采集各速度點對應的噪聲信號。此項目是俄羅斯、烏克蘭等獨聯體國家新車型強制認證項目[7]，但由于受發動機噪聲影響較大，所以一般的輪胎聲學性能對比試驗較少采用。

1.3 車外噪聲評價方法

汽車加速行駛車外噪聲與輪胎滾動車外噪聲是整車產品和輪胎產品認證的強制性試驗項目。由于不是整車產品銷售的競爭性指標，所以輪胎制造商往往只是在應對整車與輪胎法規要求時才開展相關的對比試驗或研究。

1.3.1 滾動車外噪聲

滾動車外噪聲是輪胎認證的強制性檢驗項目。其目的是為控制輪胎噪聲對聲學環境的影響，盡量減小噪聲污染在市區的蔓延。

其主要試驗方法：

(1)輪胎滾動車外噪聲應在符合ISO 10844規定的試驗路面上進行，輪胎氣壓與車輛載荷等技術條件符合ECE R117法規的要求，如圖2所示。

(2)車輛在進入測試區域AA′線之前，發動機熄火空擋滑行，控制入線車速，保證車輛以70～90km/h速度(C1級輪胎)[8]通過聲級計所在的PP′線處。

(3)重復進行8次試驗，其中4次車輛通過PP′線處的車速高于80km/h；另外4次車輛通過PP′線處的車速低于80km/h，記錄下各次試驗左右側最大A計權噪聲值。

(4)按照車速與噪聲值對應關系，將試驗結果線性回歸，計算出80km/h時的輪胎滾動車外噪聲，經過溫度修正后最終試驗結果應根據輪胎寬度、輪胎類型滿足72～76dB(A)不等的相應法規限值。

1.3.2 加速行駛車外噪聲

輪胎噪聲是汽車加速行駛車外噪聲的重要組成部分，所以在加速行駛車外噪聲試驗中，對于輪胎噪聲的關注日益增多，目前基于ISO 362:1—2007為主要技術內容的全新加速行駛車外噪聲試驗方法正在制定和推廣[10]，預計2013年將在歐盟、中國、美國等主要國家和地區頒布實施。

新的加速行駛車外噪聲試驗中，轎車需要采用全油門加速噪聲與勻速噪聲加權的方法，評估發動機部分功率條件下，發動機、傳動系統、輪胎等多個總成的噪聲總和。輪胎噪聲對加速行駛車外噪聲影響的研究從2000年開始大規模展開[11]，其主要試驗方法基本等同于滾動車外噪聲試驗方法，只是將目標速度從80km/h調整至50km/h，用以研究加速行駛車外噪聲對應試驗速度下，輪胎噪聲在汽車加速行駛車外噪聲最終試驗結果中所占的具體比例。

從世界汽車制造商聯合會(OICA)公布的數據來看，2000-2004年期間，新生產的日系轎車輪胎噪聲占加速行駛車外噪聲的權重均值為41%；歐洲轎車輪胎噪聲占加速行駛車外噪聲的權重均值為49%[12]。

2 輪胎滾動阻力及相應燃油經濟性評價方法

2.1 輪胎滾動阻力與整車燃油經濟性的關系

由于輪胎的黏彈性，輪胎滾動時與路面接觸區前導部分的變形使垂向壓力向前移動，垂直方向作用力的合力作用點不通過車輪旋轉軸線，因而產生滾動阻力[13]。輪胎滾動阻力伴隨著汽車行駛全過程，是車輛行駛阻力的最重要組成部分。研究表明，輪胎滾動阻力減小4%，油耗可下降1%左右[14]。

2.2 輪胎滾動阻力與整車燃油經濟性評價辦法

由于輪胎滾動阻力與整車燃油經濟性密切相關，所以輪胎滾動阻力評價試驗往往和整車燃油消耗量評價試驗結合進行。其試驗方法如下。

(1)采用同一臺樣車，安裝不同輪胎，依次進行滑行試驗，滑行速度應能覆蓋油耗試驗所需的速度范圍；通過測量各速度點之間的往返滑行時間Ti，測算出樣車在安裝各組輪胎時，各速度點上的行駛阻力F[15](輪胎滾動阻力Ff與空氣阻力Fw之和)。在風速嚴格控制的情況下，由于采用了同一樣車(具有相同的空氣阻力系數CD和迎風面積A)，在同一車速條件下的Fw值相同[16]，通過滑行試驗的方法可獲取不同輪胎各速度點時的滾動阻力差異，以及由此引起的行駛阻力差異。

(2)將同一樣車，分別安裝上述輪胎，在轉鼓上復現特定速度點上的行駛阻力，測量該速度點上的100km等速油耗，以獲取輪胎差異對整車燃油經濟性的影響。

為提高車輛行駛阻力的測量精度，宜嚴格控制風速、路面溫度等試驗條件，同時參照排放滑行試驗標準，往返多次試驗，選取符合統計準確度要求(p≤ 2%)的多組數據Ti為有效結果，以準確獲取行駛阻力[17]；為了更加準確地反映車輛燃油經濟性，在轉鼓上進行的100km等速油耗試驗，可適當增加試驗次數和每次試驗的行駛里程，再進行燃油經濟性對比；為提高試驗結果與車輛實際市區行駛油耗水平的一致性，推薦在進行對比試驗時采用市區行駛中常用的中等車速50～70km/h進行100km等速油耗試驗，或采取模擬城市工況的變速油耗試驗方法。

(4)從表4可知，不論是對甲基藍溶液還是對甲基橙溶液，吸附百分率的值由大到小順序為：復合材料>硅膠>硅酸鈣>硅酸鎂。

從2005-2010年近30組輪胎對比試驗結果來看，中等車速條件下，相同尺寸、不同花紋的子午線輪胎的整車100km等速油耗差值在4%～8%。

3 動力學性能及評價方法

3.1 與輪胎相關的動力學性能評價指標

目前，常用的輪胎動力學性能評價指標涉及：輪胎在多種路面下的縱向力，包括濕地抓著系數、干地制動力和最大驅動力等；輪胎在多種路面環境下的側向力，包括在復雜彎道下的轉向力和濕滑路面下可獲得的側向力。中、高端轎車輪胎產品，尤其是運動型轎車輪胎，都將上述指標作為產品競爭的重點，近3年來此類試驗量也日益增加。米其林、固特異、普利司通、韓泰等多家輪胎生產商都針對以上性能指標進行了專項或綜合性能試驗。

3.2 濕地抓著系數

目前與濕地抓著系數相關的國際和國內標準有兩項：歐洲經濟委員會的ECE R117與國內的GB /T 21910—2008《轎車輪胎濕路面相對抓著性能試驗方法》。其中ECE R117法規主要用于認證試驗，其對試驗路面的鋪著及摩擦因數、標準胎的性能要求較高，國內尚無此類試驗路面可供使用。目前國內的對比試驗主要依據GB/T 21910—2008獲取各種輪胎之間的濕地抓著系數比值，或參照GB/T 21910—2008直接將制動距離、制動減速度等指標進行對比。其主要試驗方法如下。

(1)選用一組輪胎作為標準輪胎R，試驗路面保持水膜深度0.5～1.5mm，并控制好氣溫、路面溫度和風速等環境因素；檢查制動系統、ABS系統，輪胎氣壓應為220kPa，并充分預熱整車。

(2)以85km/h的速度開始在試驗路面上全力制動(踏板力600N以上)以保證ABS系統全循環，直至車輛停穩，獲取80-20km/h制動過程中的制動距離，重復至少6次，選取其中最為接近的3組數據作為有效值，獲取平均減速度值aD，并獲得均值R1。

(1)

式中：Sf≈22.22m/s，Si≈5.56m/s；d為80-20km/h的制動距離，m。

(3)采用同一樣車換裝第一組、第二組等試驗輪胎(最多可進行3組試驗輪胎測試)，由同一駕駛員在相同路段上重復上述試驗，獲取試驗輪胎的aD均值T1、T2等。

(4)完成試驗輪胎測試后，以標準輪胎再次進行試驗，獲取均值R2。

(5)將T1、T2等試驗結果，與標準輪胎的試驗結果R1、R2的加權均值(非算術均值)進行對比，獲取各種輪胎濕地抓著性能的優劣性。

由于對比試驗采用同一路面、同一樣車、相同的制動與ABS系統，且制動管路壓力的同一性得到保證，所以試驗結果重復性好，可信度高。目前，選擇各種摩擦因數路面，進行濕地抓著系數試驗已成為中、高端輪胎制造商和運動輪胎制造商對比車輛不同附著系數下的極限縱向附著能力和制動力的最佳試驗方法，并被廣泛采用。

3.3 干地制動力

干地制動力可以掌握輪胎在制動器制動力與路面提供的附著系數都足夠大情況下的極限制動力。其試驗方法大致等同于濕地抓著系數試驗，一般采用計算對比車輛從100km/h減速至0的制動距離的方式[19]，對比各種輪胎的極限制動力差異。

但干地制動力試驗過程中，由于路面可提供的附著系數較濕地制動過程中更大，所以選用的試驗車輛應保證其制動器制動力大于路面可提供的最大附著力，進而實現車輛ABS系統全循環[20]，以保證試驗條件的同一性。

3.4 極限側向力

輪胎可提供的側向力大小，關系到車輛能否實現順利轉彎、在高速狀態下能否及時躲避障礙物等多項性能。目前主要采取的試驗方法為濕地蛇形試驗[21]。其主要試驗方法如下。

(1)采用同一樣車，同一高水平駕駛員，在相同的路段上通過固定的錐桶間蛇形行駛，測量通過整個測試區域的時間、最高車速、最大側向力等指標對輪胎性能進行評定，通過時間越短、通過車速越高、輪胎可提供的最大側向力越大則輪胎性能越佳。

(2)錐桶的布置視試驗場地條件而定，目前常用的為車輛起步加速后20m處通過第一個錐桶，錐桶間距18m，連續通過10個錐桶后，車輛可繼續加速行駛20m駛離測試區域。

車輛如駛入錐桶區車速過高，則可能無法按照固定路線繞行通過所有錐桶，或車速在通過錐桶過程中逐漸降低；車輛如駛入錐桶區車速過低，則車輛可持續加速通過錐桶區。為了保證試驗結果的穩定，可經過多次預測試，獲取合適的入線速度，以保持試驗過程中油門開度不變，車速相對穩定。

在統計車輛通過整個測試區域的時間時，推薦在測試區域的入口和出口處安裝光柵，并采用光柵觸發的方式，準確標記車輛駛入和駛離測試區域的時刻；在統計最高車速與最大側向力時，應去除車輛起步駛入第一個錐桶前和車輛加速駛離最后一個錐桶后的試驗數據，以準確獲取蛇形繞樁過程中的有效最大速度值和最大側向力值。

濕地繞樁試驗過程受駕駛員水平以及駕駛員心理變化影響較大，應盡可能選用高水平的專業賽手或駕駛員，并通過多次測量取穩定均值的方法，或借鑒濕地抓著系數試驗的試驗編排順序，設置標準輪胎和試驗輪胎。在試驗輪胎進行測試前、后都安排標準輪胎進行測試，減小駕駛員對試驗結果的影響。此項目也往往與駕駛員的主觀評價共同進行。

3.5 冰雪路面條件下的制動力

隨著輪胎市場產品結構的日益完善，專門用于冰雪路面行駛的雪地胎性能開始被關注。試驗時間往往選擇在冬季，地點為冬季試驗場的冰面或雪面，其評價方法大致等同于濕地抓著系數試驗，一般采用計算對比車輛從20～40km/h的較低車速減速至0km/h的制動距離的方式，對比各種輪胎在冰面、雪面等極低附著系數路面上的極限制動力差異。

法國、日本等國已開展此類試驗多年，但在國內剛開始興起。從現有4組輪胎對比試驗結果來看，相同尺寸、不同輪胎花紋的雪地胎，在30～40km/h的制動初速度條件下，其在冰路面上的制動距離差異可達20%左右，其在雪路面上制動距離差異可達15%左右。

3.6 動力學極限綜合性能評價方法

除了以上評價方法外，還有部分輪胎制造商選用諸如上海天馬山、肇慶國際賽車場、珠海國際賽車場等專業賽道進行賽道試驗，選取駕駛水平較高的專業賽車手，采用同一車輛，換裝不同輪胎，在同一賽道采用固定的“路線”極速行駛，每組輪胎連續行駛6圈以上，以其中三組最為穩定的成績作為試驗結果，同時也參照濕地抓著系數試驗的試驗編排順序，設置標準輪胎與試驗輪胎，用以對比各組輪胎通過相同圈數的行駛時間差異。由于賽道設置較為復雜，往往包含左彎道、右彎道、急速彎道、連續彎道、長直線等多種路況，試驗過程中可同時考核輪胎驅動力、制動力、轉向力等多項綜合指標。

4 輪胎耐磨性能及評價方法

4.1 輪胎耐磨性能評價指標

輪胎的耐磨性影響輪胎的使用壽命，與用戶的輪胎維修、更換費用直接相關。輪胎耐磨性是大多數輪胎制造商新老產品間對比、競爭產品間對比時經常評價的內容。

其主要評價的指標為：行駛相同里程后，不同輪胎的胎面花紋縱向溝深度減小情況，并通過輪胎胎面花紋縱向溝深度隨行駛里程的變化情況，推算出輪胎可行駛的總里程數。

4.2 輪胎耐磨性能評價方法

目前，輪胎耐磨性的評價經常采用相同型號車輛，通過相同的路程行駛，對比不同輪胎的磨損狀況，評價其使用壽命。具體試驗方法如下。

(1)采用相同型號的多輛轎車，分別安裝不同型號的各種輪胎，并定期檢查四輪定位、輪胎氣壓等相關技術條件，將各車載荷狀態調整到一致，保持良好車況。

(2)將所有車輛編號，每車安排一名駕駛員，在相同的路段上按照循環方式同步行駛。為加快輪胎磨損速度，可在路段選擇上增加部分山區、彎道等惡劣路況。

(3)完成一個里程循環后各車互換駕駛員，以消除不同駕駛習慣對試驗最終結果的影響。

(4)多個循環后互換各車相同位置的輪胎，以消除試驗車輛細微差異對試驗最終結果的影響。

(5)幾個固定循環周期后，定期測量輪胎胎面花紋縱向溝深度值[22]，先在輪胎周向均勻選擇4個測量位置，每個測量位置對應多個溝槽深度，定期測量時應選用相同的測量位置。

(6)取每個溝槽的4個測量位置的算數平均值作為該溝槽的平均溝槽深度值，該平均溝槽深度與其行駛里程用最小二乘法做線性回歸，得出該條溝槽的“溝槽深度值——磨損里程”直線方程，當溝槽深度值減小量達試驗方案設定值時終止試驗，估算出當溝槽深度等于磨損極限時(1.6mm)該條溝槽的估計磨損里程壽命，取多條溝槽的估計磨損里程壽命的最小值作為該條輪胎的估計磨損里程壽命。最后，比較不同輪胎在車輛相同位置的輪胎壽命。

測量輪胎花紋縱向溝槽深度值時，推薦使用專用的深度尺。從2008-2011年已進行的4個批次，20余組輪胎試驗數據來看，相同尺寸、不同花紋的各種輪胎，磨損里程壽命估算值差值可高達6 000km左右，占輪胎磨損里程壽命總里程的比例高達15%。

輪胎作為整車的重要組成部分，其耐磨性對整車的可靠性具有重要影響。目前的整車質量檢驗評定方法中，針對輪胎的可靠性故障評定中有輪胎開裂、碎裂、老化起泡、嚴重磨損等相關內容[23]，其多數是對輪胎嚴重故障的評價，而輪胎耐磨性能評價方法可以通過專門的輪胎磨損試驗，對輪胎嚴重磨損等情況進行預估，還能準確估算輪胎使用壽命，這是對整車質量檢驗評定方法的補充和完善。

5 結論

(1)轎車輪胎的道路試驗客觀評價方法涉及聲學、汽車動力學等多個學科，且與汽車的舒適性、安全性、操控性和經濟性等多方面密切相關。

(2)輪胎車內噪聲、滾動車外噪聲、濕地抓著系數、干地制動性能、滑行阻力及整車油耗、耐磨性能等項目受駕駛員等主觀因素影響較小，控制好濕地水膜深度等試驗條件，優化試驗流程，較易獲取理想的評價結果，是輪胎客觀評價的推薦項目。

(3)濕地蛇形繞樁、賽道極速行駛等評價方法受駕駛員駕駛水平、心理素質和車況影響較大，應選用專業的駕駛人員，設計合理的試驗規程，保持良好車輛狀態，并結合主觀評價綜合評定。

(4)輪胎的冰、雪路面性能評價，以及歐盟輪胎標簽法相應的評價項目[24]，是目前國內迫切需要開展和完善能力建設的項目。

(5)輪胎的多項性能間往往存在矛盾性，本文中對此尚未做研究，實際應用中應綜合考慮各項性能，優化產品設計。

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