汽車輪胎性能室內試驗簡述

張子鵬 魏曉辰 張新峰

（中國汽車技術研究中心）

在汽車的所有部件中，唯一與路面發生直接接觸的就是輪胎，輪胎性能直接影響了汽車的操控性、舒適性和安全性。從安全性角度來講，國家出臺了涉及輪胎安全的國家強制性檢驗標準，所有市場銷售的輪胎必須通過3C認證，國家認證認可監督管理委員會按照輪胎的特點，制定并發布《強制性產品認證實施規則——機動車輛輪胎》（簡稱《實施規則》），所有的汽車輪胎3C認證活動都在《實施規則》規定下進行[1]；從操控性和舒適性等方面來說，整車廠針對自身開發的新車型又對輪胎性能提出了更高的要求。文章結合現有的輪胎試驗能力，概括性介紹了汽車輪胎成品室內性能試驗及未來輪胎室內試驗的方向。

1 汽車輪胎強制性檢驗試驗

輪胎3C認證一直是要求在GB/T2977《載重汽車輪胎規格、尺寸、氣壓與負荷》或GB/T 2978《轎車輪胎規格、尺寸、氣壓與負荷》范圍之內，對2個標準范圍外的輪胎型號不受理3C強制性認證。然而由于2個標準更新速度較慢，加之中國許多車型都是從國外引進，相應的國外許多輪胎型號都隨著整車引入中國市場，這2個標準中所規定的輪胎型號較少，往往不能覆蓋市場上的大部分輪胎，造成了監管與市場脫節的現象。針對這一問題，文獻[2]將認證范圍擴大到《中國輪胎輪輞氣門嘴年鑒》，對于未在這3份文件中的輪胎型號，由認證機構進行技術識別后，對符合要求的頒發短期認證。

新版《實施規則》附件4中對涉及到的汽車輪胎強制性檢驗項目及檢測方法做了明確規定，其中載重輪胎試驗項目包括：新胎外緣尺寸、輪胎強度性能、耐久性能、磨耗標志及標志等；微型/輕型載重汽車輪胎在此基礎上增加高速性能試驗；轎車輪胎在微型/輕型載重汽車輪胎項目基礎上再增加無內胎輪胎脫圈阻力和低氣壓性能試驗。

1.1 新胎外緣尺寸胎面磨耗標志標志

輪胎的規格、商標及速度符號等信息需要在輪胎側面進行磨刻，測試方法采用目測形式。輪胎的外緣尺寸和胎面磨耗標志高度需要根據GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測量方法》使用鋼卷尺、游標卡尺和深度尺分別進行測量。

1.2 無內胎輪胎脫圈阻力試驗

無內胎輪胎脫圈阻力試驗是為了考核無內胎轎車輪胎在胎側受到側向力的作用下，保持不從輪輞上脫落下來的能力。圖1示出輪胎脫圈阻力試驗圖。它通過一個鉸接臂帶動不同規格的壓塊，以（50±2.5）mm/min的速度擠壓輪胎胎側等距離的4個試驗點來實現測試，達到規定最小力值，輪胎不脫落即判合格[3]4。根據不同的輪輞直徑，需要選擇A，B，C 3種不同規格的脫圈壓塊，根據輪輞直徑和高寬比的不同，確定脫圈壓塊與胎側接觸點到輪胎中心的水平距離。

圖1 輪胎脫圈阻力試驗圖

1.3 強度性能試驗

輪胎強度性能試驗是模仿輪胎行駛過程中，胎面遇到突出尖銳物（如石子）等，保持一定強度不被扎破的能力。轎車輪胎[3]5、微型/輕型載重汽車輪胎和載重輪胎[4]4都需進行此項試驗。圖2示出輪胎強度性能試驗圖。它是通過壓頭以（50±2.5）mm/min的速度向輪胎胎冠逐漸遞加作用力，達到指定能量值時，輪胎未刺穿或壓頭觸及輪輞則視為合格。壓頭的直徑分為19，32，38 mm，根據不同的輪胎類型、負荷指數、氣壓、直徑及層級等確定不同壓頭規格及能量值。

圖2 輪胎強度性能試驗圖

1.4 輪胎高速性能試驗

輪胎高速性能試驗主要是檢測輪胎是否能夠達到標稱的最高速。轎車輪胎、微型/輕型載重汽車輪胎需要進行此項試驗，載重汽車輪胎不需進行。圖3示出輪胎高速性能試驗圖。試驗是在（38±3）℃的環境，在高速耐久試驗機上完成。試驗機中間是直徑為（1 700±17）mm的轉鼓，轉鼓通過電機驅動旋轉，將輪胎通過作動缸，按照設定的載荷垂直按壓到轉鼓表面，隨同轉鼓一同旋轉，通過調節轉鼓的速度實現輪胎的試驗速度階梯遞增，最終達到輪胎標稱的最高速度。輪胎高速性能試驗后，轎車輪胎氣壓不低于初始氣壓的95%[3]6，載重輪胎不低于規定的初始氣壓[4]4，且最終輪胎外觀檢查合格，即通過試驗。

圖3 輪胎高速性能試驗圖

1.5 輪胎耐久性能試驗

輪胎耐久性能試驗主要是考核輪胎的壽命，所有輪胎都需要進行此項試驗。該項試驗的設備和環境同高速性能試驗相同，根據輪胎的類型不同，試驗所需要的時間分別為34 h[3]7和47 h[4]3。與高速試驗不同的是，耐久試驗過程中速度是恒定不變的，載荷隨著試驗的變化進行接替遞增，直至達到標準規定的試驗載荷。輪胎是否合格的判定原則與高速試驗相同。

1.6 輪胎低氣壓性能試驗

輪胎低氣壓性能試驗主要是考核輪胎在氣壓不足的情況下繼續行駛的能力。該試驗僅適用于轎車輪胎（不包括T型臨時使用的備用輪胎），在耐久性能試驗結束后連續進行，使用與耐久性能試驗同一套輪胎輪輞組合體，并調整至規定的試驗氣壓，在（38±3）℃的環境下以規定的恒定速度運行90 min，試驗結束后按照與高速耐久試驗相同的判定條件進行判定[3]8。

2 輪胎研發性測試試驗

2.1 輪胎準靜態剛度測試

輪胎剛度性能直接關系到整車的操控和舒適等性能。輪胎準靜態剛度測試項目包括縱橫剛度、扭轉剛度、徑向剛度、斜角剛度和包覆剛度等，可以按照GB和SAE等標準進行試驗，也可由廠家提供相應的試驗方法進行試驗。試驗情況如圖4所示。

圖4 輪胎準靜態剛度測試圖

2.2 輪胎滾動阻力試驗

輪胎滾動阻力是表征輪胎油耗性能的最直接指標。該項指標已經被列入輪胎標簽法中，在歐洲等地強制實施。目前世界上通用的滾動阻力測試方法有2種，一種是單點測試法，即輪胎在載荷與速度恒定的情況下進行測試，標準以ISO 28580為代表，包括測力法、扭矩法、功率法和減速度法；另一種是滑降法，從115 km/h的速度開始，以20 km/h的量遞減至15 km/h，測試其中6個速度點的輪胎滾動阻力值，這種方法以SAE J2452為代表。在按照標準方法進行測試之外，亦可根據不同的行駛環境，設置輪胎側偏角和滑移角，進行不同條件的滾動阻力的編程測試。輪胎滾動阻力試驗設備，如圖5所示。

圖5 輪胎滾動阻力試驗機

2.3 輪胎六分力測試

汽車行駛方向的改變是外力作用的結果。外力一是來源于空氣作用力，二是來源于地面給輪胎的作用力，而地面作用力比空氣作用力更為重要。所有地面作用力都是通過輪胎作用到汽車上。因此，輪胎的力學特性對汽車操縱穩定性有著非常重要的意義[5]。輪胎六分力測試主要是為了研究輪胎的力學特性，為構建輪胎的力學模型提供試驗數據。目前世界上比較多的試驗設備主要有轉鼓式和履帶式2種，如圖6所示。現在，歐洲的整車廠及第三方檢測機構都是采用直徑為2 m的轉鼓進行試驗，如圖6a所示；在美國及一些大的輪胎廠采用履帶式的試驗設備較多，如圖6b所示。

圖6 輪胎六分力測試設備

2.4 輪胎高速均勻性測試及其他測試

輪胎的均勻性是指在靜態和動態條件下，輪胎圓周特性恒定不變的性能，包括輪胎的質量不平衡、尺寸偏差和力的波動。輪胎的均勻性尤其是在高速情況下的均勻性直接反映輪胎的振動情況，反映到整車上就是影響整車噪聲及舒適性方面的問題，它的參數十分重要，近幾年來越來越多的整車廠在采購輪胎時會要求輪胎廠提供高速均勻性的試驗數據。輪胎的高速均勻性也是在轉鼓試驗設備上進行的，需要在輪胎高速運動的情況下測量輪胎徑向力、側向力、切向力、回正力矩和側傾力矩的波動等，因為測量的力的波動很小，所以要求設備的測量精度很高，同時要求所用的測量輪輞為高精密輪輞，輪輞外緣跳動量值需要小于0.01 mm。目前，國際主流設備最高速度可以達到350 km/h，在試驗速度為120 km/h的情況下，可以測量輪胎跳動量諧波到13階，試驗設備，如圖7所示。

圖7 輪胎高速均勻性試驗設備

該設備除了用來做高速均勻性試驗之外，還可以進行輪胎平點測試、沖擊測試和拓撲掃描。汽車在長時間停車的情況下，輪胎與地面接觸部位會形成短期的擠壓變形，造成輪胎不圓，從而對輪胎的均勻性造成影響，直接影響車輛的振動情況。輪胎平點測試是通過一個平點生成裝置按照一定載荷生成平點，然后用高速均勻性設備測量輪胎力的衰減情況。沖擊測試是模擬輪胎通過障礙物，在有沖擊的情況下，力的波動和衰減情況，它通過在轉鼓表面安裝不同斷面形狀的沖擊條來模擬實現。拓撲掃描是指在輪胎運轉的情況下，采用線極光掃描輪胎表面，生成圖像（如圖8所示），并可以測量輪胎面鼓包部位的尺寸。

圖8 輪胎斷面掃描圖

3 結論

輪胎強制性檢驗新標準增加了低氣壓等檢測試驗；強制性檢驗試驗使用范圍擴大到年鑒后，廠家設計產品具有了更大的靈活性，該舉措也更適用于市場的發展。強制性檢驗試驗只能滿足輪胎進入市場的最低要求，國內汽車整車和輪胎廠要設計更好的產品就需要在研發測試方面加大投入，提高產品性能。