磨損輪胎的性能研究

李方舟，黃宗茂，王代華，陳其忠，毛德政

（怡維怡橡膠研究院有限公司，山東 青島 266045）

輪胎是車輛中唯一與地面接觸并承受載荷的重要零部件，對(duì)車輛的駕駛安全性、舒適性和操縱性能等有重要影響。在輪胎使用過(guò)程中，磨損不可避免，磨損后的輪胎花紋溝深度減小，輪廓改變，膠料老化，輪胎的各項(xiàng)性能發(fā)生變化。王文軍等[1]將新輪胎與行駛1萬(wàn)km的磨損輪胎進(jìn)行冰地性能對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，輪胎的冰面抓著性能隨磨損發(fā)生改變，新輪胎的冰面抓著性能無(wú)法反映輪胎在整個(gè)生命周期的性能狀況。K.R.S.WRIGHT等[2]研究老化和磨損對(duì)235/55R19輪胎剛度和縱向摩擦特性的影響發(fā)現(xiàn)，磨損前后輪胎縱向摩擦力的變化幅度為10%，而輪胎剛度變化不大。F.BIESSE等[3]通過(guò)大量統(tǒng)計(jì)及測(cè)試發(fā)現(xiàn)，與新輪胎相比，剩余花紋深度為2.0 mm的輪胎的濕地制動(dòng)距離延長(zhǎng)10 m以上，易引發(fā)交通安全事故。

目前聯(lián)合國(guó)世界車輛法規(guī)協(xié)調(diào)論壇（UN/WP29）正在討論制定磨損輪胎濕地性能法規(guī)，輪胎在全生命周期內(nèi)的性能研究和管控將成為趨勢(shì)。本工作使用4個(gè)規(guī)格輪胎，經(jīng)過(guò)實(shí)車路試后獲得剩余花紋深度不同的磨損輪胎，分別進(jìn)行滾動(dòng)阻力、接地壓力分布和干/濕地制動(dòng)性能測(cè)試，研究磨損程度對(duì)輪胎性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 測(cè)試輪胎

為保障輪胎磨損速率相近，本工作所有路試車輛均為出租車，輪胎規(guī)格與車輛原配輪胎相同，輪胎及車輛信息如表1所示。

表1 路試輪胎及車輛信息

因測(cè)試車輛的驅(qū)動(dòng)方式均為前置前驅(qū)，前輪輪胎磨損量較后輪輪胎大，且車輛行駛路況及駕駛習(xí)慣各不相同，導(dǎo)致磨損后輪胎的剩余花紋深度有較大差異。為研究不同磨損程度下輪胎的性能變化，按剩余花紋深度進(jìn)行分組（4條深度相近的輪胎歸為一組進(jìn)行制動(dòng)測(cè)試），測(cè)試輪胎的磨損信息及制動(dòng)測(cè)試的安裝輪位如表2所示。

表2 輪胎磨損及測(cè)試信息

1.2 測(cè)試項(xiàng)目及方法

（1）室內(nèi)測(cè)試。滾動(dòng)阻力，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為ISO 28580：2018。接地壓力分布，充氣壓力為220 kPa，試驗(yàn)載荷為輪胎最大載荷的70%。

（2）室外測(cè)試。干濕地制動(dòng)測(cè)試，測(cè)試車輛為大眾高爾夫8，測(cè)試場(chǎng)地為山東招遠(yuǎn)IDIADA汽車試驗(yàn)場(chǎng)，瀝青路面，濕地制動(dòng)水膜厚度為1.0 mm。干濕地制動(dòng)條件均為速度100 km·h-1降至零，充氣壓力為220 kPa，試驗(yàn)載荷為輪胎最大載荷的70%。制動(dòng)測(cè)試時(shí)每條輪胎至少完成6次有效測(cè)試，取6次測(cè)試的制動(dòng)距離平均值。每組測(cè)試均選用未磨損的新輪胎作為基準(zhǔn)，參照歐盟ECE R117法規(guī)進(jìn)行數(shù)據(jù)修正。使用Racelogic Vbox 3i數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄制動(dòng)距離并輔助分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 滾動(dòng)阻力系數(shù)

輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)是影響車輛能耗的重要指標(biāo)，隨著滾動(dòng)阻力系數(shù)的減小，車輛的能耗降低[4-6]。選取不同規(guī)格的磨損輪胎進(jìn)行滾動(dòng)阻力測(cè)試，結(jié)果如圖1所示。滾動(dòng)阻力性能指數(shù)以新輪胎為100計(jì)，指數(shù)大，代表滾動(dòng)阻力性能好。

圖1 輪胎滾動(dòng)阻力隨磨損率的變化趨勢(shì)

從圖1可以看出，隨著輪胎磨損率的增大，4個(gè)規(guī)格磨損輪胎的滾動(dòng)阻力性能均呈現(xiàn)先降低后提高（即滾動(dòng)阻力系數(shù)先增大后減小）的趨勢(shì)。

隨著輪胎磨損，滾動(dòng)阻力性能受兩方面因素影響：（1）輪胎部件中胎面的形變及能量損耗最大，隨著磨損率的增大，胎面膠體積減小，輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)減小；（2）輪胎在實(shí)車路試磨損中，行駛面寬度增大，導(dǎo)致滾動(dòng)阻力系數(shù)增大，另外輪胎在使用過(guò)程中，防老劑逐漸析出，膠料發(fā)生老化，導(dǎo)致滾動(dòng)阻力系數(shù)增大，老化程度與輪胎的行駛里程和溫度及胎面膠的生膠體系和防老化體系等因素有關(guān)。實(shí)車路試的后輪輪胎磨損率較低，行駛時(shí)間和里程長(zhǎng)，老化程度高，與磨損較快的前輪輪胎相比，可能會(huì)呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。

輪胎磨損前期，胎面膠損失較少，但行駛面寬度增大較快，加上膠料老化的影響，導(dǎo)致輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)增大；當(dāng)輪胎磨損率較大時(shí)，行駛面寬度變化較小，胎面膠損失較多成為影響輪胎滾動(dòng)阻力的主因，導(dǎo)致滾動(dòng)阻力系數(shù)減小。

2.2 接地壓力分布

輪胎在一定充氣壓力和載荷下的接地印痕與輪胎的使用性能息息相關(guān)。本工作從接地面積、花紋溝面積和花紋飽和度等方面分析輪胎接地壓力分布。

接地面積為在測(cè)試工況下輪胎印痕中花紋塊的面積。一般而言，接地面積越大，輪胎的抓著性能越好。

花紋溝面積為在測(cè)試工況下輪胎印痕中花紋溝（包含花紋縱溝、橫溝和刀槽）的面積，花紋溝面積等于印痕面積減接地面積。在濕地行駛時(shí)，花紋溝承擔(dān)排水的作用。

花紋飽和度為接地面積除以印痕面積。

以205/55R16規(guī)格輪胎為例，不同磨損率下輪胎的接地壓力分布如圖2所示。輪胎的接地面積、花紋溝面積和花紋飽和度隨磨損率的變化趨勢(shì)如圖3—5所示。

圖2 不同磨損率下205/55R16輪胎的接地壓力分布

圖3 輪胎接地面積隨磨損率的變化趨勢(shì)

圖4 輪胎花紋溝面積隨磨損率的變化趨勢(shì)

圖5 輪胎花紋飽和度隨磨損率的變化趨勢(shì)

從圖2—5可以看出，不同磨損率下輪胎的接地壓力分布差異較大，隨著輪胎磨損程度的增大，4個(gè)規(guī)格輪胎的接地面積均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)；205/60R16輪胎的花紋溝面積逐漸減小，其余3個(gè)規(guī)格輪胎的花紋溝面積呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；205/60R16輪胎的花紋飽和度逐漸增大，其余3個(gè)規(guī)格輪胎的花紋飽和度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。

綜上分析，輪胎磨損過(guò)程中胎面花紋可能會(huì)有以下變化。

（1）為了提高花紋塊剛性及滿足生產(chǎn)工藝要求，花紋溝壁設(shè)計(jì)有傾斜角度，花紋塊截面呈梯形，使花紋溝面積隨輪胎磨損而逐漸減小，接地面積則逐漸增大。

（2）部分花紋溝、裝飾圖案和花紋倒角等不是全深度設(shè)計(jì)，另外輪胎上還有一些加強(qiáng)筋、溝內(nèi)裝飾凸臺(tái)等設(shè)計(jì)，隨著磨損率的增大，部分花紋溝和倒角等被磨損，而加強(qiáng)筋等露出表面，使花紋塊面積增大、花紋溝面積減小。

（3）如果新輪胎花紋塊的棱邊設(shè)計(jì)較尖銳，磨損后可能出現(xiàn)棱邊破損，使花紋溝面積增大、花紋塊面積減小。

（4）輪胎磨損后，接地印痕的長(zhǎng)度、寬度及形狀等會(huì)發(fā)生變化，接地壓力分布也隨之變化，此外還有可能產(chǎn)生偏磨及畸形磨損等問(wèn)題，對(duì)接地面積及印痕產(chǎn)生影響。

本次實(shí)車路試的輪胎中有些出現(xiàn)了不同程度的偏磨，偏磨與輪胎的結(jié)構(gòu)、花紋、車輛參數(shù)和駕駛工況等因素有關(guān)[7-9]。圖2（b）和（c）中輪胎有一定程度的偏磨及畸形磨損，導(dǎo)致輪胎接地壓力分布不均勻，不利于制動(dòng)。

2.3 干地制動(dòng)性能

在速度100 km·h-1降至零的制動(dòng)條件下，輪胎干地制動(dòng)性能隨磨損率的變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 輪胎干地制動(dòng)性能隨磨損率的變化趨勢(shì)

從圖6可以看出，隨著磨損率的增大，4個(gè)規(guī)格輪胎的干地制動(dòng)性能呈現(xiàn)先降低后提高的趨勢(shì)。與新輪胎相比，205/55R16規(guī)格磨損輪胎的干地制動(dòng)性能最大降幅為7%，其余3個(gè)規(guī)格磨損輪胎的干地制動(dòng)性能差異在±3%范圍內(nèi)，變化程度較小。

劉俊杰等[10]以235/65R17輪胎為研究對(duì)象，對(duì)轎車輪胎的干地制動(dòng)性能研究發(fā)現(xiàn)，胎面膠配方、輪胎骨架材料和行駛里程均會(huì)影響干地制動(dòng)性能。本次干地制動(dòng)試驗(yàn)中，不同磨損程度的輪胎接地面積不同，通常接地面積越大，輪胎的制動(dòng)性能越好。根據(jù)前面的分析，隨著輪胎磨損率的增大，接地面積呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，這與干地制動(dòng)性能變化趨勢(shì)基本一致，也驗(yàn)證了接地面積對(duì)干地制動(dòng)性能影響的結(jié)論。

2.4 濕地制動(dòng)性能

在速度100 km·h-1降至零的制動(dòng)條件下，濕地制動(dòng)性能測(cè)試結(jié)果如下：205/55R16輪胎剩余花紋深度為100%（新輪胎，下同），83.5%和52%時(shí)濕地制動(dòng)距離分別為45.18，49.09和54.87 m；205/60R16輪胎剩余花紋深度為100%，76%和18.5%時(shí)濕地制動(dòng)距離分別為45.23，47.62和65.99 m；205/50R17輪胎剩余花紋深度為100%，91%和46.5%時(shí)濕地制動(dòng)距離分別為49.81，45.83和56.98 m；215/50R17 輪胎剩余花紋深度為100%，84%，64.2%和45.7%時(shí)濕地制動(dòng)距離分別為50.51，52.84，58.20和64.45 m。由此可見(jiàn)，隨著磨損率的增大，205/50R17輪胎的濕地制動(dòng)距離先縮短后延長(zhǎng)，其余3組輪胎的濕地制動(dòng)距離呈現(xiàn)不斷延長(zhǎng)的趨勢(shì)，這與輪胎磨損后接地壓力分布變化有關(guān)。當(dāng)花紋磨損率為40%～60%時(shí)，輪胎的濕地制動(dòng)距離較新輪胎延長(zhǎng)7～14 m。輪胎最小剩余花紋深度為2.61 mm（205/60R16規(guī)格，磨損率為81.5%），與新輪胎相比，濕地制動(dòng)距離延長(zhǎng)20.76 m。可見(jiàn)，磨損對(duì)輪胎濕地制動(dòng)性能影響較大，在多雨、道路濕滑地區(qū)，應(yīng)注意檢查輪胎剩余花紋深度，以保證駕駛安全性。

在兩種制動(dòng)條件下，輪胎濕地制動(dòng)性能隨磨損率的變化趨勢(shì)如圖7所示。

圖7 不同制動(dòng)條件下輪胎濕地制動(dòng)性能隨磨損率的變化趨勢(shì)

從圖7（a）可以看出，與滾動(dòng)阻力和干地制動(dòng)性能相比，輪胎濕地制動(dòng)性能受磨損率的影響較大。對(duì)比圖7（a）與（b）可以看出，與速度100 km·h-1降至零的制動(dòng)條件相比，磨損輪胎在速度80 km·h-1降至零的制動(dòng)條件下的濕地制動(dòng)性能有所提高，這是因?yàn)樵跐竦刂苿?dòng)性能測(cè)試時(shí)，輪胎接地區(qū)域存在“三區(qū)（排水區(qū)、過(guò)渡區(qū)和牽引區(qū)）概念”[11]，在制動(dòng)初期，行駛速度較高，輪胎排水能力對(duì)抗?jié)窕阅苡绊戄^大。新輪胎及磨損程度低的輪胎因花紋溝深度大，排水空間大，濕地制動(dòng)性能較好；磨損程度大的輪胎，部分花紋橫溝完全磨損，無(wú)法切割水膜，花紋縱溝的深度較小，排水能力較弱，導(dǎo)致在速度100 km·h-1降至零制動(dòng)條件下的濕地制動(dòng)距離較長(zhǎng)。在制動(dòng)中后期，由于速度減慢，排水能力對(duì)濕地制動(dòng)性能的影響減小，過(guò)渡區(qū)和牽引區(qū)的影響增大，磨損輪胎的接地面積大，更有利于濕地制動(dòng)。

3 結(jié)論

隨著輪胎磨損率的增大，輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，接地面積呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，干地制動(dòng)性能呈現(xiàn)先降低后提高的趨勢(shì)但變化較小，濕地制動(dòng)性能明顯降低。