李允平，劉澤硯，高 松

（山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博255049）

輪胎與路面間的摩擦是一個(gè)非常復(fù)雜而且很重要的問題［1］，輪胎的磨損程度直接影響到汽車的一些基本性能，如動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等。隨著磨損程度的加劇，對(duì)汽車排放的影響也是不容忽視的。輪胎與路面間的摩擦情況除路面因素外，主要受到滑移率、輪胎類型、胎面花紋和磨損程度等因素的影響。在其他因素一定的前提下，對(duì)既定車型來說，輪胎磨損程度對(duì)在用車的排放是一個(gè)重要的影響因素。本研究通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了該影響因素的實(shí)際意義。

1 汽車輪胎

汽車的驅(qū)動(dòng)力是通過路面作用于驅(qū)動(dòng)輪上的切向反力來獲得的。這個(gè)切向反力是由驅(qū)動(dòng)輪輪胎與地面接觸產(chǎn)生摩擦而產(chǎn)生的，因此，在路面情況既定的前提下，輪胎的結(jié)構(gòu)形式及磨損狀況就成了影響驅(qū)動(dòng)力的主要因素。輪胎磨損后，其靜力半徑和滾動(dòng)半徑將變小，同時(shí)輪胎與地面間的附著性能將變差，這不僅影響了汽車的基本性能，還直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)有性能的發(fā)揮，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在理論設(shè)計(jì)工況下不能與汽車的實(shí)際行駛工況相匹配，從而對(duì)汽車排放產(chǎn)生影響。

1.1 輪胎形式

目前，常用的汽車輪胎主要有子午線輪胎、斜交輪胎和帶束斜交輪胎3種形式。子午線輪胎滾動(dòng)阻力小，地面附著能力大；斜交輪胎滾動(dòng)阻力大，地面附著能力??；帶束斜交輪胎則介于二者之間。輪胎的結(jié)構(gòu)要素對(duì)輪胎摩擦性能有著顯著的影響，其結(jié)構(gòu)要素主要包括胎面花紋形式、密度系數(shù)和花紋深度等3個(gè)方面［1］。胎面花紋可分為3類：縱向花紋（有較好的橫向防滑能力）、橫向花紋（有較好的縱向防滑能力）和塊狀花紋（縱向和橫向均有較好的防滑能力）。

1.2 輪胎的變形

由于輪胎橡膠的彈性變形，對(duì)輪胎和路面間的摩擦力將產(chǎn)生一定的作用，這種作用是在輪胎設(shè)計(jì)過程中早已考慮到的，但是輪胎磨損后輪胎橡膠的彈性變形將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致輪胎與路面間的摩擦力發(fā)生改變。這種關(guān)系的改變會(huì)直接影響到輪胎和路面間的滑移率和附著系數(shù)［2－3］。定義滑移率為Sr，附著系數(shù)為μ。

式（1）中：Fx—附著力；Fz—垂直載荷；v—車輪實(shí)際速度；vt—車輛的理論速度；vs—同一點(diǎn)絕對(duì)速度的切向分量；r—節(jié)圓半徑；ω—驅(qū)動(dòng)輪角速度。

理論上輪胎與地面間是無滑移的，也就是說滑移率為零。但是，汽車在行駛時(shí)要產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力就必須依靠在縱向力的作用下，通過輪胎在與路面接觸區(qū)域內(nèi)的局部切向彈性變形來產(chǎn)生摩擦力，即附著力。顯然，摩擦力產(chǎn)生的大小與產(chǎn)生切向彈性變形的區(qū)域面積有關(guān)，即與滑移率有關(guān)。

1.3 輪胎的磨損原因及磨損標(biāo)志

輪胎產(chǎn)生磨損的原因很多，主要有輪胎氣壓過高或過低、車輪定位不正確、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)參數(shù)的改變、車輪動(dòng)平衡不準(zhǔn)、輪轂與軸承的間隙不符合要求和駕駛操作等方面［4］。

輪胎一般都在其胎冠的側(cè)面標(biāo)有指示磨損程度的記號(hào)，也就是磨損標(biāo)志［5］。其功用是顯示輪胎的使用限度，并指示輪胎花紋的殘留深度。如果磨損超過該記號(hào)，車輪會(huì)打滑，應(yīng)及時(shí)更換輪胎。

2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用VMAS檢測系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)車在檢測平臺(tái)上進(jìn)行輪胎不同磨損程度的排放污染物的檢測實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)方法的確定

VMAS檢測系統(tǒng)是一種比較成熟的在用車排放污染物的實(shí)驗(yàn)檢測系統(tǒng)，它與維修結(jié)合起來就是I/M制度，該制度在國內(nèi)外均得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)以VMAS系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，嚴(yán)格按照文獻(xiàn)［6－7］規(guī)定的實(shí)驗(yàn)循環(huán)及相關(guān)要求對(duì)樣車排放污染物進(jìn)行檢測，實(shí)驗(yàn)循環(huán)如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)樣車采用正常使用的在用車，在實(shí)驗(yàn)過程中分別對(duì)樣車更換磨損程度不同（新、中、舊）的輪胎，磨損程度用輪胎花紋深度表示。新輪胎花紋深度9mm，中度磨損輪胎花紋深度5mm，舊輪胎花紋深度2mm。每一種狀態(tài)分別做3次實(shí)驗(yàn)，并取得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行客觀的分析研究，并用灰色系統(tǒng)理論對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行輔助分析和評(píng)價(jià)，從中找出其關(guān)聯(lián)度。

圖1 VMAS實(shí)驗(yàn)循環(huán)圖Fig.1 Experimental cycle diagram of VMAS

2.2 實(shí)驗(yàn)所用的儀器設(shè)備及實(shí)驗(yàn)車基本信息

實(shí)驗(yàn)所用的儀器設(shè)備及實(shí)驗(yàn)車基本信息見表1。檢測日期為2012年12月27日。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)車輛信息Table 1 Experimental facilities and information of vehicle

2.3 一般實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)在山東省淄博市機(jī)動(dòng)車排放污染物檢測中心進(jìn)行。該中心實(shí)驗(yàn)場地及實(shí)驗(yàn)設(shè)備完全符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，實(shí)驗(yàn)所用的儀器設(shè)備均經(jīng)技術(shù)監(jiān)督部門定期檢驗(yàn)并合格。實(shí)驗(yàn)前用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)儀器按文獻(xiàn)［6］中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行了標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)車輛的狀態(tài)符合技術(shù)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)用93號(hào)汽油。實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度0.3℃，相對(duì)濕度30.7%，大氣壓力103.5kPa。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 采樣點(diǎn)及數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)由兩部分組成，一部分是整個(gè)實(shí)驗(yàn)循環(huán)195s的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取樣頻率為1s；另一部分是關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)據(jù)。由于195s內(nèi)的數(shù)據(jù)較多，本研究只分別給出了一次實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)工況，如表2和表3所示。同樣本研究也只給出了CO和HC的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。195s實(shí)驗(yàn)循環(huán)（舊）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的樣本見圖2。

表2 汽車排放實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental result of vehicle emissions

表3 關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)工況Table 3 Experiment conditions corresponding with key points

圖2 測量參數(shù)樣本Fig.2 Samples of measurement parameters

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及裁決

最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果按國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求將計(jì)量單位均換算為g/km，并將HC和NOx合并為（HC＋NOx）作為一項(xiàng)判定指標(biāo)［6－7］，實(shí)驗(yàn)結(jié)果及裁決見表4。

表4 結(jié)果及裁決Table 4 Results and conclusions

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從表4中可以看出，輪胎的磨損程度不同直接影響到了汽車排放，磨損嚴(yán)重（舊）的輪胎其排放的污染物超出了國家標(biāo)準(zhǔn)的限值而被裁決為不合格。

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析

整個(gè)實(shí)驗(yàn)循環(huán)共計(jì)195s，采樣頻率為1s。但是在0～11s起步前和188～195s停車后時(shí)段車速為0km/h，以及實(shí)驗(yàn)循環(huán)中間的車速為0km/h的時(shí)段可以不進(jìn)行分析，因?yàn)榇藭r(shí)車速為0km/h的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與輪胎磨損與否無關(guān)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出如圖3所示的排放特性曲線，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線上看，輪胎磨損程度嚴(yán)重的舊輪胎排放特性明顯比磨損程度較輕和幾乎沒有磨損的新輪胎差。另外，從表5給出的在變工況下排放數(shù)據(jù)的處理結(jié)果［8］也顯示了同樣的結(jié)論。但是，從圖3和表5中發(fā)現(xiàn)了離散點(diǎn)的存在，離散點(diǎn)對(duì)應(yīng)車速由0→15km/h換擋→32km/h、采樣點(diǎn)49～61時(shí)段內(nèi)的工況，其特征表現(xiàn)為用舊輪胎測得的數(shù)據(jù)比用中度磨損的輪胎測得的數(shù)據(jù)小。分析認(rèn)為，出現(xiàn)離散點(diǎn)的原因可能與車輛的操作有關(guān)，盡管車速?zèng)]有超出±2km/h的誤差，但由于車速控制不穩(wěn)而引起發(fā)動(dòng)機(jī)工況的波動(dòng)造成了排放的不穩(wěn)定。輪胎磨損后對(duì)排放特性的影響是明顯的，特別是汽車在加速、減速工況下輪胎磨損程度對(duì)其排放的影響尤為明顯，排放特性隨輪胎磨損程度的加劇變得越來越差。

圖3 試驗(yàn)車的排放特性曲線Fig.3 Emission characteristic curve of test vehicle

表5 變工況下排放數(shù)據(jù)平均值Table 5 Average value of emissions in variable conditions

4.2 灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算

通過實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)不可能是線性的，其中由于測試系統(tǒng)的響應(yīng)等因素的影響不可避免地會(huì)有離散點(diǎn)的出現(xiàn)。在這種情況下用灰色理論［9－10］來判斷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)度是一種簡單、科學(xué)和實(shí)用的方法。由于篇幅的限制，本研究只給出部分?jǐn)?shù)據(jù)，根據(jù)絕對(duì)關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式計(jì)算：

4.2.1 計(jì)算過程

初始化操作（整理為等長度1的時(shí)距序列）。

計(jì)算絕對(duì)關(guān)聯(lián)度（序列的始點(diǎn)零化像）。

計(jì)算｜S0｜，｜S1｜，｜S1－S0｜及絕對(duì)關(guān)聯(lián)度。

用同樣的方法和步驟可以計(jì)算出其他參數(shù)序列之間的絕對(duì)關(guān)聯(lián)度。

4.2.2 計(jì)算結(jié)果

CO（新）和CO（中）的絕對(duì)關(guān)聯(lián)度為0.72，CO（新）和CO（舊）的絕對(duì)關(guān)聯(lián)度為0.67，HC（新）和 HC（中）的絕對(duì)關(guān)聯(lián)度為0.99，HC（新）和 HC（舊）的絕對(duì)關(guān)聯(lián)度為0.93。

從計(jì)算結(jié)果中可以看出，以新輪胎作為行為序列時(shí)，更換中、舊輪胎后根據(jù)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出的與行為序列絕對(duì)關(guān)聯(lián)度，無論是CO還是HC與行為序列的絕對(duì)關(guān)聯(lián)度，磨損嚴(yán)重的均小于磨損中等程度的，也就是說，用磨損程度中等的輪胎測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與幾乎沒有磨損的新輪胎測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，其結(jié)果比換用磨損嚴(yán)重的舊輪胎更接近。這說明磨損嚴(yán)重的輪胎對(duì)汽車排放特性的影響更大。這一結(jié)果與4.1的分析計(jì)算結(jié)果一致。

5 結(jié) 語

本研究通過實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)考察了輪胎磨損程度對(duì)汽車排放特性的影響，結(jié)果顯示，輪胎的磨損程度對(duì)其排放特性有直接的影響，特別是在加速段和減速工況時(shí)影響尤為明顯。用灰色系統(tǒng)理論分析的關(guān)聯(lián)度也表明輪胎磨損程度對(duì)在用車的排放特性有直接的影響。該實(shí)驗(yàn)研究為控制在用車的排放提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。

［1］王野平.論輪胎與路面間的摩擦［J］.汽車技術(shù)，1999（2）：10－13.

［2］王仁廣，劉昭度，齊志權(quán)，等.輪胎摩擦力與滑移率關(guān)系模型的建立方法［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38（7）：27－28，34.

［3］李松齡，裴玉龍.路面附著性能影響因素分析及其改善對(duì)策的研究［J］.公路，2007（11）：126－130.

［4］徐書坤.輪胎異常磨損的原因與對(duì)策［J］.汽車運(yùn)用，2009（12）：47.

［5］東倉，李玉玲.輪胎的胎面花紋及其功能［J］.汽車與配件，2000（35）：42－43.

［6］GB18285—2005，點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車排氣污染物排放限值及測量方法方法（雙怠速及簡易工況法）［S］.

［7］DB/37—2011，山東省點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)在用輕型汽車排氣污染物排放限值［S］.

［8］郭躍華，陸志峰，錢峰，等.概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：3－4，49－53

［9］劉思峰，黨躍國，方志耕，等.灰色系統(tǒng)理論及其應(yīng)用［M］.5版.北京：科學(xué)出版社，2010：38－61，68－88.

［10］趙曉芬.灰色系統(tǒng)理論概述［J］.吉林省教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，27（3）：152－154.