曾凱凱，王 偉，王廣博

（一汽－大眾汽車(chē)有限公司天津分公司 總裝車(chē)間，天津 300000）

1 汽車(chē)輪胎磨耗試驗(yàn)的必要性

汽車(chē)由成千上萬(wàn)個(gè)零部件組成，每個(gè)零部件的使用都經(jīng)過(guò)了一系列的認(rèn)可試驗(yàn)。這些零部件不僅需通過(guò)單件的試驗(yàn)認(rèn)可，更需驗(yàn)證其在整車(chē)狀態(tài)中的表現(xiàn)。 但是輪胎作為汽車(chē)上的一大部件，國(guó)內(nèi)整車(chē)廠并未有完善的試驗(yàn)認(rèn)可規(guī)范。這就造成雖然輪胎廠商提供的輪胎性能優(yōu)越，但是裝配在整車(chē)上時(shí)卻出現(xiàn)了一系列異常磨損現(xiàn)象，引起客戶抱怨，帶來(lái)額外的索賠和負(fù)面的新聞報(bào)道，從而造成經(jīng)濟(jì)上的巨大損失。在歐洲許多廠商對(duì)其所用輪胎都有自己的試驗(yàn)規(guī)范和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，奧迪公司也要求在中國(guó)產(chǎn)的車(chē)輛所用的輪胎也必須經(jīng)過(guò)試驗(yàn)認(rèn)可。所以這就需要我們自己有一套完整的試驗(yàn)規(guī)范流程，對(duì)各個(gè)車(chē)型匹配的各種型號(hào)輪胎通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行認(rèn)可，盡可能把問(wèn)題發(fā)現(xiàn)在研制階段。

2 影響輪胎異常磨損的幾大因素

車(chē)輛之所以能在路面上各方向運(yùn)動(dòng)，我們可以認(rèn)為這是由于輪胎與路面接觸的作用而產(chǎn)生的結(jié)果，輪胎承受了作用在汽車(chē)上的力，才得以形成運(yùn)動(dòng)。由于輪胎是橡膠彈性體，在車(chē)輪滾動(dòng)過(guò)程中，不斷的受力變形以及輪胎與地面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)， 在這一系列的作功過(guò)程中勢(shì)必會(huì)消耗一定的能量。 根據(jù)質(zhì)量守恒定律與能量守恒定律，可以認(rèn)為這是輪胎不斷消耗而提供的能量。輪胎的消耗又集中體現(xiàn)在胎面的不斷磨耗中。胎面的磨耗是輪胎與地面在各種作用方式和環(huán)境條件下相互作用，胎面橡膠逐漸脫落的過(guò)程。 輪胎的磨耗直接影響輪胎的使用壽命，而在所有輪胎磨損形式中，非正常磨損對(duì)輪胎的壽命影響最大。產(chǎn)生異常磨損的因素有很多，其所引起的偏磨、起包、漏線、脫層等不僅會(huì)大大縮減輪胎的使用周期，甚至可以使輪胎直接報(bào)廢。在本文中，淺談了影響輪胎非正常磨損的幾個(gè)因素。

2.1 輪胎的本身性能及使用條件

輪胎的使用材料橡膠是復(fù)雜的化工合成品，其不同的配方成分對(duì)其性能有著重要的影響。簡(jiǎn)單的可以區(qū)分為硬性胎和軟性胎，從 F1比賽中我們可以發(fā)現(xiàn)，軟性胎在速度上有很大優(yōu)勢(shì)，但是硬性胎的耐磨性要好于軟胎。在輪胎的使用條件中，輪胎氣壓對(duì)其也有一定的影響。

當(dāng)輪胎經(jīng)常在低壓狀態(tài)下行駛時(shí)，由于胎側(cè)變形的緣故，其徑向變形增大，輪胎向里彎曲，胎面中部負(fù)荷減少，但是胎面邊緣負(fù)荷急劇增大，使材料的應(yīng)力增大，造成輪胎的接觸面受力不均，胎面磨損也不均勻，會(huì)出現(xiàn)輪胎兩肩磨損嚴(yán)重；而經(jīng)常在氣壓過(guò)高狀態(tài)下使用，輪胎剛度增大，輪胎的變形及與地面的接觸面積減少， 但是接觸面的壓強(qiáng)急劇增大，輪胎會(huì)出現(xiàn)中部磨損嚴(yán)重。不同的行使路面，對(duì)輪胎的壽命有著重要的影響，一般來(lái)說(shuō)同一型號(hào)的輪胎在不同等級(jí)公路上的行駛里程會(huì)相差20%～25%，而碎石路面上的行駛里程僅為瀝青路面的60%左右。在SWP試驗(yàn)中，由于各種壞路的影響，一套胎的行駛壽命僅為5 000 公里左右，而一般正常使用的輪胎壽命會(huì)達(dá)到4萬(wàn)公里左右，可見(jiàn)路面對(duì)其使用壽命有著重要的影響。一般來(lái)說(shuō)輪胎的正常工作溫度為 95 ℃，當(dāng)輪胎胎面溫度每升高1 ℃，其磨損程度增加2%，輪胎在同一路面，同一車(chē)速下行駛，外界溫度每升高5 ℃，其行駛里程減少10%～15%。

當(dāng)車(chē)輛以超過(guò)輪胎規(guī)定最高車(chē)速行駛時(shí)，由于輪胎工作溫度過(guò)高，不僅大大縮減使用壽命，同時(shí)也易發(fā)生危險(xiǎn)。每個(gè)型號(hào)的輪胎也都有其承載規(guī)格，若承載負(fù)荷超過(guò)額定負(fù)荷的10%，輪胎行駛里程減少8%；承載符合超過(guò)20%，行駛里程減少35%；承載負(fù)荷超過(guò)50%，行駛里程減少59%[1]。為了盡可能延長(zhǎng)輪胎的使用壽命，必須在正確的使用條件下合理使用輪胎。

2.2 車(chē)輪定位參數(shù)的影響

在輪胎的使用過(guò)程中，車(chē)輛的機(jī)構(gòu)故障對(duì)輪胎的磨損也有重要影響。如車(chē)輪前束值或外傾角不對(duì)、車(chē)輪固定不牢、輪轂軸承磨損或未安裝到位、轉(zhuǎn)向拉桿彎曲或轉(zhuǎn)向球頭磨損，傳動(dòng)軸彎曲歪斜，以及制動(dòng)盤(pán)或鼓磨損不均引起制動(dòng)不勻，這些都會(huì)影響輪胎的正常磨損。在這些因素中，前束角和車(chē)輪外傾角的調(diào)整對(duì)輪胎的異常磨損影響最大。 由于外傾角的存在，車(chē)輪與地面接觸部分必會(huì)存在外傾側(cè)向力，外傾側(cè)向力與外傾角的大小成線性關(guān)系[2]。

由于輪胎為彈性體，在外傾側(cè)向力作用下輪胎底部與地面接觸處發(fā)生側(cè)向變形，如圖1所示，aa為右前輪側(cè)向變形后輪胎接地印跡中心線，它與車(chē)輪中心線AA平行。當(dāng)車(chē)輪在路面上滾動(dòng)時(shí)，輪胎接地印跡中心線 aa 將不再與 AA 平行，而是偏移一定角度β，我們稱(chēng)之為外傾側(cè)偏角，如圖1所示，最先落地的印跡點(diǎn)（A1）離車(chē)輪中心線 AA 近。側(cè)向變形小，以后相繼落地的輪胎印跡點(diǎn) （A2、A3、A4……）離車(chē)輪實(shí)際行駛直線 AA 越來(lái)越遠(yuǎn)。側(cè)向變形也越大，所產(chǎn)生的側(cè)向應(yīng)力也越來(lái)越大。當(dāng)側(cè)向應(yīng)力與地面摩擦力相等時(shí)，輪胎開(kāi)始滑移。

圖1 車(chē)輪印跡線

圖2中，y軸代表輪胎側(cè)偏變形量，x軸代表輪胎接地印跡長(zhǎng)度，OX為車(chē)輪無(wú)外傾時(shí)車(chē)輪印跡中心線，AC為車(chē)輪在外傾側(cè)向力作用下的靜變形接地印跡中心線，β為側(cè)偏角。車(chē)輪滾動(dòng)時(shí)在A點(diǎn)開(kāi)始與地面接觸，經(jīng)過(guò)時(shí)間t達(dá)到B點(diǎn)之后輪胎變形產(chǎn)生的側(cè)向應(yīng)力和側(cè)向摩擦力相等，輪胎開(kāi)始向C點(diǎn)滑移，滑移至C點(diǎn)后輪胎又將重復(fù)以上變形滑移過(guò)程。輪胎與地面間的滑移，加劇了輪胎的磨損，并導(dǎo)致異常磨損。

圖2 輪胎側(cè)向滑移

由于車(chē)輪外傾角的存在使輪胎產(chǎn)生向外的側(cè)偏，而前束角的存在使輪胎向內(nèi)側(cè)偏，所以對(duì)同一車(chē)輪而言，合理的外傾角與前束角的匹配，可以使側(cè)偏相互抵消從而減少輪胎側(cè)向滑移、降低輪胎的磨損。

2.3 駕駛方式

良好的駕駛方式能大大延長(zhǎng)輪胎的使用壽命，而急劇起步，急劇制動(dòng)，超速行駛和急劇轉(zhuǎn)彎等操作方式勢(shì)必導(dǎo)致輪胎非正常磨損。車(chē)輛作為一大質(zhì)量慣性體，當(dāng)急劇起步時(shí)，輪胎會(huì)與地面發(fā)生拖曳而打滑，而長(zhǎng)時(shí)間的打滑能引起輪胎生熱，加速胎面的磨損。同樣道理，當(dāng)頻繁制動(dòng)或緊急制動(dòng)，特別是車(chē)輪抱死時(shí)，瞬間的摩擦力使胎面產(chǎn)生不均勻磨損。高速行駛的車(chē)輛，輪胎在單位時(shí)間內(nèi)與地面接觸次數(shù)大大增加，結(jié)果使胎溫與內(nèi)壓急劇升高，加速輪胎的磨損。車(chē)輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)，車(chē)輛本身的離心力與地面給予輪胎的反作用力相等，當(dāng)急劇轉(zhuǎn)向時(shí)， 所產(chǎn)生的離心力就愈大，同時(shí)作用在輪胎上的轉(zhuǎn)向側(cè)向力也愈大，引起輪胎側(cè)向變形并導(dǎo)致側(cè)向滑移， 從而也加劇輪胎的磨耗。

3 輪胎磨耗試驗(yàn)的做法

根據(jù)前文中的理論分析，為了能客觀合理地對(duì)輪胎性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，我們必須有針對(duì)性的提出有利于輪胎正常磨損的試驗(yàn)做法。德國(guó) IFT 公司，是一家具有三十多年經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)業(yè)性輪胎磨耗試驗(yàn)公司，有著完善的理論指導(dǎo)和實(shí)際操作水平。通過(guò)對(duì)其試驗(yàn)規(guī)范的研讀，并結(jié)合國(guó)內(nèi)本身的實(shí)際情況，我們制定了符合中國(guó)國(guó)情的試驗(yàn)規(guī)范。

在這當(dāng)中，首先需要選擇一條合適的試驗(yàn)路線。為了減小路線帶來(lái)的嚴(yán)重影響，每天的試驗(yàn)路線必須大于200公里。根據(jù)德國(guó) IFT 公司的試驗(yàn)做法，我們規(guī)定每天試驗(yàn)里程為535公里，其中高速公路占55%，普通公路45%。在這普通公路中，必須具有多彎的山路，穿越城鎮(zhèn)的鄉(xiāng)間公路等，同時(shí)路面狀況要求良好，沒(méi)有太多的坑包、石子，這些都會(huì)影響輪胎的正常磨耗。根據(jù)這些要求，我們選擇了北京地區(qū)作為試驗(yàn)場(chǎng)所，一來(lái)北京的路面修的比較平整，密云山區(qū)的道路車(chē)少?gòu)澏?，而且北京地區(qū)雨雪天氣較少，這些都有利于輪胎的正常磨耗，從而能更有代表性地體現(xiàn)出輪胎的性能。為了僅僅是評(píng)估輪胎的性能，我們要調(diào)換司機(jī)和輪胎來(lái)使車(chē)輛和駕駛?cè)藛T對(duì)磨耗的影響最小化。對(duì)同一型號(hào)的輪胎，我們最好是準(zhǔn)備三套胎及三輛同樣的車(chē)輛來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。

其司機(jī)及輪胎的輪換方式以圖3為例，這樣可保證每條胎在同樣的駕駛條件下都有被使用過(guò)。即測(cè)試三套胎，每位司機(jī)（C1-C2-C3）都要在既定的路線在其車(chē)輛上 （V1-V2-V3）來(lái)使用三套胎 （A-B-T）從而減少由于司機(jī)和車(chē)輛對(duì)于輪胎磨損的影響。

圖3 司機(jī)與輪胎的輪換方式

調(diào)換輪胎和司機(jī)能一定程度地提高輪胎磨耗的客觀性，但是還不能滿足輪胎磨耗試驗(yàn)的要求。我們通過(guò)規(guī)定司機(jī)的駕駛規(guī)范及對(duì)車(chē)輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而最大限度的減少司機(jī)和車(chē)輛的影響。對(duì)于車(chē)輛，為了能使左右輪承受載荷相同，一般需要在副駕駛位加載75 kg“水人”來(lái)平衡軸荷。而從前文分析可以得知，四輪定位參數(shù)的變化能引起輪胎的異常磨損，所以我們規(guī)定每五千公里對(duì)車(chē)輛狀態(tài)進(jìn)行一次測(cè)量，及時(shí)調(diào)整定位參數(shù)，使其車(chē)輪外傾角和前束值保證合適的匹配值，減少額外側(cè)向力的影響。輪胎的正常磨損要求車(chē)輛以正常的方式行駛，所以我們規(guī)定司機(jī)駕駛車(chē)輛必須做到縱向加速度不能超過(guò)0.35 g，橫向加速度也不能超0.35 g，最大車(chē)速不能超過(guò)120 km/h。

這些數(shù)值是根據(jù)德國(guó)奧迪專(zhuān)業(yè)部門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)制定的。為了能體現(xiàn)出數(shù)據(jù)的客觀性，我們采用車(chē)輛行車(chē)記錄儀對(duì)車(chē)輛的行駛狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，它能采集車(chē)輛實(shí)時(shí)的速度，每個(gè)方向上的加速度以及車(chē)輛在試驗(yàn)路線的位置。通過(guò)這些數(shù)據(jù)的采集分析，可以給以后的輪胎狀態(tài)分析提供一些參考，從而得出更具說(shuō)服力的結(jié)論。

有了路線、駕駛方式及車(chē)輛狀態(tài)的控制，我們就能有代表性的模擬用戶的使用條件來(lái)進(jìn)行輪胎的評(píng)價(jià)。在試驗(yàn)過(guò)程中，每五千公里定為一循環(huán)，一般需要進(jìn)行四個(gè)循環(huán)以上的試驗(yàn)。在一個(gè)循環(huán)結(jié)束后，我們將輪胎從車(chē)上拆下，對(duì)其出現(xiàn)的異常磨損進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，確定為輪胎本身缺陷還是其他因素引起的不正常磨耗。同時(shí)通過(guò)測(cè)量花紋溝深來(lái)計(jì)算輪胎的估計(jì)里程壽命，評(píng)估輪胎在整車(chē)上的磨耗特性。

估計(jì)里程壽命是根據(jù)目前的磨耗情況結(jié)合磨損極限規(guī)定而計(jì)算出來(lái)的輪胎理論壽命。世界各國(guó)都對(duì)汽車(chē)輪胎的磨損極限做了相應(yīng)規(guī)定。美國(guó)規(guī)定汽車(chē)輪胎的磨損極限為花紋高度不小于1.0 mm；日本汽車(chē)輪胎協(xié)會(huì)規(guī)定貨車(chē)和客車(chē)輪胎的磨損極限為3.2 mm，轎車(chē)輪胎的磨損極限為1.6 mm；我國(guó)規(guī)定轎車(chē)子午線輪胎花紋磨損極限為1.6 mm，貨車(chē)和客車(chē)子午線輪胎花紋磨損極限為2.0 mm。我們可以用每個(gè)循環(huán)后所測(cè)量出的花紋溝深來(lái)計(jì)算每一溝測(cè)量點(diǎn)的估計(jì)里程壽命[3]。為了測(cè)量值的可比性，有必要在胎側(cè)位置做上記號(hào)，同時(shí)胎面上每個(gè)花紋溝深都需進(jìn)行測(cè)量。簡(jiǎn)單的可分為四等分，取平均值為溝槽的深度。胎肩部分取磨損極限1.0 mm，主溝部分磨損極限為1.6 mm，以所有溝深測(cè)量點(diǎn)估計(jì)里程壽命中的最少的里程壽命定為這條胎的里程壽命。

圖4 輪胎花紋深度測(cè)量標(biāo)記

我們使用線性近似值的方式來(lái)計(jì)算其估計(jì)壽命。計(jì)算公式如下（使用最小平方或最小二乘方公式）：

X：估計(jì)里程壽命；

Y：輪胎里程壽命終止溝深（根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)取1.6 mm）。

可用下圖5來(lái)表示對(duì)輪胎里程壽命的估算。

圖5 對(duì)輪胎里程壽命的估算

4 小結(jié)

輪胎磨耗試驗(yàn)的重點(diǎn)在于過(guò)程的控制以及后期對(duì)數(shù)據(jù)的分析解讀。過(guò)程的控制需要合理規(guī)范的流程及嚴(yán)格遵守的制度，數(shù)據(jù)的分析處理要求我們進(jìn)一步提高自身的理論水平和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。只有形成了一整套完整的試驗(yàn)做法，使磨耗試驗(yàn)具有很強(qiáng)的重復(fù)性，這樣我們寫(xiě)出的報(bào)告，得出的結(jié)論才具有意義。