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，輪胎的各項性能發(fā)生變化。王文軍等[1]將新輪胎與行駛1萬km的磨損輪胎進行冰地性能對比研究發(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法反映輪胎在整個生命周期的性能狀況。K.R.S.WRIGHT等[2]研究老化和磨損對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]通過大量統(tǒng)計及測試發(fā)現(xiàn)，與新輪胎相比，剩余花紋深度為2.0 mm的輪胎的濕地制動距離延長10 m以上，易引發(fā)交通安全事故。

目前聯(lián)合國世界車輛法規(guī)協(xié)調論壇（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的性能研究和管控將成為趨勢。本工作使用4個規(guī)格輪胎，經(jīng)過實車路試后獲得剩余花紋深度不同的磨損輪胎，分別進行滾動阻力、接地壓力分布和干/濕地制動性能測試，研究磨損程度對輪胎性能的影響。

1 實驗

1.1 測試輪胎

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

因測試車輛的驅動方式均為前置前驅，前輪輪胎磨損量較后輪輪胎大，且車輛行駛路況及駕駛習慣各不相同，導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，按剩余花紋深度進行分組（4條深度相近的輪胎歸為一組進行制動測試），測試輪胎的磨損信息及制動測試的安裝輪位如表2所示。

表2 輪胎磨損及測試信息

1.2 測試項目及方法

（1）室內測試。滾動阻力，測試標準為ISO 28580：2018。接地壓力分布，充氣壓力為220 kPa，試驗載荷為輪胎最大載荷的70%。

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

2 結果與討論

2.1 滾動阻力系數(shù)

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

圖1 輪胎滾動阻力隨磨損率的變化趨勢

從圖1可以看出，隨著輪胎磨損率的增大，4個規(guī)格磨損輪胎的滾動阻力性能均呈現(xiàn)先降低后提高（即滾動阻力系數(shù)先增大后減?。┑内厔荨?/p>

隨著輪胎磨損，滾動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，輪胎的滾動阻力系數(shù)減??；（2）輪胎在實車路試磨損中，行駛面寬度增大，導致滾動阻力系數(shù)增大，另外輪胎在使用過程中，防老劑逐漸析出，膠料發(fā)生老化，導致滾動阻力系數(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。實車路試的后輪輪胎磨損率較低，行駛時間和里程長，老化程度高，與磨損較快的前輪輪胎相比，可能會呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。

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，導致輪胎滾動阻力系數(shù)增大；當輪胎磨損率較大時，行駛面寬度變化較小，胎面膠損失較多成為影響輪胎滾動阻力的主因，導致滾動阻力系數(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。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，花紋溝承擔排水的作用。

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

圖4 輪胎花紋溝面積隨磨損率的變化趨勢

圖5 輪胎花紋飽和度隨磨損率的變化趨勢

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個規(guī)格輪胎的接地面積均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢；205/60R16輪胎的花紋溝面積逐漸減小，其余3個規(guī)格輪胎的花紋溝面積呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；205/60R16輪胎的花紋飽和度逐漸增大，其余3個規(guī)格輪胎的花紋飽和度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

綜上分析，輪胎磨損過程中胎面花紋可能會有以下變化。

（1）為了提高花紋塊剛性及滿足生產(chǎn)工藝要求，花紋溝壁設計有傾斜角度，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計，另外輪胎上還有一些加強筋、溝內裝飾凸臺等設計，隨著磨損率的增大，部分花紋溝和倒角等被磨損，而加強筋等露出表面，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計較尖銳，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，接地印痕的長度、寬度及形狀等會發(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題，對接地面積及印痕產(chǎn)生影響。

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

2.3 干地制動性能

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

圖6 輪胎干地制動性能隨磨損率的變化趨勢

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

劉俊杰等[10]以235/65R17輪胎為研究對象，對轎車輪胎的干地制動性能研究發(fā)現(xiàn)，胎面膠配方、輪胎骨架材料和行駛里程均會影響干地制動性能。本次干地制動試驗中，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，這與干地制動性能變化趨勢基本一致，也驗證了接地面積對干地制動性能影響的結論。

2.4 濕地制動性能

在速度100 km·h-1降至零的制動條件下，濕地制動性能測試結果如下：205/55R16輪胎剩余花紋深度為100%（新輪胎，下同），83.5%和52%時濕地制動距離分別為45.18，49.09和54.87 m；205/60R16輪胎剩余花紋深度為100%，76%和18.5%時濕地制動距離分別為45.23，47.62和65.99 m；205/50R17輪胎剩余花紋深度為100%，91%和46.5%時濕地制動距離分別為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%時濕地制動距離分別為50.51，52.84，58.20和64.45 m。由此可見，隨著磨損率的增大，205/50R17輪胎的濕地制動距離先縮短后延長，其余3組輪胎的濕地制動距離呈現(xiàn)不斷延長的趨勢，這與輪胎磨損后接地壓力分布變化有關。當花紋磨損率為40%～60%時，輪胎的濕地制動距離較新輪胎延長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，濕地制動距離延長20.76 m。可見，磨損對輪胎濕地制動性能影響較大，在多雨、道路濕滑地區(qū)，應注意檢查輪胎剩余花紋深度，以保證駕駛安全性。

在兩種制動條件下，輪胎濕地制動性能隨磨損率的變化趨勢如圖7所示。

圖7 不同制動條件下輪胎濕地制動性能隨磨損率的變化趨勢

從圖7（a）可以看出，與滾動阻力和干地制動性能相比，輪胎濕地制動性能受磨損率的影響較大。對比圖7（a）與（b）可以看出，與速度100 km·h-1降至零的制動條件相比，磨損輪胎在速度80 km·h-1降至零的制動條件下的濕地制動性能有所提高，這是因為在濕地制動性能測試時，輪胎接地區(qū)域存在“三區(qū)（排水區(qū)、過渡區(qū)和牽引區(qū)）概念”[11]，在制動初期，行駛速度較高，輪胎排水能力對抗?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，濕地制動性能較好；磨損程度大的輪胎，部分花紋橫溝完全磨損，無法切割水膜，花紋縱溝的深度較小，排水能力較弱，導致在速度100 km·h-1降至零制動條件下的濕地制動距離較長。在制動中后期，由于速度減慢，排水能力對濕地制動性能的影響減小，過渡區(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。

3 結論

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