兩種冬季輪胎在寒區的性能研究與對比測試

謝偉忠，陳龍，袁世海，孫建忠，熊俊西

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 510640）

兩種冬季輪胎在寒區的性能研究與對比測試

謝偉忠，陳龍，袁世海，孫建忠，熊俊西

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 510640）

分析了冬季輪胎性能研究的重要性及影響其性能的胎面膠和花紋設計特點。通過實車測試對比了四季胎和雪地胎在寒區冰雪路面的制動性能、加速性能及操控性能表現。對比結果表明，車輛裝配雪地胎時能獲得更大的縱向和側向附著力極限，更適合于在寒區低溫環境下使用，使用四季胎存在較大安全隱患。

四季胎；雪地胎；寒區；測試

CLC NO.:U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-162-04

前言

輪胎是整車動力學特性的重要決定因素，不僅支撐著車輛載荷，同時也為加速、制動和轉向提供了所需的縱向力和側向力[1],是保證車輛行駛安全性的關鍵。輪胎可以根據車型、用途劃分為不同的種類，其性能也是不同的，而相同類型的輪胎，其性能也會受結構、材料、花紋等眾多因素的影響。在冬季寒冷地區，四季胎和雪地胎是使用較多的兩種輪胎。四季胎，是指在不同的季節下均可以使用的輪胎，胎側一般會標有“M+S”字樣，即Mud（泥地）+Snow（雪地）下適用，目前不少國內銷售的整車尤其是SUV車型均標配該類型輪胎。雪地胎是指采用特殊的胎膠配方和花紋設計，適用于冬季低溫和冰雪路面行駛的特殊輪胎，胎側除了標有“M+S”字樣外，還有專用的雪花標識，目前主要使用在東北、西北等冬季嚴寒地區。隨著我國經濟的發展以及人們安全意識的提高，冬季輪胎正越來越受到關注。

1、冬季輪胎性能研究的必要性

1.1 我國寒區的分布及主要路面狀況

我國幅員遼闊，經緯度及海拔跨度較大，造成了冬季各區域間的氣溫存在巨大差異。按照最冷月平均氣溫＜-3℃、超過10℃的月份≤5個月及年平均氣溫≤5℃來界定寒區的話，我國寒區面積約417.4×104km2，占我國陸地面積的43.5%[2]。東北三省、內蒙古中東部地區、青海、新疆的部分地區和西藏大部分地區，均屬于寒區。以上地區的平均氣溫低于0℃的月份數基本在4個月以上，一般為11月-2月，包括的主要城市有：哈爾濱、長春、沈陽、呼和浩特、蘭州、西寧和烏魯木齊等。

由于寒區冬季氣溫低，降雪量大且雪季漫長，路面狀況復雜多變。比較常見的路面有鮮雪路、壓實雪路及部分結冰路面。為了保證車輛和行人的出行安全，城市里主要道路的積雪清理工作相對及時，而城市周邊的鄉鎮道路及國道上的積雪往往不能得到及時的清理，對行車安全造成了一定的隱患。

1.2 國內冬季輪胎的使用現狀

四季胎和雪地胎是國內使用較多的兩種冬季輪胎。四季胎在冬季使用分布較廣，基本覆蓋了我國的大部分地區，據稱全年都能使用，其價格與普通輪胎相當，不少國內銷售的SUV車型均標配該類型的輪胎。雪地胎的使用地域和時間則相對集中，國內寒區范圍內的大中城市均有較高的使用率，常駕車行駛于縣城和鄉鎮等道路的車輛基本都會在冬季換裝雪地胎。通過近年的調查發現，在長春、沈陽等溫度相對較高且路面積雪清理較及時的大城市，有不少車主在冬季仍然使用四季胎，而再往北的地區如哈爾濱、齊齊哈爾、黑河等地，冬季基本所有車輛均已換裝雪地胎。

1.3 歐洲冬季輪胎法規借鑒

歐洲是目前世界范圍內冬季輪胎使用相對成熟的地區，一方面是因為消費者對行車安全的高度重視，另一方面是較多的國家推出了強制使用冬季胎的法規。例如德國規定在冰雪路面上不能使用夏季輪胎，要使用帶有“M+S”標記或雪花狀標記的冬季輪胎。奧地利強制規定在每年的11月1日至次年的4月15日必須使用冬季輪胎，而帶有“M+S”標記的四季胎也可劃分在冬季輪胎輪胎的范圍內。瑞典強制性規定在每年的12月1日至次年的3月31日使用帶有“M+S”標識的輪胎，輪胎花紋深度最少3mm[3]。

2、冬季輪胎的設計特點

2.1 胎面膠的配方

胎面是輪胎與地面接觸的媒介，因此其在低溫下的性能將直接影響到輪胎的抓地力表現。冬季輪胎的胎面膠配方有別于普通輪胎，在低溫下胎面硬度較普通輪胎要低，保證了在冬季冰雪路面上的抓著性能及抗濕滑性能。冬季胎胎面膠常用的原材料有天然橡膠（NR)、順丁橡膠（BR）、溶聚丁苯橡膠（SSBR），再加入一定量的白炭黑及抗濕滑助劑等。和普通橡膠相比，NR和BR膠料的玻璃化溫度較低，低溫下的儲能模量較小，在低溫下能保證足夠的柔軟性，提高了輪胎在寒區冰雪路面的行駛安全性能。SSBR膠料的玻璃化溫度較高，在0℃附近的損耗因子較大，具有較好的抗濕滑性能，適用于普通地區冬季高速輪胎。使用白炭黑可以減小胎面膠硬度在低溫下的變化，保證輪胎在極低溫下的柔軟性。而加入某些特定的抗濕滑助劑，可增大損耗因子、降低低溫下的儲能模量，提高抗濕滑性能和雪地行駛性能[4]。

2.2 輪胎花紋設計

輪胎與路面的摩擦力主要由三大部分組成：1、由胎面與路面接觸產生的粘著摩擦力；2、輪胎橡膠變形產生的阻滯摩擦力；3、輪胎花紋與地面間的刮動摩擦力[5]。對于冬季輪胎來說，在寒區冰雪路面下的粘著摩擦力和阻滯摩擦力都是比較小的，主要靠的是輪胎花紋的刮動摩擦力來提供車輛所需的牽引力、制動力和側向力。雪地胎花紋的溝槽一般都比較深、比較寬，能有效得排開路面的積雪并接觸硬質的路面，加大輪胎附著力，輪胎側壁的花紋和胎面細花紋能有效提高輪胎與地面的接觸面積，提高車輪與冰面接觸區域的刮動摩擦力。四季胎的胎面花紋與普通輪胎差別并不太明顯，主要體現在胎面上密布的橫向細花紋，能起到一定的排水、排雪作用，并增大接地面積，提升汽車的泥地、雪地行駛性能。有研究表明[6]，在冰面和中等壓實雪地上，輪胎花紋的橫向溝槽間隙率越大，可提供的制動力就越大。

3、四季胎與雪地胎寒區性能測試

3.1 測試條件

本次測試地點為黑龍江省黑河市孫吳二門山試水庫，用于測試的車輛為某款緊湊型SUV，車輛TCS/ABS/ESP功能正常，環境溫度約為-15℃，測試項目及路面如表1所示?？紤]寒區路面附著條件一致性較差，各對比項目選擇在同一時間段內進行，每個試驗項目進行五次測試，測試結果為去掉最好和最差的結果后取中間三次的平均值獲得。

圖1 測試輪胎（四季胎（上）和雪地胎（下））

表1 對比測試項目表

測試輪胎選擇了符合試驗車型設計要求的相同規格四季胎和雪地胎各一套（輪胎花紋見圖2），在測試前進行了超過100km的高附路面磨合，測試胎壓按設計值進行設定，并在裝車和試驗前在室外放置2個小時，對輪胎表面進行必要的清潔。本次測試按照“同車不同胎”原則進行，即除輪胎不同外，其余試驗條件均保證了較好的一致性。

3.2 牽引性能測試

牽引性能測試通過測量車輛從靜止起步加速至指定車速所需的時間來進行。測試載荷為車輛設計載荷。為了盡可能減小駕駛員操作引起的測試誤差，試驗過程中TCS始終處于開啟狀態，且用全油門加速。測試路面為經過壓整的雪地和干燥的水泥鋪裝路面，雪地測試均選擇在沒有車轍的路面上進行。牽引性能對比測試結果見表2、圖2。

為了直觀體現輪胎打滑的程度，定義驅動軸速Vaxle：

式中，Vlw、Vrw分別為驅動軸左、右車輪輪速。

表2 牽引性能對比測試結果

從表2、圖2結果可以看出，四季胎和雪地胎的在壓實雪地上的牽引性能相差較大，使用雪地胎加速到達目標速度所需的時間約為四季胎的65%。裝配四季胎時，加速初段驅動輪打滑嚴重，TCS控制更加頻繁，在驅動軸速穩定后，輪胎所能提供的加速度也較小。在干燥的水泥鋪裝路面上，兩種輪胎的牽引性能相差不大，得益于花紋對輪胎接地面積的影響，四季胎稍好于雪地胎。

圖2 牽引測試車速和軸速曲線（壓實雪地）

3.3 制動性能測試

制動性能測試通過測量車輛從特定車速開始采用緊急制動到完全停止所經過的距離來進行。測試載荷為車輛設計載荷。為了對比兩種輪胎的低溫附著性能，在ABS開啟和關閉狀態下均進行了測試。測試路面選擇了經過壓整的雪地及冰面。制動性能對比測試結果見表3、表4及圖3。

表3 制動性能對比測試結果（ABS on）

從表3、表4可以看出，在制動性能上，雪地胎在壓實雪地和冰面上較四季胎有絕對的優勢。在ABS開啟的狀態下，車輛裝備四季胎時的冰雪路面制動距離約為裝備雪地胎時的1.7倍。從圖3可以看出，在壓實雪地上緊急制動的過程中，裝配四季胎時車輪更加容易抱死，車輛縱向平均制動減速度也僅為不到 0.3g，而裝配雪地胎時平均減速度可達0.4g。

表4 制動性能對比測試結果（ABS off）

圖3 ABS開啟狀態下的車速、輪速及減速度曲線（壓實雪地）

在ABS關閉時，無論裝配雪地胎還是四季胎，車輪在冰雪路面下的緊急制動過程中均處于抱死狀態，可以較好的體現輪胎與路面的附著性能。使用雪地胎可以有效的縮短制動距離，在冰面上的優勢更加明顯，這得益于雪地胎更為粗糙的表面花紋和低溫下良好的柔軟度保持性。

3.4 操穩性能測試

3.4.1 蛇行試驗

蛇行試驗參考了國標GB/T 6323-2014中的相關試驗方法，按照標準要求進行場地布置，見圖4。通過測試車輛可以通過該路線的最高車速以及過程中的峰值橫擺角速度和側向加速度，驗證車輛在裝配不同輪胎時的側向動力學性能。考慮到本次試驗主要為了對比輪胎性能，試驗載荷并未按國標規定的滿載進行加載，而是采用車輛整備質量加上駕駛員、試驗員和試驗儀器質量的載荷。測試過程中關閉了車身穩定控制系統（ESP），車輛以接近等速的狀態通過規定試驗路線。測試路面為經過壓整的中等壓實雪地。測試結果見表5。

圖4 蛇形試驗標樁布置圖（L=30m）

表5 蛇行對比測試結果

從表5結果可以看出，車輛在裝配雪地胎時，通過蛇行路線的最高車速比裝配四季胎時提高了13km/h（26.5%），平均側向加速度峰值提高了0.19g（70.3%），平均橫擺角速度峰值也有一定的提升。可見，雪地胎能為車輛提供更大的側向附著力，降低車輛在雪地上行駛時發生失控的風險，也提升了一定的駕駛樂趣。

3.4.2 雙移線試驗

雙移線試驗參考了ISO 3888-1-1999中的相關試驗方法，參考標準要求并結合實際情況進行場地布置，如圖5。通過測量車輛可以通過規定路線的最高車速及過程中的平均橫擺角速度和側向加速度，驗證車輛在裝配不同輪胎時的變線操控性及穩定性。試驗載荷為車輛整備質量加上駕駛員、試驗員和試驗儀器質量的載荷。測試過程中關閉了車身穩定控制系統（ESP），油門開度由駕駛員進行控制并以最快的速度通過指定路線。測試路面為經過壓整的中等壓實雪地。測試結果見表6。

圖5 雙移線試驗標樁布置圖

表6 雙移線對比測試結果

從表6結果可以看出，在雙移線工況的對比測試中，四季胎與雪地胎的性能差異與蛇行工況下相近。車輛裝配雪地胎時，通過車速較四季胎提高了18km/h（31.5%），平均橫擺角速度峰值提高了4.9°/s（39.7%），平均側向加速度峰值提高了0.18g（72%）?？梢姡b配雪地胎的車輛擁有更好的高速移線性能，確保了行車安全。

3.4.3 操穩道行駛試驗

操穩道行駛試驗主要驗證車輛在壓實積雪路面上的綜合駕駛性能。本次使用的操穩道全長約2300m，寬8m，路面為經過壓整的中等壓實雪地。試驗通過記錄車輛從靜止起步開始行駛一圈至回到起點所經歷的時間以及過程中的縱向、側向加速度信號，綜合驗證車輛的加速、制動及轉向性能。試驗載荷為車輛整備質量加上駕駛員、試驗員和試驗儀器質量的載荷。測試過程中ESP、ABS、TCS均處于正常工作狀態。

測試結果如表7所示。

表7 操穩道行駛對比測試結果

從表7結果可以看出，車輛在裝配雪地胎時，在操穩道上所能達到的最快行駛圈速能比裝配四季胎時減少48.77秒，平均行駛車速提高了14.3km/h(32.8%)，優勢明顯。將行駛過程中記錄的車輛側向、縱向加速度分別繪制于X和Y軸上，可得到車輛在裝配雪地胎和四季胎時XY平面上的加速度分布圖（如圖6）。在除輪胎以外的其余試驗條件均基本相同的情況下，該圖可近似等效為輪胎與雪地間的附著橢圓。通過圖6可以看出，車輛裝配雪地胎時可獲得更大的縱向和側向附著極限：加速時，雪地胎可為車輛提供最大約0.2g的加速度，而四季胎僅為約0.1g；制動時，雪地胎可提供的最大減速度為0.4～0.5g，而四季胎僅為約0.3g；轉向時，雪地胎能提供的最大側向加速度為約0.5g，而四季胎僅為0.3g。

圖6 車輛在XY平面內的加速度分布圖

4、結論

1）得益于獨特的胎面膠配方和花紋設計，雪地胎相比四季胎更適合于在寒區低溫環境下使用。

2）經過對比測試，在寒區冰雪路面條件下，車輛在裝配雪地胎時可獲得更大的附著力極限，相對于四季胎，牽引性能和制動性能的提升均在50%以上，操穩性能也有近30%的提升。雪地胎不僅保證了車輛的行駛安全，也在一定程度上提升了駕駛樂趣。

[1] Gillespie T D.車輛動力學基礎.趙六奇，金達鋒.譯.北京:清華大學出版社[M].2006:134.

[2] 陳仁升,康爾泗,吳立宗,等.中國寒區分布探討[J]. 冰川凍土.2005. 27(4):469-475.

[3] 蘇博,姚麗佳.冬季輪胎概況[J].橡膠科技, 2014(2):5-12.

[4] 聶萬江,韓慧,李文東.冬季輪胎胎面膠配方的研究[J].輪胎工業.2013.33(12):729-733.

[5] 徐軍輝. 雪地輪胎性能[J].世界汽車. 2015(11):58-61.

[6] King T R, Matyja F E. TREAD DESIGN EFFECT ON WINTER TRACTION[J]. Society of Automotive Engineers Preprint,1981.

[7] 國家質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.GB/T 6323-2014 汽車操縱穩定性試驗方法[S].

[8] ISO-International Organization for Standardization.Passenger cars -Test track for a severe lane-change manoeuvre[S].ISO 3888-1:1999, 1999.

[9] 彭旭東,孟祥凱,盧蕩,等.冰雪路面汽車輪胎摩擦特性研究進展[J].摩擦學學報, 2003, 23(5):451-456.

Research and Testing of The Performance of Two Kinds of Winter Tires in Cold Region

Xie Weizhong, Chen Long, Yuan Shihai, Sun Jianzhong, Xiong Shixi
( GAC, Automotive Engineering Institute, Guangdong Guangzhou 510640 )

Briefly analyse the importance of researching the winter tires’ performance, and design characteristics of tread pattern and tread stock which influence it.Compare the performance of all-season tires and snow tires by testing the car’s braking、acceleration and handling performance on the snow or ice surface in cold region. The results show that snow tires can provide the car with higher limitation both in longitudinal and lateral direction so it’s more suitable in cold region，while using all-season tires is dangerous.

all-season tires; snow tires; cold region; testing

U467.3

A

1671-7988 (2017)08-162-04

謝偉忠，本科，整車性能試驗工程師，就職于廣汽研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.055