配套轎車輪胎的性能測試

魏 勝，路 波，張麗杰，朱士斌，賈愛瑞，劉曉芳

（山東玲瓏輪胎股份有限公司，山東 招遠 265400）

隨著我國汽車行業的發展，輪胎企業在汽車配套業務方面發展迅速。輪胎作為車輛與路面接觸的唯一部件，其性能對于整車性能極其重要，甚至在一些車輛動力學方面，其他子系統需圍繞輪胎進行大量的設計和優化。因此，對輪胎有很多方面的性能要求，而輪胎性能測試的重要性也由此凸顯。

本文圍繞著主機廠對輪胎性能的要求，從輪胎的耐久性能、安全性能、動力學性能、經濟性、環保性和裝配性等方面介紹從輪胎性能到整車性能的測試系統。

1 耐久性能

輪胎的耐久性能在國內外都有相應的法規規定，如我國國家標準、美國DOT標準、歐盟ECE標準和日本JASO標準等，均采用在室內轉鼓實驗機上進行加速耐久測試方式，即常見的耐久性和高速性能試驗。耐久性能是輪胎最基本的安全性保障之一，隨著主機廠市場的細分和發展，配套輪胎需要進行一些更為苛刻的耐久性測試，如老化耐久性能、結構耐久性能和整車加速耐久性能等。

1.1 常規耐久性能

常規耐久性試驗在輪胎耐久高速實驗機上進行，按照測試程序在規定的速度、充氣壓力和負荷條件下運行相應的時間后，觀測輪胎的狀況，并通過計算機輸出測試結果。

1.2 老化耐久性能

汽車使用環境的廣泛性決定了輪胎使用環境的廣泛性，即需應對極端高溫環境且具有長壽命應用性能，因此需要進行老化耐久性測試。它通過在輪胎內部充入高氧氣含量的氣體以及外部高溫的環境對輪胎進行老化后，再進行常規耐久性測試，達到模擬輪胎在高溫使用環境下使用狀況的目的。輪胎高溫老化試驗箱如圖1所示。

圖1 輪胎高溫老化試驗箱

1.3 結構耐久性能

車輛除了在良好的鋪裝路面上行駛外，還需要應對各種崎嶇不平的路面，輪胎是與地面接觸時的第1個受力部件。結構耐久性測試是專為該工況開發的，即輪胎在高溫、高氧氣條件下老化一段時間后，在鑲嵌有障礙物的轉鼓表面進行測試（見圖2），考察輪胎結構在沖擊情況下的耐久性能。

圖2 結構耐久性實驗機

1.4 整車加速耐久性能

在室內進行高負荷或高速條件下的耐久性測試，由于累計行駛里程與實際輪胎行駛里程差異很大，因此通過72 000 km的整車加速耐久性測試來評價輪胎在實際道路上長里程耐久性能。道路比例為高速路占58%～60%，快速路占36%～38%，砂石路占3%～4%。整車加速耐久性測試路線和路面如圖3所示。

圖3 整車加速耐久性測試路線和路面

2 安全性能

整車的安全性能是最為重要的性能，而輪胎作為車輛的安全部件之一，其重要性更為突出。輪胎的安全性涉及輪胎的強度性能、脫圈阻力、保持性能、制動性能、橫向抓著力、高速穩定性和耐鼓包等性能。

2.1 強度性能

路面灑落物、路面凹凸是破壞輪胎胎面的主要因素，而輪胎充氣后一旦被破壞極易出現車輛失控現象。因此胎面的強度性能需要滿足國家標準和DOT等標準法規要求。

2.2 脫圈阻力

車輛在行駛過程中出現輪胎脫圈時，由于輪胎瞬間失壓，會導致車輛姿態急劇變化，如果控制不當，極易因車輛失控而導致交通事故發生。靜態脫圈阻力成為評價這一性能的手段。

2.3 實車脫圈阻力

除了室內的靜態脫圈阻力測試要求外，主機廠為確保車輛實際應用中無脫圈現象，采用實車脫圈阻力評價，即在實際路面上，從車輛直線行駛到彎道極限狀態下輪胎是否脫圈，且采用非常低的充氣壓力來確保該項性能測試無風險。實車脫圈阻力測試道路如圖4所示。

圖4 實車脫圈阻力測試道路

2.4 保持性能

在車輛行駛時，當輪胎發生異常情況，輪胎氣壓瞬間降至零，若此時輪胎從胎圈上脫落會導致輪輞著地，車輛因瞬間失去抓地力而極易失控。

為防止此類問題出現，應進行輪胎保持性能試驗。該項測試以輪胎高速行駛瞬間失壓后，中度減速時胎圈是否脫落、是否著地作為評價指標。輪胎保持性能測試場地及爆破器如圖5所示。

圖5 輪胎保持性能測試場地和爆破器

2.5 制動性能

汽車的制動性能是駕乘人員的安全保障。車輛的制動力最后通過輪胎傳遞到路面，因此輪胎的制動性能是影響車輛制動性能的重要因素。車輛需要在不同的路面上行駛，包括干地、濕地、冰地和雪地。因此需要根據車輛和輪胎的使用場景全面地進行評估。

2.5.1 干地制動性能

干燥路面是車輛的主要使用場景，在該路面上需要確保車輛的制動性能。干地路面的制動常采用100 km·h-1帶防抱死制動系統（ABS）車輛建壓時間內制動距離進行評估。干地制動性能測試道路如圖6所示。

圖6 干地制動性能測試道路

2.5.2 濕地制動性能

在下雨時，路面會出現潮濕甚至積水的情況，此時車輛制動性能會大大下降，從而成為發生事故的重要原因。國內外通過濕滑指數來評估輪胎的濕地制動性能。通過80 km·h-1帶ABS車輛建壓時間內制動距離或者測試輪胎的濕地摩擦因數（μ）-滑移率（s）峰值來評估。圖7示出了濕地制動性能測試道路和車輛。

圖7 濕地制動性能測試道路和車輛

2.5.3 雪地制動性能

當車輛在積雪路面行駛時，其雪地制動性能尤為重要。雪地制動性能可以通過雪地抓著力指數，即25 km·h-1帶ABS車輛建壓時間內制動距離來進行評估，主機廠也有的采用50 km·h-1帶ABS車輛建壓時間內制動距離，更適合客戶的實際使用情況，如圖8所示。

圖8 雪地制動性能測試

2.5.4 冰地制動性能

當汽車遇到極寒路面結冰工況時，輪胎的冰面抓著力是行車安全的保障。對于冰面抓著力，多采用20 km·h-1帶ABS車輛建壓時間內制動距離作為評價指標。冰地制動性能測試如圖9所示。

圖9 冰地制動性能測試

2.6 橫向抓著性能

汽車行駛時主要是完成直線行駛和轉彎。直線行駛的安全性由制動性能保證，轉彎時的安全性需要由車輛橫向抓著力來保障，因此需要評估輪胎在不同路面條件下的橫向抓著力，一般采用定半徑繞圓測試。

2.6.1 干地橫向抓著性能

我國國家標準規定，繞圓測試采用直徑為60 m的圓，但隨著測試設施的發展和車輛行駛速度的提高，常采用更大直徑的圓，如直徑為100，200，240 m等的圓來進行測試評估，如圖10所示。

圖10 干地繞圓測試場地

2.6.2 濕地、雪地、冰地橫向抓著性能

在潮濕甚至積水路面、積雪路面和結冰路面，輪胎的橫向抓著力對于行車安全尤為重要，通常也采用繞圓測試方法，如圖11所示。

圖11 濕地、雪地、冰地繞圓測試場地

2.7 高速穩定性

隨著汽車工業的發展，汽車最高行駛速度越來越高。汽車高速下的穩定性涉及到行車的安全性。對于輪胎而言，其穩定性對行車安全有重要貢獻，輪胎高速穩定性評價方法與整車的評價方法一致，即在平直路面上進行高速雙移線測試，評價其穩定性，如圖12所示。

圖12 高速穩定性測試場地

2.8 耐鼓包性能

隨著車輛使用輪胎胎圈直徑的增大，在輪胎外直徑不變的情況下，輪胎的扁平率越來越小，胎面撞擊鼓包的風險增大。輪胎耐鼓包性能評估采用室內擺錘撞擊[1]和實車撞擊的方法，分別如圖13和14所示。

圖13 室內擺錘撞擊測試

圖14 室外撞擊測試

3 動力學性能

汽車的操縱穩定性是車輛性能重要的組成部分。輪胎的動力學特性直接影響整車的動力學特性。對于輪胎的動力學特性要求，從輪胎單體的動力學特性到輪胎整車的動力學特性都需要評估。輪胎動力學特性包括剛度、六分力和操縱穩定性。

3.1 剛度

輪胎是充氣的彈性元件，在整車動力學中表現為剛度特性[2]，需要測試徑向剛度、橫向剛度、縱向剛度和扭轉剛度，輪胎靜態剛度實驗機如圖15所示。

圖15 輪胎靜態剛度實驗機

3.2 六分力

輪胎在滾動過程中受到3個方向的力和圍繞3個方向的扭矩，即六分力，同時還有4個姿態變量，即側偏角、外傾角、滑移率和速度。六分力是輪胎運動過程中的重要參數，經過汽車行業和輪胎行業多年的研究和開發，提出六分力的關鍵參數影響整車的性能，包括輪胎的殘余回正力矩、側偏剛度、H函數、G函數、橫向摩擦因數、縱向摩擦因數和松弛長度。六分力測試設備如圖16所示。

圖16 六分力測試設備

3.2.1 殘余回正力矩/殘余側向力

輪胎殘余回正力矩或殘余側向力是車輛防跑偏設計的重要參數，主要用于抵消路面排水而設計的排水坡度。

3.2.2 六分力參數

輪胎六分力參數與整車的操控性相關，主要通過側偏測試、側傾測試和縱向滑移測試獲得各力學參數。

3.2.3 μ-s特性

在車輛的制動性能中，輪胎在實際路面的μ-s特性中的μ峰值是其重要參數。通過改變輪胎的s，同步測試輪胎的橫向力和負荷得到縱向μ，獲得μ-s曲線，測試道路如圖17所示。

圖17 μ-s曲線測試道路

3.3 操縱穩定性

輪胎的操縱穩定性與車輛的操縱穩定性測試流程一致，主要包括直線性能、轉向性能（中心區響應、線性區和非線性區）、非極限操縱性能和極限操縱性能。由于操縱穩定性的多維度及復雜性，一般采取主觀評價為主、客觀數據為輔的評價方式。

3.4 噪聲、振動和聲振粗糙度（NVH）性能

整車的NVH性能是最容易被感知的性能之一，也是開發投入很大的性能。輪胎的NVH性能與整車的NVH性能關聯性很強，尤其隨著電動汽車的興起，輪胎的NVH性能在整車NVH性能中的占比變得越來越大。NVH性能包括通過噪聲性能、客觀整車NVH性能、主觀整車NVH性能和室內NVH性能。

3.4.1 通過噪聲

輪胎的通過噪聲是城市噪聲治理的重點之一，各地區政府對于輪胎噪聲[3]都設有限制要求，中國和歐盟等也制定了輪胎噪聲標簽等級。通過多速度測試得到輪胎在80 km·h-1的噪聲輻射，從而測得通過噪聲，如圖18所示。

圖18 通過噪聲測試

3.4.2 客觀整車NVH性能

當車輛與輪胎匹配時，通過整車級別，在不同的路面上通過麥克風來收集車內的噪聲，評判客觀整車NVH性能。常用的路面包括光滑瀝青路面、粗糙瀝青路面、刻槽水泥路面、比利時鋪裝路面[4]，如圖19所示。

圖19 客觀整車NVH性能測試

3.4.3 主觀整車NVH性能

主觀整車NVH性能包括平順性、舒適性和噪聲3個方面，通過人體的不同感知位置、不同的頻率范圍和不同的路面進行區分。該性能很難通過客觀數據完全建立相關性，整車和輪胎的NVH性能大部分還依賴于主觀的評價手段，主要的評價路面如圖20所示。

圖20 主觀整車NVH性能評價路面

3.4.4 室內NVH性能

由于輪胎的整車NVH性能依賴于測試車輛和環境，為縮短開發周期，提高測試的重復性。有些主機廠還要求提供相應的輪胎級別室內NVH性能，來表征整車NVH性能，如輪胎的室內噪聲、高速均勻性、模態和力傳遞、沖擊噪聲和結構噪聲等。

3.4.4.1 室內噪聲

在半消聲室內，通過轉鼓帶動輪胎轉動，在一定負荷和充氣壓力下運行，獲取輪胎發出的聲音并進行分析。輪胎室內噪聲測試如圖21所示。

圖21 輪胎室內噪聲測試

3.4.4.2 高速均勻性

由于輪胎在加工過程中產生的不圓度導致其在滾動過程中會產生徑向力和前后力的波動，即輪胎的均勻性問題。高速均勻性是指輪胎均勻性隨行駛速度的變化情況，其測試如圖22所示。

圖22 高速均勻性測試

3.4.4.3 模態和力傳遞

在整車的低頻噪聲上，在300 Hz頻率以內存在大量的模態，在輪胎的滾動過程中，輪胎的模態和力傳遞起到一定的作用。輪胎的模態和力傳遞測試如圖23所示。

圖23 輪胎模態和力傳遞測試

3.4.4.4 結構噪聲

轎車的路面噪聲一直是車輛NVH領域的難點問題，而輪胎作為傳遞路徑上的重要零部件，起著重要的作用。由此為評估輪胎本身的路面噪聲性能而開發的結構噪聲測試技術得到應用，如圖24所示。

圖24 輪胎路面噪聲測試

3.4.4.5 沖擊噪聲

車輛沖擊性能也是其NVH性能的重點評估內容，輪胎與車輛的匹配是非常重要的。降低沖擊力和沖擊余振，使沖擊變得圓潤是沖擊噪聲優化的方向，因此需要對輪胎的沖擊噪聲進行評估，如圖25所示。

圖25 輪胎沖擊噪聲測試

4 經濟性

輪胎在汽車零部件中屬于消耗品，這包括輪胎自身對燃油的消耗，即滾動阻力，也包括輪胎本身的消耗，即輪胎磨耗。因此，減小輪胎的滾動阻力、提高輪胎的耐磨性能，可以降低車輛本身的使用成本。

4.1 滾動阻力

在輪胎滾動過程中，輪胎內部材料的內摩擦會轉化成熱能耗散掉，并且隨著負荷、氣壓和速度的變化而變化。因此采用滾動阻力系數評估輪胎的滾動阻力性能，常用的評估標準為ISO 28580和SAE 2452，滾動阻力系數越小，滾動阻力性能越好，燃油經濟性越好。輪胎滾動阻力測試如圖26所示。

圖26 輪胎滾動阻力測試

4.2 耐磨性能

輪胎的耐磨性能因汽車工況、駕駛人員、道路情況、交通情況和環境的不同而不同。目前沒有加速的磨耗測試流程，因此耐磨性能一般是通過實車在規范化的路況下進行測試。輪胎耐磨性能測試如圖27所示。

圖27 輪胎耐磨性能測試

5 環保性

輪胎屬于高分子材料，其原材料可能含有毒、有害物質，在加工過程中可能散發、排放揮發性有機物和氣味[5]。因此，主機廠還會對輪胎的禁用物質、高度關注物、碳氫排放和氣味進行評估。

6 裝配特性

輪胎需要與輪輞裝配后，再裝配到整車上。因此需要對輪胎的可裝配性進行評估，即通過胎圈張力評估輪胎的裝配特性。

7 其他特性

輪胎除以上介紹的主要性能外，還有諸如輪胎的滾動半徑、轉動慣量、氣密性能、耐臭氧老化性能和電阻性能等，都有相應的評估方法。

8 結語

輪胎配套是一個系統的工程，要求其所有的性能都能滿足配套汽車的要求，因此需要建立完備的性能評測體系，對輪胎性能和整車性能進行評價，以提高輪胎企業為汽車廠提供配套輪胎的能力。