摘要:介紹雪地輪胎的使用及試驗(yàn)場(chǎng)地概況,分析ASTM F1805—2006、ECE R117法規(guī)附錄7、ISO 18106:2016與我國(guó)GB/T 33829—2017和GB/T 33830—2017中輪胎雪地抓著性能測(cè)試方法的差異??梢钥闯觯覈?guó)GB/T 33829—2017和GB/T 33830—2017增加了對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)長(zhǎng)度和寬度以及試驗(yàn)過(guò)程風(fēng)速的要求,并要求使用國(guó)產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)輪胎。建議盡快確定雪地輪胎抓著指數(shù)指標(biāo),為輪胎抗?jié)窕阅?、滾動(dòng)阻力、噪聲限值和分級(jí)、標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和實(shí)施打好基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:雪地輪胎;試驗(yàn)場(chǎng);標(biāo)準(zhǔn);雪地抓著性能;測(cè)試方法
雪地輪胎是指花紋、胎面和結(jié)構(gòu)經(jīng)特別設(shè)計(jì),在冰雪條件下使車(chē)輛的啟動(dòng)、操控性能和剎車(chē)性能比普通輪胎更好的輪胎[1]。隨著人們安全意識(shí)不斷提升,雪地輪胎在特定氣候條件下的使用受到前所未有的重視,國(guó)際上通用的慣例是當(dāng)溫度低于7 ℃時(shí)使用雪地輪胎,而歐洲一些國(guó)家先后出臺(tái)了在特定時(shí)間段內(nèi)強(qiáng)制性使用雪地輪胎的法律法規(guī)。目前雪地輪胎已在我國(guó)東北三省、新疆和內(nèi)蒙古等地區(qū)的冬季廣泛使用[2]。
由于花紋結(jié)構(gòu)和胎面膠的特殊性,雪地輪胎的滾動(dòng)阻力、濕路面抓著性能、噪聲等指標(biāo)均與普通輪胎不同[3]。目前國(guó)際上輪胎雪地抓著性能測(cè)試方法主要有美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTMF1805—2006《在覆雪或覆冰表面測(cè)定單輪直線驅(qū)動(dòng)摩擦力的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》、歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)ECE R117法規(guī)附錄7《極端雪地條件下雪地輪胎性能測(cè)試步驟》和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 18106:2016《乘用車(chē)、商用車(chē)、卡車(chē)和客車(chē)輪胎雪地抓地性能的測(cè)試方法—負(fù)荷下新輪胎》。全國(guó)輪胎輪輞標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)一直致力于雪地輪胎相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定與標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證試驗(yàn)相關(guān)工作,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 33829—2017《轎車(chē)輪胎雪地抓著性能試驗(yàn)方法》和GB/T 33830—2017《載重汽車(chē)輪胎雪地抓著性能試驗(yàn)方法》已于2017年5月發(fā)布,2018年4月1日起正式實(shí)施。
本文主要介紹雪地輪胎的使用與試驗(yàn)場(chǎng)地概況,對(duì)比和分析ASTM F1805—2006、ECE R117法規(guī)附錄7、ISO 18106:2016與我國(guó)GB/T 33829—2017和GB/T 33830—2017的雪地輪胎試驗(yàn)方法異同,為我國(guó)雪地輪胎國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步實(shí)施及高性能雪地輪胎的研發(fā)測(cè)試提供指導(dǎo)。
一、雪地輪胎概況
1. 1 雪地輪胎使用情況
雪地輪胎與普通輪胎在花紋結(jié)構(gòu)等方面有較明顯的差異,雪地輪胎在花紋塊上一般分布一些細(xì)槽,這是為了使輪在冰雪路面上有更好的抓著性能而設(shè)計(jì)的[5],雪地輪胎和普通輪胎胎面花紋差異見(jiàn)圖1。
(a)雪地輪胎
(b)普通輪胎
圖1 雪地輪胎和普通輪胎胎面對(duì)比
目前世界上雪地輪胎的使用區(qū)域主要集中在北緯40°以北,一般為雪較大或者氣溫較低的地區(qū),例如北美(加拿大)、俄羅斯、日本、歐洲尤其是北歐國(guó)家,我國(guó)雪地輪胎使用地區(qū)主要在東北三省、新疆、內(nèi)蒙古。雪地輪胎主要使用區(qū)域見(jiàn)圖2。
圖2 世界范圍內(nèi)雪地輪胎使用區(qū)域(紅框線內(nèi))
目前歐洲各國(guó)針對(duì)雪地輪胎的使用出臺(tái)了不同的法律法規(guī),冰島、拉脫維亞、芬蘭和盧森堡等國(guó)家要求在一年中特定時(shí)間內(nèi)必須使用雪地輪胎,西班牙和意大利等國(guó)家要求在特定時(shí)間、特定區(qū)域內(nèi)必須使用雪地輪胎,羅馬尼亞、瑞典和德國(guó)要求在特定的氣候條件下使用雪地輪胎,阿爾巴尼亞、比利時(shí)和葡萄牙等國(guó)家建議在冬季使用雪地輪胎或者防滑鏈,愛(ài)爾蘭和丹麥等國(guó)家則對(duì)雪地輪胎的使用無(wú)相關(guān)法律法規(guī)要求。
1. 2 雪地輪胎試驗(yàn)場(chǎng)
隨著雪地輪胎在世界范圍內(nèi)使用越來(lái)越廣泛,輪胎企業(yè)對(duì)雪地輪胎的研發(fā)和測(cè)試更加重視,雪地輪胎試驗(yàn)場(chǎng)數(shù)量和質(zhì)量也在逐步提高。國(guó)外雪地輪胎試驗(yàn)場(chǎng)主要有新西蘭SHPG試驗(yàn)場(chǎng)、芬蘭Test World試驗(yàn)場(chǎng)和諾記試驗(yàn)場(chǎng)、瑞典阿維斯焦(Arvidsjaur)試驗(yàn)場(chǎng)、普利司通北海道試驗(yàn)場(chǎng)等。Test World試驗(yàn)場(chǎng)有雪地輪胎室內(nèi)試驗(yàn)場(chǎng)地,一年四季均可滿足雪地輪胎的測(cè)試要求。我國(guó)主要有黑龍江紅河谷汽車(chē)測(cè)試中心有限公司、中汽中心呼倫貝爾冬季汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)等,但目前尚無(wú)雪地輪胎的室內(nèi)試驗(yàn)場(chǎng)地。雪地輪胎室內(nèi)與室外試驗(yàn)場(chǎng)見(jiàn)圖3。
(a)雪地輪胎室外測(cè)試道路
(b)雪地輪胎室內(nèi)測(cè)試道路
(c)芬蘭Test World室外試驗(yàn)場(chǎng)全景
圖3 雪地輪胎室內(nèi)和室外試驗(yàn)場(chǎng)
二、國(guó)內(nèi)外雪地輪胎測(cè)試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
目前國(guó)內(nèi)外雪地輪胎測(cè)試方法主要有ASTM F1805—2006、ECE R117法規(guī)附錄7、ISO 18106: 2016及我國(guó)GB/T 33829—2017和GB/T 33830— 2017,其中ASTM F1805—2006使用牽引力法測(cè)試 輪胎雪地抓著性能,試驗(yàn)車(chē)輛需要四輪式后輪驅(qū) 動(dòng)的專(zhuān)用車(chē)輛,試驗(yàn)輪胎與標(biāo)準(zhǔn)輪胎的對(duì)比試驗(yàn) 需要在3個(gè)不同的工作日進(jìn)行,試驗(yàn)成本較高,且 只能對(duì)C1和C2輪胎進(jìn)行測(cè)試[6],因此目前該試驗(yàn) 方法使用較少。ECE R117法規(guī)附錄7、ISO 18106: 2016 及GB/T 33829—2017 和GB/T 33830—2017 采取試驗(yàn)輪胎與標(biāo)準(zhǔn)輪胎對(duì)比的方法,試驗(yàn)車(chē)輛 可使用裝配防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)的普通車(chē)輛, C1和C2試驗(yàn)輪胎與標(biāo)準(zhǔn)輪胎的對(duì)比試驗(yàn)均在兩個(gè) 不同的工作日重復(fù)進(jìn)行,C3試驗(yàn)輪胎與標(biāo)準(zhǔn)輪胎 的對(duì)比試驗(yàn)只需在1個(gè)工作日進(jìn)行。國(guó)內(nèi)外雪地 輪胎測(cè)試方法對(duì)比見(jiàn)表1。
表1 國(guó)內(nèi)外雪地輪胎測(cè)試方法對(duì)比
注:ECE R117法規(guī)附錄7中牽引力法直接引用ASTM F1805—2006。
2. 1 試驗(yàn)條件
2. 1. 1 路面條件
(1)整體要求。ASTM F1805—2006要求整個(gè)試驗(yàn)路面表面平整,坡度不大于2%,有足夠的長(zhǎng)度和寬度用于測(cè)試,21 m×183 m(70×600英尺)的試驗(yàn)場(chǎng)地能滿足大部分的測(cè)試要求,ISO 18106:2016和ECE R117法規(guī)附錄7僅要求路面平整,坡度不大于2%,但GB/T 33829—2017和GB/T 33830—2017增加了試驗(yàn)道路長(zhǎng)度宜為500 m以上、寬度宜為5 m以上,這是因?yàn)樵囼?yàn)中標(biāo)準(zhǔn)輪胎及試驗(yàn)輪胎均至少要完成6次有效的剎車(chē)制動(dòng),且制動(dòng)區(qū)域不應(yīng)重復(fù),試驗(yàn)道路足夠的長(zhǎng)度及寬度利于試驗(yàn)的完成和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。
(2)積雪層要求。ASTM F1805—2006要求試驗(yàn)路面底層至少為5 cm(2英寸)厚的堅(jiān)硬壓實(shí)的積雪層,表層為足夠厚的中度壓實(shí)積雪層,ISO 18106:2016、ECE R117法規(guī)附錄7及GB/T33829—2017和GB/T 33830—2017均要求底層為3 cm厚的堅(jiān)硬壓實(shí)的積雪層,表層為約2 cm厚的中度壓實(shí)積雪層。
(3)雪地壓實(shí)指數(shù)(CTI 指數(shù))。ASTMF1805—2006 測(cè)試路面CTI 指數(shù)為70 ~ 80,雪面摩擦因數(shù)為0. 25 ~ 0. 41;ISO 18106:2016 和ECE R117法規(guī)附錄7要求C1和C2輪胎測(cè)試路面CTI指數(shù)為75~85,C3輪胎測(cè)試路面CTI指數(shù)為80 ~ 90[7]。GB/T 33829—2017 和GB/T 33830— 2017要求使用雪地硬度儀在整個(gè)測(cè)試路面上均勻 選取10個(gè)點(diǎn)測(cè)試CTI指數(shù),最大值與最小值相差 不超過(guò)8,取其平均值;C1輪胎和C2輪胎測(cè)試路面 CTI指數(shù)平均值為75~85[8],C3輪胎測(cè)試路面CTI 指數(shù)平均值為80~90[9],從而保證試驗(yàn)道路路面的 一致性,盡量減小路面條件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。
2. 1. 2 氣候條件
(1)空氣溫度。ASTM F1805—2006要求在路面上方(30±5) cm處測(cè)得空氣溫度不超過(guò)3 ℃;ISO 18106:2016和ECE R117法規(guī)附錄7要求在地面上方約1 m處測(cè)得空氣溫度為-15~-2 ℃,GB/T 33829—2017和GB/T 33830—2017要求在地面上方約1 m處測(cè)得空氣溫度為-21~-7 ℃,這主要是基于我國(guó)東北地區(qū)冬季平均氣溫較低而確定的。
(2)積雪溫度。ASTM F1805—2006要求積雪路面(2. 5±1. 3) cm深處測(cè)得溫度為-15~-4 ℃,ISO 18106:2016和ECE R117法規(guī)附錄7要求積雪路面約1 cm深處測(cè)得溫度為-15~-4 ℃;GB/T33829—2017 和GB/T 33830—2017 要求積雪路面約1 cm深處測(cè)得溫度為-21~-9 ℃,且增加了試驗(yàn)過(guò)程中氣溫變化不應(yīng)超過(guò)10 ℃的要求,這是為盡量減小溫度變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。
(3)日照及風(fēng)速。ASTM F1805—2006要求試驗(yàn)過(guò)程中盡量避免陽(yáng)光直射;ISO 18106:2016和ECE R117法規(guī)附錄7要求試驗(yàn)過(guò)程中盡量避免陽(yáng)光直射和日照或濕度、風(fēng)速有較大變化;GB/T33829—2017和GB/T 33830—2017要求試驗(yàn)過(guò)程中盡量避免陽(yáng)光直射和日照或濕度有較大變化,且增加了風(fēng)速不宜大于5 m·s-1的要求。
2. 2 標(biāo)準(zhǔn)輪胎
為減少試驗(yàn)輪胎的偏差,采用其與標(biāo)準(zhǔn)輪胎進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)的方式,目前國(guó)際上采用米其林標(biāo)準(zhǔn)輪胎,但由于這種輪胎在進(jìn)口報(bào)關(guān)等方面需要時(shí)間較長(zhǎng),因此GB/T 33829—2017和GB/T 33830—2017要求使用我國(guó)自主研發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)輪胎。國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)輪胎對(duì)比見(jiàn)表2。
表2 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)輪胎對(duì)比
注:1)輪胎名義斷面寬度。
2. 3 試驗(yàn)車(chē)輛
不同試驗(yàn)方法使用的車(chē)輛不同,ASTMF1805—2006測(cè)試方法為牽引力法,測(cè)試車(chē)輛使用后輪驅(qū)動(dòng)的四輪專(zhuān)用車(chē),測(cè)試輪位裝配能測(cè)量動(dòng)態(tài)徑向力和垂直負(fù)荷力的傳感器以及自動(dòng)供油裝置;ISO 18106:2016、ECE R117法規(guī)附錄7及GB/T33829—2017和GB/T 33830—2017 C1和C2輪胎的試驗(yàn)方法為制動(dòng)法或牽引力法,使用試驗(yàn)輪胎和標(biāo)準(zhǔn)輪胎都能夠裝配且?guī)в蠥BS的試驗(yàn)車(chē)輛;C3輪胎試驗(yàn)方法為加速度法,使用兩軸標(biāo)準(zhǔn)型商用車(chē)輛,試驗(yàn)車(chē)輛裝配牽引力控制系統(tǒng)(ASR/TCS)。雪地輪胎各試驗(yàn)方法使用的車(chē)輛見(jiàn)圖4。
(a)牽引力法
(b)制動(dòng)法
(c)加速度法
圖4 雪地輪胎不同試驗(yàn)方法使用的車(chē)輛
2. 4 測(cè)試原理
(1)牽引力法。通過(guò)逐步增大測(cè)試輪軸上的驅(qū)動(dòng)力矩,同時(shí)在車(chē)輛的非測(cè)試輪軸上施加制動(dòng)力矩,使車(chē)輛保持勻速行駛,再根據(jù)定義好的滑移或時(shí)間范圍(基準(zhǔn)),通過(guò)測(cè)得的徑向力和垂直負(fù)荷力決定驅(qū)動(dòng)牽引力因數(shù)。推薦的測(cè)試車(chē)輛速度為8 km·h-1。
(2)制動(dòng)法。采用裝有ABS的試驗(yàn)車(chē)輛,用儀器測(cè)試輪胎在制動(dòng)過(guò)程中的減速性能。試驗(yàn)時(shí),試驗(yàn)車(chē)輛在規(guī)定的初始速度下直線行駛,然后緊急制動(dòng),使車(chē)輛四輪的ABS都動(dòng)作并穩(wěn)定減速,計(jì)算車(chē)輛速度為25~10 km·h-1的平均減速度。為減少測(cè)試偏差,采用試驗(yàn)輪胎與標(biāo)準(zhǔn)輪胎進(jìn)行對(duì)比的試驗(yàn)方法。
(3)加速度法。使用具有ASR/TCS的商用車(chē)輛測(cè)量C3輪胎在直線加速過(guò)程中的雪地抓著性能。試驗(yàn)以規(guī)定的初始速度開(kāi)始,施加油門(mén)啟動(dòng)牽引力控制系統(tǒng),計(jì)算兩個(gè)規(guī)定速度之間的平均加速度。輪胎的雪地性能通過(guò)試驗(yàn)輪胎的平均加速度與標(biāo)準(zhǔn)輪胎的平均加速度進(jìn)行對(duì)比的試驗(yàn)方法獲得。
2. 5 數(shù)據(jù)處理
ASTM F1805—2006 采用牽引力法,ISO18106:2016、ECE R117法規(guī)附錄7及GB/T 33829—2017和GB/T 33830—2017 C1和C2輪胎均采用制動(dòng)法或牽引力法,C3輪胎采用加速度法。這幾種試驗(yàn)方法原理不同,因此試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理也不同,各試驗(yàn)方法數(shù)據(jù)處理如下。
(1)牽引力法。SG用試驗(yàn)輪胎與標(biāo)準(zhǔn)輪胎在雪地路面上牽引力因數(shù)的比值來(lái)表示,計(jì)算公式如下:
SG=Ta/Ra (1)
Ta=(u1+u2+u3+……+un)/n (2)
式中,Ta為每組試驗(yàn)輪胎的牽引力因數(shù)平均值;Ra為根據(jù)不同試驗(yàn)輪胎排序方式所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)輪胎牽引力因數(shù)的加權(quán)平均值;n為每組試驗(yàn)輪胎的有效測(cè)試次數(shù);ui為每次測(cè)試的試驗(yàn)輪胎牽引力因數(shù)。
(2)制動(dòng)法。SG用試驗(yàn)輪胎與標(biāo)準(zhǔn)輪胎在雪地路面上制動(dòng)性能的比值來(lái)表示,計(jì)算公式如下:
SG=A/WA (3)
式中,A為試驗(yàn)輪胎平均減速度的平均值,m·s-2;WA為標(biāo)準(zhǔn)輪胎平均減速度的加權(quán)平均值,m·s-2。試驗(yàn)輪胎與標(biāo)準(zhǔn)輪胎的對(duì)比試驗(yàn)均應(yīng)在兩個(gè)不同的工作日重復(fù)進(jìn)行,試驗(yàn)結(jié)果取兩次測(cè)試結(jié)果的平均值。有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)需同時(shí)滿足兩個(gè)要求:標(biāo)準(zhǔn)輪胎兩次連續(xù)制動(dòng)試驗(yàn)的穩(wěn)定因數(shù)(k)不應(yīng)大于5%,且任何一組標(biāo)準(zhǔn)輪胎或試驗(yàn)輪胎制動(dòng)試驗(yàn)的變異因數(shù)(C. V.)不應(yīng)大于6%。
(3)加速度法。SG用試驗(yàn)輪胎與標(biāo)準(zhǔn)輪胎在雪地路面上加速力因數(shù)的比值來(lái)表示,計(jì)算公式如下:
SG=AFC(T)/AFC(R) (4)
式中,AFC(T)為標(biāo)準(zhǔn)輪胎的加速力因數(shù),為試驗(yàn)輪胎平均加速度的平均值與重力加速度(g)的比值;AFC(R)為試驗(yàn)輪胎的加速力因數(shù),為試驗(yàn)輪胎對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)輪胎平均加速度的加權(quán)平均值與g的比值。
有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)需同時(shí)滿足以下要求:標(biāo)準(zhǔn)輪胎兩次連續(xù)制動(dòng)試驗(yàn)的k不應(yīng)大于5%;任何一組標(biāo)準(zhǔn)輪胎或試驗(yàn)輪胎制動(dòng)試驗(yàn)的C.V.不應(yīng)大于6%;期間輪胎平均滑移率應(yīng)為10%~40%,每次試驗(yàn)運(yùn)行左右驅(qū)動(dòng)輪之間的平均滑移率的差異不應(yīng)超過(guò)8%。
三、結(jié)語(yǔ)
通過(guò)雪地抓著性能測(cè)試得出輪胎SG,可以直觀對(duì)比不同輪胎在冰雪路面上的抓著性能。ASTMF1805—2006、ISO 18106:2016、ECE R117法規(guī)附錄7及GB/T 33829—2017和GB/T 33830—2017對(duì)于雪地輪胎抓著性能的試驗(yàn)原理和測(cè)試條件各有不同。GB/T 33829—2017和GB/T 33830—2017對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)的長(zhǎng)度和寬度以及試驗(yàn)過(guò)程中的風(fēng)速等提出要求,從而利于試驗(yàn)的完成和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,此外還結(jié)合我國(guó)實(shí)際氣候情況,確定了相應(yīng)的試驗(yàn)溫度區(qū)間,并要求使用國(guó)產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)輪胎,這樣不僅可以解決國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)輪胎進(jìn)口周期較長(zhǎng)的問(wèn)題,對(duì)國(guó)產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)輪胎的研發(fā)也起到促進(jìn)作用。
由于雪地輪胎測(cè)試受到多方面因素的影響,在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi),不同試驗(yàn)條件、不同試驗(yàn)場(chǎng)之間的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比及相關(guān)性是一個(gè)重要的研究課題,還需要進(jìn)行大量的驗(yàn)證試驗(yàn)。全國(guó)輪標(biāo)委將繼續(xù)加大不同試驗(yàn)條件和不同試驗(yàn)場(chǎng)之間雪地輪胎測(cè)試的比對(duì),為我國(guó)雪地輪胎研發(fā)及認(rèn)證測(cè)試提供指導(dǎo)。我國(guó)將盡快推出雪地輪胎抓著指數(shù)要求,為輪胎抗?jié)窕阅堋L動(dòng)阻力、噪聲限值和分級(jí)以及標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和實(shí)施打好基礎(chǔ)。
本文來(lái)自期刊《橡膠工業(yè)》
作者:牟守勇
整理編輯:Zoe