轿车轮胎耐撞击性能试验的研究.pdf
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1、第 8 期 李红伟等 轿车轮胎耐撞击性能试验的研究 499轿车轮胎耐撞击性能试验的研究李红伟,孙炳光,周奎武,曹铁坚,刘宇晨(北京橡胶工业研究设计院有限公司 国家橡胶轮胎质量检验检测中心,北京 100143)摘要:对轿车轮胎耐撞击性能试验进行研究,探讨轮胎耐撞击性能的主要影响因素,为轿车轮胎耐撞击性能评价方法的完善提供大量有价值的数据。根据GB/T 385282020对轮胎耐撞击因子(f)的规定,参加摆锤撞击试验的轮胎的耐撞击性能总体达标率为66.1%;按照轮胎系列(高宽比)来确定f不够科学,轮胎断面高是耐撞击性能最重要的影响因素,建议以轮胎断面高来确定f;实车撞击与摆锤撞击试验结果相关性研究
2、表明,摆锤撞击试验得到的f与实车撞击试验中轮胎损坏时速度之间存在一定的相关性,可以采用摆锤撞击试验方法评价轮胎耐撞击性能。关键词:轿车轮胎;耐撞击性能;摆锤撞击试验;实车撞击试验中图分类号:TQ336.11 文章编号:1006-8171(2023)08-0499-08文献标志码:ADOI:10.12135/j.issn.1006-8171.2023.08.0499近年来,我国汽车保有量持续增加,轮胎配套和零售市场进一步繁荣,与此同时,轮胎质量问题的投诉也在增加1-5。轮胎鼓包在轮胎质量问题投诉中占比很高6。大部分轮胎鼓包是车辆通过不平整路面或撞击到障碍物时,轮胎遭受巨大冲击而导致胎体帘线发生断
3、裂,在内部气压的作用下出现鼓包现象7-11。轮胎鼓包后如果没有及时更换而继续使用,存在很大的爆胎风险,对车辆行驶安全造成非常大的威胁。轮胎鼓包现象在欧美发达国家并不突出,其没有制定相关法规的急迫性;我国制定了相应标准来加以规范和明确12-13。一些主机厂使用实车轮胎路缘撞击试验来评价轮胎的耐撞击性能,试验条件与实际使用情况接近,评价效果不错。但是实车撞击方法费用高昂、费时费力。为了以一种易于操作、成本低廉、设备维护方便的室内试验方法来达到与实车撞击试验相当的评价效果,全国轮胎轮辋标准化技术委员会组织制定了一种基于摆锤撞击试验机的室内轮胎耐撞击性能评价方法,有助于轮胎企业提高相关技术水平,也为主
4、机厂和消费者正确使用轮胎提供帮助14-15。我国在2013和2020年分别发布了基于摆锤撞击试验机的GB/T 301952013 汽车轮胎耐撞击性能试验方法 和GB/T 385282020 轿车轮胎耐撞击性能评价。其中,GB/T 385282020属于国际首创标准,没有任何国际标准或其他国家和地区的标准可以借鉴,具体的实用性和合理性还需要更多的试验数据佐证,因此,开展更多关于轮胎耐撞击性能相关的试验研究尤为重要。轮胎撞击试验的作用是模拟轮胎在车辆行驶过程中遇到凹坑、马路牙子、路缘凸起等路面障碍时抵御冲击的能力。近年来,随着城镇化的迅速发展,国内的汽车行驶路况有了很大提高,但是整体路况相较于欧美
5、发达国家还不是很完善,凹坑和不平路段并不少见。如果轮胎的耐撞击性能不好,或者车辆行驶过程中速度过快,或者以小角度撞击马路牙子等,轻则发生轮胎鼓包漏气,重侧发生爆胎等安全事故,造成严重的生命财产损失,因此轮胎耐撞击试验具有非常重要的实际意义。1轿车轮胎摆锤撞击试验及试验数据分析1.1摆锤撞击试验1.1.1试验目的使用轮胎耐撞击试验机对国内外参与课题研究的轮胎进行摆锤撞击试验,了解市场上多个品牌和规格轮胎产品的耐撞击性能水平并形成直观作者简介:李红伟(1975),男,河南濮阳人,北京橡胶工业研究设计院有限公司国家橡胶轮胎质量检验检测中心正高级工程师,学士,主要从事轮胎检测、认证、质量分析相关工作。
6、E-mail:OSID开放科学标识码(扫码与作者交流)500 轮胎工业 2023年第43卷的量化数据,从而有利于改进轮胎结构设计。同时,试验结果将为制定或完善轮胎耐撞击性能评价标准提供参考依据。1.1.2试验设备和仪器1.1.2.1轮胎耐撞击试验机轮胎耐撞击试验机(天津久荣车轮技术有限公司产品)由主体框架结构、撞击锤、伺服电机系统和控制系统等组成。(1)主体框架结构。现有的国家标准没有明确规定一个确切的摆杆支撑框架和设备底座,但框架必须有足够的刚性,并且牢固地嵌入地面,以免在撞击时发生剧烈的震动而产生大量的能量 耗散。(2)撞击锤。任何撞击试验都需要1个摆锤。由于路面障碍的形状多种多样,因此设
7、计试验时首先要考虑摆锤的锤头形状。一些车轮设计师认为,较严重的路面撞击会在车轮轮缘上产生一个V字形缺口。因为有120夹角的锤头能产生与凹坑试验相似的破坏形式,因此锤头被设计成有50 mm圆角的120夹角形状。(3)提升系统。摆杆由伺服电机系统提升到程序设定的下落高度或者撞击角度,然后离合器松开使摆杆自由下落,摆杆回弹到最高点时离合器自动闭合,使摆杆停止下落以防止对轮胎的二次撞击。(4)轮辋固定装置。轮辋固定装置与底座相连,轮辋用螺栓固定在夹持装置上,此装置要承受很高的冲击,有保证刚度的要求,防止在撞击过程中产生变形。(5)控制系统。设备启停、摆杆升降、试验结果记录、环境温度和轮胎充气压力的实时
8、监测均由控制系统完成。1.1.2.2鼓包测量仪轮胎受到撞击后,发现有或可能有鼓包情况,应使用鼓包测量仪对鼓包位置进行检测,如图1 所示。1.1.2.3图像记录设备试验中出现轮胎鼓包或漏气时应采用彩色、清晰、可存储的图像记录设备记录。图1使用鼓包测量仪检测轮胎鼓包位置1.1.3试验条件(1)试验轮胎在硫化后应停放24 h以上,其外观质量应符合HG/T 21772011要求。(2)试验环境温度为2030。(3)除使用柔性轮辋的情况外,试验轮辋应为轿车轮胎耐撞击性能试验专用钢制轮辋,其尺寸应与GB/T 29782014中规定的测量轮辋一致;对于装配柔性轮辋的车辆所使用的轮胎,应使用与车辆要求一致的柔
9、性轮辋进行试验,并在试验报告中加以说明。(4)将试验轮胎安装在试验轮辋上(安装时可使用润滑剂),充气使轮胎充气压力达到200 kPa。(5)充气后轮胎和轮辋组合体应在2030 的环境中停放3 h以上。(6)沿轮胎圆周方向确定10个大致等间距分布的试验点,逐一做标记、编序号。(7)轮胎耐撞击试验机的撞击锤角度固定在6,偏差在0.5之内。1 1.4试验程序为尽可能准确地得到使轮胎产生不小于1 mm鼓包的动能(ESVD),按以下程序进行试验。ESVD的计算公式为ESVD0.5I2式中,I为摆杆支点的转动惯量,kgm2;为撞击角速度,rads-1。(1)将停放后的试验轮胎的充气压力重新调整为(2002
10、)kPa;如果试验轮胎的充气压力有异常损失,应观察试验轮胎和轮辋的状况,重新准备试验轮胎。第 8 期 李红伟等 轿车轮胎耐撞击性能试验的研究 501(2)将校正充气压力后的试验轮胎和轮辋组合体按照GB/T 301952013规定安装在试验装置上,并将轮辋进行锁定,使其在周向上不能转动,按标记序号逐点进行试验。(3)将摆杆调整到自由悬挂状态,使轮胎旋转中心与撞击锤顶部处于同一水平线上;沿水平方向横向调整轮胎位置,使轮胎胎肩触及撞击锤中部。摆杆因轮胎触及撞击锤产生的摆杆角位移不应超过0.1。(4)提升摆杆到初始的撞击高度或撞击角度,撞击动能根据经验选取,锁定摆杆。(5)使摆杆从锁定位置自由下落,撞
11、击试验轮胎;摆杆反弹时由锁定装置锁定摆杆,防止二次撞击,再将轮胎后退,摆杆缓缓下落到自由悬垂 状态。(6)轮胎撞击后使用鼓包测量仪对撞击点附近进行测量,记录最大鼓包高度。(7)以小量调整摆杆角度(不大于5)进入下一个试验点撞击。每次进入下一个试验点进行撞击前,应将试验轮胎的充气压力重新调整到规定值(偏差不超过2 kPa),同时检查撞击锤的紧固螺栓是否松动。(8)重复试验步骤(6)和(7),直到出现不小于1 mm鼓包,减小撞击角度继续撞击,直到不出现不小于1 mm鼓包为止,记录产生不小于1 mm鼓包的最小撞击能即为最小鼓包破坏能(Ebu)。(9)如果1条轮胎不足以找到和确认Ebu值,需要另外1条
12、相同规格的轮胎继续进行试验。1.1.5耐撞击性能评价GB/T 385282020规定了摆锤法轿车轮胎耐撞击性能的评价要求、试验方法、判定规则和试验报告。该标准采用耐撞击因子(f)作为轮胎耐撞击性能的评价指标。按照轮胎系列(轮胎名义高宽比)进行分类,即65,60和55系列轿车轮胎的f不小于80;50系列不小于65;45和40系列不小于50;35和30系列不小于30。将轮胎的f代入下式,计算得出试验轮胎应通过的Ebu。EfLHCD200.buI2 5#=jHS A100nr=DDH2r=+式中,LI为轮胎负荷指数,标准型轮胎采用标准型轮胎的负荷指数,增强型轮胎采用与该规格对应的标准型轮胎的负荷指数
13、,只有增强型没有标准型的轮胎,负荷指数为增强型轮胎的负荷指数减4;C为常量,C80 mm;H为轮胎名义断面高(取整数),mm;D为轮胎外直径(取整数),mm;Sn为轮胎名义断面宽,mm;Ar为轮胎名义高宽比;Dr为轮辋名义直径,mm。1.1.6轮胎选取本试验所选全新轿车轮胎均符合GB 97432015要 求,断 面 宽 为195275 mm,高 宽 比 为3065,轮 辋 直 径 为381508 mm(1520英寸)。每个品牌、每个规格轮胎数量为2条,总计16个品牌、8个系列、167组轮胎(同品牌同规格的2条轮胎为1组,每组轮胎出1个试验结果)参与试验,其中以45,55和65系列试验轮胎样本最
14、多。1.2试验数据分析根据GB/T 385282020对f的规定,参加本次摆锤撞击试验的所有规格轮胎的f达标率为66.1%,下面分别从轮胎品牌、规格和系列方面进行试验数据分析。1.2.1各品牌轮胎达标情况各品牌轮胎达标情况如表1所示。从表1可以看出:16个品牌中K品牌轮胎达标率最高,为91.7%,有12个规格参加测试,11个规格达标;P品牌轮胎达标率最低,为0,参加测试的2个规格都没有达标。从表1还可以看出:各品牌未达标的轮胎规格很接近,名义断面宽以195和205 mm为主,系列以45和55系列为主;未达标规格轮胎有一个共同点是断面高比较小。1.2.2各规格轮胎达标情况各规格轮胎达标情况如表2
15、所示(仅分析轮胎组数为3组及以上的规格)。从 表 2 可 以 看 出:195/45R15(共 5 组)和195/55R15(共15组)规 格 轮 胎 的 达 标 率 为0;205/45R16(共 7 组)、205/55R16(共 18 组)和215/45R16(共6组)规格轮胎的达标率分别为502 轮胎工业 2023年第43卷14.3%,22.2%和16.7%;其他规格轮胎的达标率均较高,有6个规格轮胎的达标率为100%。轮胎达标率为0的规格和达标率很低的规格均为本系列轮胎样本规格中名义断面宽较小的,也是本系列轮胎规格中断面高较小的。1.2.3各系列轮胎达标情况各系列轮胎达标情况如表3所示(3
16、0,35,40,50和60系列轮胎由于样本数据量较少,未做统计分析)。从表3可以看出,45,55和65系列轮胎的达标表1各品牌轮胎达标情况品牌代号轮胎组数/组达标轮胎组数/组达标率/%未达标轮胎规格未达标轮胎f品牌代号轮胎组数/组达标轮胎组数/组达标率/%未达标轮胎规格未达标轮胎fA12650.0245/35 R1929.98H10770.0205/45ZR1640.84245/40 R1839.88195/55 R1556.55255/40 R1946.85205/55 R1672.27215/45 R1840.82I12866.7205/45 R1632.42215/45 R1740.42
17、215/45 R1646.79215/45 R1746.38195/55 R1548.80B7571.4195/55 R1574.67195/55 R1565.81215/45 R1647.95J4125.0205/45 R1728.96C11763.6195/45 R1626.19K121191.7195/55 R1551.22215/45ZR1643.53L9666.7235/45 R1745.46195/55 R1554.31195/55 R1554.54205/55 R1669.39205/55 R1672.64D11763.6195/45 R1526.94M10550.0195/45
18、 R1524.92205/45ZR1634.33195/45 R1526.03195/55 R1551.54195/55 R1545.59205/55ZR1660.77195/55 R1662.13E12758.3195/45 R1519.40205/55 R1653.81205/45 R1633.43N12866.7205/45ZR1628.21215/45 R1633.02215/45 R1637.76195/55 R1548.79195/55 R1547.91205/55 R1663.95205/55 R1668.95F9555.6195/45 R1525.29O12866.7195/5
19、5 R1546.65195/55 R1550.32205/55 R1672.63205/55 R1662.56205/55 R1660.94215/55 R1678.42215/55ZR1670.75G121083.3195/50 R1536.44P200205/55 R1678.72205/55 R1670.77205/55 R1672.63表2各规格轮胎达标情况轮胎规格轮胎组数/组达标轮胎组数/组达标率/%断面高/mmf未达标轮胎达标轮胎195/45 R1550087.7519.426.94195/55 R151500107.2545.5974.67195/65 R151212100.01
20、26.7594.48153.64205/45 R167114.392.2528.2140.8451.78205/55 R1618422.2112.7553.8178.7285.0099.35215/45 R166116.796.7533.0247.9555.77215/55 R16131184.6118.2570.7578.4280.38113.38215/65 R161111100.0139.75162.70243.22235/45 R1710990.0105.7545.4652.2281.76235/45 R1833100.0105.7565.7879.70235/55 R1799100.
21、0129.25108.67165.36235/65 R171212100.0152.75239.1271.34245/45 R1833100.0110.2565.7794.16第 8 期 李红伟等 轿车轮胎耐撞击性能试验的研究 503表3各系列轮胎达标情况系列轮胎组数/组f达标轮胎组数/组达标率/%实测值标准值30和35330.044.030266.740439.956.450250.0454219.4100.6502047.650536.495.465480.0556145.6172.1803049.2605100.0173.0805100.0654894.5506.48048100.0率分
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