李允平，劉澤硯，高 松

（山東理工大學(xué) 交通與車(chē)輛工程學(xué)院，山東 淄博255049）

輪胎與路面間的摩擦是一個(gè)非常復(fù)雜而且很重要的問(wèn)題［1］，輪胎的磨損程度直接影響到汽車(chē)的一些基本性能，如動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等。隨著磨損程度的加劇，對(duì)汽車(chē)排放的影響也是不容忽視的。輪胎與路面間的摩擦情況除路面因素外，主要受到滑移率、輪胎類(lèi)型、胎面花紋和磨損程度等因素的影響。在其他因素一定的前提下，對(duì)既定車(chē)型來(lái)說(shuō)，輪胎磨損程度對(duì)在用車(chē)的排放是一個(gè)重要的影響因素。本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了該影響因素的實(shí)際意義。

1 汽車(chē)輪胎

汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)力是通過(guò)路面作用于驅(qū)動(dòng)輪上的切向反力來(lái)獲得的。這個(gè)切向反力是由驅(qū)動(dòng)輪輪胎與地面接觸產(chǎn)生摩擦而產(chǎn)生的，因此，在路面情況既定的前提下，輪胎的結(jié)構(gòu)形式及磨損狀況就成了影響驅(qū)動(dòng)力的主要因素。輪胎磨損后，其靜力半徑和滾動(dòng)半徑將變小，同時(shí)輪胎與地面間的附著性能將變差，這不僅影響了汽車(chē)的基本性能，還直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)有性能的發(fā)揮，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在理論設(shè)計(jì)工況下不能與汽車(chē)的實(shí)際行駛工況相匹配，從而對(duì)汽車(chē)排放產(chǎn)生影響。

1.1 輪胎形式

目前，常用的汽車(chē)輪胎主要有子午線輪胎、斜交輪胎和帶束斜交輪胎3種形式。子午線輪胎滾動(dòng)阻力小，地面附著能力大；斜交輪胎滾動(dòng)阻力大，地面附著能力??；帶束斜交輪胎則介于二者之間。輪胎的結(jié)構(gòu)要素對(duì)輪胎摩擦性能有著顯著的影響，其結(jié)構(gòu)要素主要包括胎面花紋形式、密度系數(shù)和花紋深度等3個(gè)方面［1］。胎面花紋可分為3類(lèi)：縱向花紋（有較好的橫向防滑能力）、橫向花紋（有較好的縱向防滑能力）和塊狀花紋（縱向和橫向均有較好的防滑能力）。

1.2 輪胎的變形

由于輪胎橡膠的彈性變形，對(duì)輪胎和路面間的摩擦力將產(chǎn)生一定的作用，這種作用是在輪胎設(shè)計(jì)過(guò)程中早已考慮到的，但是輪胎磨損后輪胎橡膠的彈性變形將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致輪胎與路面間的摩擦力發(fā)生改變。這種關(guān)系的改變會(huì)直接影響到輪胎和路面間的滑移率和附著系數(shù)［2－3］。定義滑移率為Sr，附著系數(shù)為μ。

式（1）中：Fx—附著力；Fz—垂直載荷；v—車(chē)輪實(shí)際速度；vt—車(chē)輛的理論速度；vs—同一點(diǎn)絕對(duì)速度的切向分量；r—節(jié)圓半徑；ω—驅(qū)動(dòng)輪角速度。

理論上輪胎與地面間是無(wú)滑移的，也就是說(shuō)滑移率為零。但是，汽車(chē)在行駛時(shí)要產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力就必須依靠在縱向力的作用下，通過(guò)輪胎在與路面接觸區(qū)域內(nèi)的局部切向彈性變形來(lái)產(chǎn)生摩擦力，即附著力。顯然，摩擦力產(chǎn)生的大小與產(chǎn)生切向彈性變形的區(qū)域面積有關(guān)，即與滑移率有關(guān)。

1.3 輪胎的磨損原因及磨損標(biāo)志

輪胎產(chǎn)生磨損的原因很多，主要有輪胎氣壓過(guò)高或過(guò)低、車(chē)輪定位不正確、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)參數(shù)的改變、車(chē)輪動(dòng)平衡不準(zhǔn)、輪轂與軸承的間隙不符合要求和駕駛操作等方面［4］。

輪胎一般都在其胎冠的側(cè)面標(biāo)有指示磨損程度的記號(hào)，也就是磨損標(biāo)志［5］。其功用是顯示輪胎的使用限度，并指示輪胎花紋的殘留深度。如果磨損超過(guò)該記號(hào)，車(chē)輪會(huì)打滑，應(yīng)及時(shí)更換輪胎。

2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用VMAS檢測(cè)系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)車(chē)在檢測(cè)平臺(tái)上進(jìn)行輪胎不同磨損程度的排放污染物的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)方法的確定

VMAS檢測(cè)系統(tǒng)是一種比較成熟的在用車(chē)排放污染物的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)，它與維修結(jié)合起來(lái)就是I/M制度，該制度在國(guó)內(nèi)外均得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)以VMAS系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，嚴(yán)格按照文獻(xiàn)［6－7］規(guī)定的實(shí)驗(yàn)循環(huán)及相關(guān)要求對(duì)樣車(chē)排放污染物進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)循環(huán)如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)樣車(chē)采用正常使用的在用車(chē)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分別對(duì)樣車(chē)更換磨損程度不同（新、中、舊）的輪胎，磨損程度用輪胎花紋深度表示。新輪胎花紋深度9mm，中度磨損輪胎花紋深度5mm，舊輪胎花紋深度2mm。每一種狀態(tài)分別做3次實(shí)驗(yàn)，并取得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行客觀的分析研究，并用灰色系統(tǒng)理論對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行輔助分析和評(píng)價(jià)，從中找出其關(guān)聯(lián)度。

圖1 VMAS實(shí)驗(yàn)循環(huán)圖Fig.1 Experimental cycle diagram of VMAS

2.2 實(shí)驗(yàn)所用的儀器設(shè)備及實(shí)驗(yàn)車(chē)基本信息

實(shí)驗(yàn)所用的儀器設(shè)備及實(shí)驗(yàn)車(chē)基本信息見(jiàn)表1。檢測(cè)日期為2012年12月27日。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)車(chē)輛信息Table 1 Experimental facilities and information of vehicle

2.3 一般實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)在山東省淄博市機(jī)動(dòng)車(chē)排放污染物檢測(cè)中心進(jìn)行。該中心實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地及實(shí)驗(yàn)設(shè)備完全符合國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，實(shí)驗(yàn)所用的儀器設(shè)備均經(jīng)技術(shù)監(jiān)督部門(mén)定期檢驗(yàn)并合格。實(shí)驗(yàn)前用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)儀器按文獻(xiàn)［6］中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行了標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)車(chē)輛的狀態(tài)符合技術(shù)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)用93號(hào)汽油。實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度0.3℃，相對(duì)濕度30.7%，大氣壓力103.5kPa。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 采樣點(diǎn)及數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)由兩部分組成，一部分是整個(gè)實(shí)驗(yàn)循環(huán)195s的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取樣頻率為1s；另一部分是關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)據(jù)。由于195s內(nèi)的數(shù)據(jù)較多，本研究只分別給出了一次實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)工況，如表2和表3所示。同樣本研究也只給出了CO和HC的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。195s實(shí)驗(yàn)循環(huán)（舊）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的樣本見(jiàn)圖2。

表2 汽車(chē)排放實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental result of vehicle emissions

表3 關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)工況Table 3 Experiment conditions corresponding with key points

圖2 測(cè)量參數(shù)樣本Fig.2 Samples of measurement parameters

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及裁決

最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果按國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求將計(jì)量單位均換算為g/km，并將HC和NOx合并為（HC＋NOx）作為一項(xiàng)判定指標(biāo)［6－7］，實(shí)驗(yàn)結(jié)果及裁決見(jiàn)表4。

表4 結(jié)果及裁決Table 4 Results and conclusions

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從表4中可以看出，輪胎的磨損程度不同直接影響到了汽車(chē)排放，磨損嚴(yán)重（舊）的輪胎其排放的污染物超出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的限值而被裁決為不合格。

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析

整個(gè)實(shí)驗(yàn)循環(huán)共計(jì)195s，采樣頻率為1s。但是在0～11s起步前和188～195s停車(chē)后時(shí)段車(chē)速為0km/h，以及實(shí)驗(yàn)循環(huán)中間的車(chē)速為0km/h的時(shí)段可以不進(jìn)行分析，因?yàn)榇藭r(shí)車(chē)速為0km/h的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與輪胎磨損與否無(wú)關(guān)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出如圖3所示的排放特性曲線，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線上看，輪胎磨損程度嚴(yán)重的舊輪胎排放特性明顯比磨損程度較輕和幾乎沒(méi)有磨損的新輪胎差。另外，從表5給出的在變工況下排放數(shù)據(jù)的處理結(jié)果［8］也顯示了同樣的結(jié)論。但是，從圖3和表5中發(fā)現(xiàn)了離散點(diǎn)的存在，離散點(diǎn)對(duì)應(yīng)車(chē)速由0→15km/h換擋→32km/h、采樣點(diǎn)49～61時(shí)段內(nèi)的工況，其特征表現(xiàn)為用舊輪胎測(cè)得的數(shù)據(jù)比用中度磨損的輪胎測(cè)得的數(shù)據(jù)小。分析認(rèn)為，出現(xiàn)離散點(diǎn)的原因可能與車(chē)輛的操作有關(guān)，盡管車(chē)速?zèng)]有超出±2km/h的誤差，但由于車(chē)速控制不穩(wěn)而引起發(fā)動(dòng)機(jī)工況的波動(dòng)造成了排放的不穩(wěn)定。輪胎磨損后對(duì)排放特性的影響是明顯的，特別是汽車(chē)在加速、減速工況下輪胎磨損程度對(duì)其排放的影響尤為明顯，排放特性隨輪胎磨損程度的加劇變得越來(lái)越差。

圖3 試驗(yàn)車(chē)的排放特性曲線Fig.3 Emission characteristic curve of test vehicle

表5 變工況下排放數(shù)據(jù)平均值Table 5 Average value of emissions in variable conditions

4.2 灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)不可能是線性的，其中由于測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)等因素的影響不可避免地會(huì)有離散點(diǎn)的出現(xiàn)。在這種情況下用灰色理論［9－10］來(lái)判斷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)度是一種簡(jiǎn)單、科學(xué)和實(shí)用的方法。由于篇幅的限制，本研究只給出部分?jǐn)?shù)據(jù)，根據(jù)絕對(duì)關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式計(jì)算：

4.2.1 計(jì)算過(guò)程

初始化操作（整理為等長(zhǎng)度1的時(shí)距序列）。

計(jì)算絕對(duì)關(guān)聯(lián)度（序列的始點(diǎn)零化像）。

計(jì)算｜S0｜，｜S1｜，｜S1－S0｜及絕對(duì)關(guān)聯(lián)度。

用同樣的方法和步驟可以計(jì)算出其他參數(shù)序列之間的絕對(duì)關(guān)聯(lián)度。

4.2.2 計(jì)算結(jié)果

CO（新）和CO（中）的絕對(duì)關(guān)聯(lián)度為0.72，CO（新）和CO（舊）的絕對(duì)關(guān)聯(lián)度為0.67，HC（新）和 HC（中）的絕對(duì)關(guān)聯(lián)度為0.99，HC（新）和 HC（舊）的絕對(duì)關(guān)聯(lián)度為0.93。

從計(jì)算結(jié)果中可以看出，以新輪胎作為行為序列時(shí)，更換中、舊輪胎后根據(jù)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出的與行為序列絕對(duì)關(guān)聯(lián)度，無(wú)論是CO還是HC與行為序列的絕對(duì)關(guān)聯(lián)度，磨損嚴(yán)重的均小于磨損中等程度的，也就是說(shuō)，用磨損程度中等的輪胎測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與幾乎沒(méi)有磨損的新輪胎測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，其結(jié)果比換用磨損嚴(yán)重的舊輪胎更接近。這說(shuō)明磨損嚴(yán)重的輪胎對(duì)汽車(chē)排放特性的影響更大。這一結(jié)果與4.1的分析計(jì)算結(jié)果一致。

5 結(jié) 語(yǔ)

本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)考察了輪胎磨損程度對(duì)汽車(chē)排放特性的影響，結(jié)果顯示，輪胎的磨損程度對(duì)其排放特性有直接的影響，特別是在加速段和減速工況時(shí)影響尤為明顯。用灰色系統(tǒng)理論分析的關(guān)聯(lián)度也表明輪胎磨損程度對(duì)在用車(chē)的排放特性有直接的影響。該實(shí)驗(yàn)研究為控制在用車(chē)的排放提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。

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