周忠偉，李 威，徐 藝，李棟林，劉 鵬

（三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

輪胎膠料的粘彈性使其在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生滯后損失，其中一部分熱能通過(guò)輪胎外表面散失，另一部分則直接引起輪胎溫度升高。當(dāng)輪胎溫度升高到一定程度時(shí)，膠料的各種熱學(xué)、力學(xué)性能會(huì)下降，影響輪胎的行駛安全，甚至因過(guò)熱損壞而發(fā)生“爆胎”現(xiàn)象[1]。近年來(lái)，隨著汽車性能的提高和道路條件的改善，汽車的行駛速度不斷提高，汽車輪胎的溫升也大大提高，輪胎的破壞形式逐漸從力破壞為主轉(zhuǎn)化為熱破壞為主，對(duì)輪胎生熱的研究變得越來(lái)越重要[2-3]。

本工作利用紅外線測(cè)溫儀及探針式熱電偶對(duì)載重子午線輪胎表面及內(nèi)部溫度進(jìn)行測(cè)試，應(yīng)用多元線性回歸方法建立輪胎溫度與行駛速度、負(fù)荷、充氣壓力和環(huán)境溫度等多因素變化之間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)輪胎

選取載重輪胎的規(guī)格分別為11R22.5，295/80R22.5，12R22.5，315/80R22.5和14.00R20，輪胎的設(shè)計(jì)參數(shù)等符合GB/T 9744—2015《載重汽車輪胎》。

1.2 主要設(shè)備和儀器

TJR-2-TB（Y）雙工位載重輪胎高速耐久性試驗(yàn)機(jī)，天津久榮車輪技術(shù)有限公司產(chǎn)品；紅外線測(cè)溫儀，測(cè)量溫度范圍為-30～400 ℃，在0～199℃范圍內(nèi)測(cè)量精度為±2 ℃，使用的環(huán)境溫度為0～200 ℃，美國(guó)雷太公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

目前研究輪胎生熱的方法主要包括有限元法[4]和實(shí)測(cè)法。實(shí)測(cè)法又包括接觸法和非接觸法。

接觸法主要用于測(cè)定胎冠、胎肩等處輪胎的內(nèi)溫，分為靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法。

本研究輪胎內(nèi)部溫度測(cè)量采用動(dòng)態(tài)法。在輪胎滾動(dòng)過(guò)程中，將探針式熱電偶從氣門嘴插入，并通過(guò)滑環(huán)裝置將其引出，測(cè)定輪胎內(nèi)部空氣的溫度。

輪胎表面溫度（即胎冠部位的溫度）測(cè)量采用非接觸法，即采用紅外線測(cè)溫儀對(duì)高速滾動(dòng)輪胎進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。其最大優(yōu)點(diǎn)是不接觸即可測(cè)得物體的表面溫度分布圖，同時(shí)可借助計(jì)算機(jī)對(duì)等溫線和同一溫度的面積比率進(jìn)行分析，并可進(jìn)行故障探測(cè)等研究，還可從導(dǎo)熱的角度對(duì)滾動(dòng)中輪胎內(nèi)部空氣的流動(dòng)進(jìn)行研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 行駛速度

選取規(guī)格為14.00R20的輪胎進(jìn)行試驗(yàn)，加載負(fù)荷為44.10 kN。輪胎溫度與行駛速度的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 輪胎溫度與行駛速度的關(guān)系曲線

從圖1可以看出，當(dāng)輪胎以130 km·h-1行駛2 h，輪胎內(nèi)部溫度高達(dá)97.6 ℃，胎冠部位溫度為54.0 ℃，即輪胎內(nèi)部溫度與胎冠部位溫度相差約44 ℃。

從圖1還可以看出：輪胎溫度隨著行駛速度提高呈小幅升高，當(dāng)行駛速度從70 km·h-1提高至130 km·h-1時(shí)，胎冠部位的溫度由40.5 ℃升至54℃；輪胎內(nèi)部溫度由86.5 ℃升至97.6 ℃。這是因?yàn)殡S著輪胎行駛速度的提高，輪胎變形頻率加大，單位時(shí)間內(nèi)生熱增大，輪胎溫度升高，同時(shí)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，輪胎損壞形式多為胎冠脫層。

由此可見(jiàn)，車輛在行駛過(guò)程中應(yīng)充分考慮到行駛速度對(duì)輪胎生熱的影響，避免因輪胎溫度過(guò)高而發(fā)生爆胎事故。

由圖1可計(jì)算出行駛速度（v）與輪胎內(nèi)部溫度（Ta）和胎冠部位溫度（Tb）的線性回歸方程：

2.2 負(fù)荷

選取規(guī)格為315/80R22.5的輪胎以65 km·h-1的速度行駛100 h后測(cè)試輪胎內(nèi)部及胎冠部位的溫度。輪胎溫度與負(fù)荷的關(guān)系曲線如圖2所示，輪胎額定負(fù)荷為36.75 kN。

從圖2可以看出，當(dāng)輪胎的負(fù)荷由23.89 kN增至55.13 kN（即負(fù)荷率由65%增至150%）時(shí)，Tb由35.0 ℃升至66.0 ℃，同時(shí)Ta由45.1 ℃升至114.1℃。由此可知，負(fù)荷是影響輪胎溫度變化的重要因素。當(dāng)輪胎在超負(fù)荷條件下運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生較大變形，胎肩部位的磨損嚴(yán)重，且胎體材料的分子摩擦及部件的機(jī)械摩擦?xí)?dǎo)致Ta升高。

圖2 輪胎溫度與負(fù)荷的關(guān)系曲線

當(dāng)輪胎胎冠中心表面溫度超過(guò)60 ℃（負(fù)荷率為120%）時(shí)，輪胎膠料的力學(xué)性能降低，側(cè)偏剛度和徑向剛度都會(huì)不同程度下降。為了保證載重輪胎耐久性試驗(yàn)機(jī)的安全運(yùn)行，減小爆胎等幾率，當(dāng)輪胎的負(fù)荷率超過(guò)120%且監(jiān)測(cè)到胎冠表面溫度超過(guò)60 ℃時(shí)，需要每隔2 h停止運(yùn)行，對(duì)輪胎進(jìn)行檢查。

由圖2可計(jì)算出負(fù)荷（F）與Ta和Tb的線性回歸方程：

另外，考察輪胎規(guī)格及速度級(jí)別與輪胎溫度的關(guān)系。5組不同規(guī)格的輪胎分別以 65 km·h-1的速度行駛7 h后的溫度如表1所示。

表1 輪胎規(guī)格及速度級(jí)別與輪胎溫度的關(guān)系

從表1可以看出，輪胎規(guī)格并不是影響Ta的主要因素，而Tb變化無(wú)明顯規(guī)律，但與輪胎的規(guī)格有關(guān)。對(duì)于同一規(guī)格不同速度級(jí)別的輪胎（5號(hào)輪胎樣本），當(dāng)速度級(jí)別由M變至L時(shí)，Ta和Tb分別降低約1和12 ℃。

2.3 充氣壓力

規(guī)格為12R22.5的輪胎在不同充氣壓力、120%負(fù)荷率下行駛57～66 h時(shí)間區(qū)域內(nèi)的Tb變化如圖3所示。

圖3 充氣壓力對(duì)Tb的影響

從圖3可以看出：當(dāng)輪胎的充氣壓力不同時(shí)，Tb不盡相同；充氣壓力為300 kPa時(shí)Tb比充氣壓力為450 kPa時(shí)高2 ℃左右。這是因?yàn)樵谙嗤?fù)荷作用下，輪胎的充氣壓力過(guò)低，則胎體變形過(guò)大，會(huì)產(chǎn)生屈撓，造成輪胎過(guò)度生熱。

2.4 環(huán)境溫度

規(guī)格為295/80R22.5的輪胎在額定負(fù)荷下行駛至Tb基本不變時(shí)，即輪胎表面溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)，改變v，考察其對(duì)Tb和環(huán)境溫度（Tc）的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 v對(duì) Tb和 Tc的影響

從圖4可以看出，隨著v提高，Tb和Tc均升高，但Tc升幅較小。當(dāng)Tc升至40 ℃時(shí)，輪胎表面的熱量傳至環(huán)境的能力降低，熱量得不到有效消散而積聚在輪胎中，使Ta變高，這與第2.1節(jié)的研究結(jié)果一致。

由圖4可計(jì)算出v與Tb和Tc的回歸方程：

2.5 輪胎溫度與影響因素之間的函數(shù)模型

輪胎在實(shí)際行駛過(guò)程中，往往是行駛速度、負(fù)荷、充氣壓力及環(huán)境溫度等多因素同時(shí)發(fā)生變化。輪胎穩(wěn)態(tài)溫度是衡量輪胎質(zhì)量的重要指標(biāo)，因此，建立輪胎表面穩(wěn)態(tài)溫度與實(shí)際工作條件之間的函數(shù)關(guān)系式具有實(shí)際意義。

利用多元線性回歸方法，計(jì)算建立輪胎溫度與影響因素之間的函數(shù)模型：

式中，a—f為方程系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)，P為充氣壓力。

3 結(jié)論

（1）輪胎溫度隨著行駛速度的提高小幅升高，且二者近似呈線性關(guān)系。

（2）負(fù)荷是影響輪胎溫度變化的重要因素。當(dāng)負(fù)荷過(guò)高時(shí)，輪胎在行駛過(guò)程中會(huì)發(fā)生較大變形，胎肩部位磨損嚴(yán)重，從而導(dǎo)致輪胎內(nèi)部溫度升高。

（3）在相同負(fù)荷作用下，充氣壓力過(guò)低，會(huì)造成輪胎過(guò)度生熱。

（4）當(dāng)環(huán)境溫度升高到一定程度后，輪胎表面的熱量傳至環(huán)境的能力降低，熱量積聚在輪胎中，使輪胎內(nèi)部溫度升高。

本工作可為輪胎爆破的機(jī)理和預(yù)防研究提供依據(jù)。