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【技术分享】国内外雪地轮胎概况与测试标准分析

2019-02-20 23:12:18·  来源：《橡胶工业》  作者：牟守勇  
　
介绍雪地轮胎的使用及试验场地概况，分析ASTM F1805—2006、ECE R117法规附录7、ISO 18106：2016与我国GB/T 33829—2017和GB/T 33830—2017中轮胎雪地抓着性能测试方法的差异。
摘要：介绍雪地轮胎的使用及试验场地概况，分析ASTM F1805—2006、ECE R117法规附录7、ISO 18106：2016与我国GB/T 33829—2017和GB/T 33830—2017中轮胎雪地抓着性能测试方法的差异。可以看出，我国GB/T 33829—2017和GB/T 33830—2017增加了对试验场长度和宽度以及试验过程风速的要求，并要求使用国产标准轮胎。建议尽快确定雪地轮胎抓着指数指标，为轮胎抗湿滑性能、滚动阻力、噪声限值和分级、标签标准的发布和实施打好基础。
 
关键词：雪地轮胎；试验场；标准；雪地抓着性能；测试方法
 
雪地轮胎是指花纹、胎面和结构经特别设计，在冰雪条件下使车辆的启动、操控性能和刹车性能比普通轮胎更好的轮胎[1]。随着人们安全意识不断提升，雪地轮胎在特定气候条件下的使用受到前所未有的重视，国际上通用的惯例是当温度低于7 ℃时使用雪地轮胎，而欧洲一些国家先后出台了在特定时间段内强制性使用雪地轮胎的法律法规。目前雪地轮胎已在我国东北三省、新疆和内蒙古等地区的冬季广泛使用[2]。
 
由于花纹结构和胎面胶的特殊性，雪地轮胎的滚动阻力、湿路面抓着性能、噪声等指标均与普通轮胎不同[3]。目前国际上轮胎雪地抓着性能测试方法主要有美国材料与试验协会标准ASTMF1805—2006《在覆雪或覆冰表面测定单轮直线驱动摩擦力的标准试验方法》、欧洲经济委员会ECE R117法规附录7《极端雪地条件下雪地轮胎性能测试步骤》和国际标准ISO 18106：2016《乘用车、商用车、卡车和客车轮胎雪地抓地性能的测试方法—负荷下新轮胎》。全国轮胎轮辋标准化技术委员会一直致力于雪地轮胎相关标准的制定与标准验证试验相关工作，国家标准GB/T 33829—2017《轿车轮胎雪地抓着性能试验方法》和GB/T 33830—2017《载重汽车轮胎雪地抓着性能试验方法》已于2017年5月发布，2018年4月1日起正式实施。
 
本文主要介绍雪地轮胎的使用与试验场地概况，对比和分析ASTM F1805—2006、ECE R117法规附录7、ISO 18106：2016与我国GB/T 33829—2017和GB/T 33830—2017的雪地轮胎试验方法异同，为我国雪地轮胎国家标准的进一步实施及高性能雪地轮胎的研发测试提供指导。
一、雪地轮胎概况 
1. 1 雪地轮胎使用情况
雪地轮胎与普通轮胎在花纹结构等方面有较明显的差异，雪地轮胎在花纹块上一般分布一些细槽，这是为了使轮在冰雪路面上有更好的抓着性能而设计的[5]，雪地轮胎和普通轮胎胎面花纹差异见图1。
（a）雪地轮胎
（b）普通轮胎
图1 雪地轮胎和普通轮胎胎面对比
目前世界上雪地轮胎的使用区域主要集中在北纬40°以北，一般为雪较大或者气温较低的地区，例如北美（加拿大）、俄罗斯、日本、欧洲尤其是北欧国家，我国雪地轮胎使用地区主要在东北三省、新疆、内蒙古。雪地轮胎主要使用区域见图2。
图2 世界范围内雪地轮胎使用区域（红框线内）
 
目前欧洲各国针对雪地轮胎的使用出台了不同的法律法规，冰岛、拉脱维亚、芬兰和卢森堡等国家要求在一年中特定时间内必须使用雪地轮胎，西班牙和意大利等国家要求在特定时间、特定区域内必须使用雪地轮胎，罗马尼亚、瑞典和德国要求在特定的气候条件下使用雪地轮胎，阿尔巴尼亚、比利时和葡萄牙等国家建议在冬季使用雪地轮胎或者防滑链，爱尔兰和丹麦等国家则对雪地轮胎的使用无相关法律法规要求。
1. 2 雪地轮胎试验场
随着雪地轮胎在世界范围内使用越来越广泛，轮胎企业对雪地轮胎的研发和测试更加重视，雪地轮胎试验场数量和质量也在逐步提高。国外雪地轮胎试验场主要有新西兰SHPG试验场、芬兰Test World试验场和诺记试验场、瑞典阿维斯焦（Arvidsjaur）试验场、普利司通北海道试验场等。Test World试验场有雪地轮胎室内试验场地，一年四季均可满足雪地轮胎的测试要求。我国主要有黑龙江红河谷汽车测试中心有限公司、中汽中心呼伦贝尔冬季汽车试验场等，但目前尚无雪地轮胎的室内试验场地。雪地轮胎室内与室外试验场见图3。
（a）雪地轮胎室外测试道路
（b）雪地轮胎室内测试道路
（c）芬兰Test World室外试验场全景
图3 雪地轮胎室内和室外试验场
二、国内外雪地轮胎测试相关标准
目前国内外雪地轮胎测试方法主要有ASTM F1805—2006、ECE R117法规附录7、ISO 18106： 2016及我国GB/T 33829—2017和GB/T 33830— 2017，其中ASTM F1805—2006使用牵引力法测试 轮胎雪地抓着性能，试验车辆需要四轮式后轮驱 动的专用车辆，试验轮胎与标准轮胎的对比试验 需要在3个不同的工作日进行，试验成本较高，且 只能对C1和C2轮胎进行测试[6]，因此目前该试验 方法使用较少。ECE R117法规附录7、ISO 18106： 2016 及GB/T 33829—2017 和GB/T 33830—2017 采取试验轮胎与标准轮胎对比的方法，试验车辆 可使用装配防抱死制动系统（ABS）的普通车辆， C1和C2试验轮胎与标准轮胎的对比试验均在两个 不同的工作日重复进行，C3试验轮胎与标准轮胎 的对比试验只需在1个工作日进行。国内外雪地 轮胎测试方法对比见表1。
表1 国内外雪地轮胎测试方法对比
注：ECE R117法规附录7中牵引力法直接引用ASTM F1805—2006。
2. 1 试验条件
2. 1. 1 路面条件
（1）整体要求。ASTM F1805—2006要求整个试验路面表面平整，坡度不大于2%，有足够的长度和宽度用于测试，21 m×183 m（70×600英尺）的试验场地能满足大部分的测试要求，ISO 18106：2016和ECE R117法规附录7仅要求路面平整，坡度不大于2%，但GB/T 33829—2017和GB/T 33830—2017增加了试验道路长度宜为500 m以上、宽度宜为5 m以上，这是因为试验中标准轮胎及试验轮胎均至少要完成6次有效的刹车制动，且制动区域不应重复，试验道路足够的长度及宽度利于试验的完成和试验数据的稳定性。
（2）积雪层要求。ASTM F1805—2006要求试验路面底层至少为5 cm（2英寸）厚的坚硬压实的积雪层，表层为足够厚的中度压实积雪层，ISO 18106：2016、ECE R117法规附录7及GB/T33829—2017和GB/T 33830—2017均要求底层为3 cm厚的坚硬压实的积雪层，表层为约2 cm厚的中度压实积雪层。
（3）雪地压实指数（CTI 指数）。ASTMF1805—2006 测试路面CTI 指数为70 ～ 80，雪面摩擦因数为0. 25 ～ 0. 41；ISO 18106：2016 和ECE R117法规附录7要求C1和C2轮胎测试路面CTI指数为75～85，C3轮胎测试路面CTI指数为80 ～ 90[7]。GB/T 33829—2017 和GB/T 33830— 2017要求使用雪地硬度仪在整个测试路面上均匀 选取10个点测试CTI指数，最大值与最小值相差 不超过8，取其平均值；C1轮胎和C2轮胎测试路面 CTI指数平均值为75～85[8]，C3轮胎测试路面CTI 指数平均值为80～90[9]，从而保证试验道路路面的 一致性，尽量减小路面条件对试验结果的影响。
2. 1. 2 气候条件
（1）空气温度。ASTM F1805—2006要求在路面上方（30±5） cm处测得空气温度不超过3 ℃；ISO 18106：2016和ECE R117法规附录7要求在地面上方约1 m处测得空气温度为－15～－2 ℃，GB/T 33829—2017和GB/T 33830—2017要求在地面上方约1 m处测得空气温度为－21～－7 ℃，这主要是基于我国东北地区冬季平均气温较低而确定的。
（2）积雪温度。ASTM F1805—2006要求积雪路面（2. 5±1. 3） cm深处测得温度为－15～－4 ℃，ISO 18106：2016和ECE R117法规附录7要求积雪路面约1 cm深处测得温度为－15～－4 ℃；GB/T33829—2017 和GB/T 33830—2017 要求积雪路面约1 cm深处测得温度为－21～－9 ℃，且增加了试验过程中气温变化不应超过10 ℃的要求，这是为尽量减小温度变化对试验结果的影响。
（3）日照及风速。ASTM F1805—2006要求试验过程中尽量避免阳光直射；ISO 18106：2016和ECE R117法规附录7要求试验过程中尽量避免阳光直射和日照或湿度、风速有较大变化；GB/T33829—2017和GB/T 33830—2017要求试验过程中尽量避免阳光直射和日照或湿度有较大变化，且增加了风速不宜大于5 m·s-1的要求。
2. 2 标准轮胎
为减少试验轮胎的偏差，采用其与标准轮胎进行对比试验的方式，目前国际上采用米其林标准轮胎，但由于这种轮胎在进口报关等方面需要时间较长，因此GB/T 33829—2017和GB/T 33830—2017要求使用我国自主研发的标准轮胎。国内外标准轮胎对比见表2。
表2 国内外标准轮胎对比
注：1）轮胎名义断面宽度。
2. 3 试验车辆
不同试验方法使用的车辆不同，ASTMF1805—2006测试方法为牵引力法，测试车辆使用后轮驱动的四轮专用车，测试轮位装配能测量动态径向力和垂直负荷力的传感器以及自动供油装置；ISO 18106：2016、ECE R117法规附录7及GB/T33829—2017和GB/T 33830—2017 C1和C2轮胎的试验方法为制动法或牵引力法，使用试验轮胎和标准轮胎都能够装配且带有ABS的试验车辆；C3轮胎试验方法为加速度法，使用两轴标准型商用车辆，试验车辆装配牵引力控制系统（ASR/TCS）。雪地轮胎各试验方法使用的车辆见图4。
（a）牵引力法
（b）制动法
（c）加速度法
图4 雪地轮胎不同试验方法使用的车辆
2. 4 测试原理
（1）牵引力法。通过逐步增大测试轮轴上的驱动力矩，同时在车辆的非测试轮轴上施加制动力矩，使车辆保持匀速行驶，再根据定义好的滑移或时间范围（基准），通过测得的径向力和垂直负荷力决定驱动牵引力因数。推荐的测试车辆速度为8 km·h-1。
（2）制动法。采用装有ABS的试验车辆，用仪器测试轮胎在制动过程中的减速性能。试验时，试验车辆在规定的初始速度下直线行驶，然后紧急制动，使车辆四轮的ABS都动作并稳定减速，计算车辆速度为25～10 km·h-1的平均减速度。为减少测试偏差，采用试验轮胎与标准轮胎进行对比的试验方法。
（3）加速度法。使用具有ASR/TCS的商用车辆测量C3轮胎在直线加速过程中的雪地抓着性能。试验以规定的初始速度开始，施加油门启动牵引力控制系统，计算两个规定速度之间的平均加速度。轮胎的雪地性能通过试验轮胎的平均加速度与标准轮胎的平均加速度进行对比的试验方法获得。
2. 5 数据处理
ASTM F1805—2006 采用牵引力法，ISO18106：2016、ECE R117法规附录7及GB/T 33829—2017和GB/T 33830—2017 C1和C2轮胎均采用制动法或牵引力法，C3轮胎采用加速度法。这几种试验方法原理不同，因此试验数据处理也不同，各试验方法数据处理如下。
（1）牵引力法。SG用试验轮胎与标准轮胎在雪地路面上牵引力因数的比值来表示，计算公式如下：
SG＝Ta/Ra （1）
Ta＝（u1＋u2＋u3＋……＋un）/n （2）
式中，Ta为每组试验轮胎的牵引力因数平均值；Ra为根据不同试验轮胎排序方式所对应的标准轮胎牵引力因数的加权平均值；n为每组试验轮胎的有效测试次数；ui为每次测试的试验轮胎牵引力因数。
（2）制动法。SG用试验轮胎与标准轮胎在雪地路面上制动性能的比值来表示，计算公式如下：
SG＝A/WA （3）
式中，A为试验轮胎平均减速度的平均值，m·s-2；WA为标准轮胎平均减速度的加权平均值，m·s-2。试验轮胎与标准轮胎的对比试验均应在两个不同的工作日重复进行，试验结果取两次测试结果的平均值。有效试验数据需同时满足两个要求：标准轮胎两次连续制动试验的稳定因数（k）不应大于5%，且任何一组标准轮胎或试验轮胎制动试验的变异因数（C. V.）不应大于6%。
（3）加速度法。SG用试验轮胎与标准轮胎在雪地路面上加速力因数的比值来表示，计算公式如下：
SG＝AFC（T）/AFC（R） （4）
式中，AFC（T）为标准轮胎的加速力因数，为试验轮胎平均加速度的平均值与重力加速度（g）的比值；AFC（R）为试验轮胎的加速力因数，为试验轮胎对应的标准轮胎平均加速度的加权平均值与g的比值。
有效试验数据需同时满足以下要求：标准轮胎两次连续制动试验的k不应大于5%；任何一组标准轮胎或试验轮胎制动试验的C.V.不应大于6%；期间轮胎平均滑移率应为10%～40%，每次试验运行左右驱动轮之间的平均滑移率的差异不应超过8%。
 
三、结语 
通过雪地抓着性能测试得出轮胎SG，可以直观对比不同轮胎在冰雪路面上的抓着性能。ASTMF1805—2006、ISO 18106：2016、ECE R117法规附录7及GB/T 33829—2017和GB/T 33830—2017对于雪地轮胎抓着性能的试验原理和测试条件各有不同。GB/T 33829—2017和GB/T 33830—2017对试验场的长度和宽度以及试验过程中的风速等提出要求，从而利于试验的完成和试验数据的稳定性，此外还结合我国实际气候情况，确定了相应的试验温度区间，并要求使用国产标准轮胎，这样不仅可以解决国外标准轮胎进口周期较长的问题，对国产标准轮胎的研发也起到促进作用。
由于雪地轮胎测试受到多方面因素的影响，在标准要求范围内，不同试验条件、不同试验场之间的试验结果对比及相关性是一个重要的研究课题，还需要进行大量的验证试验。全国轮标委将继续加大不同试验条件和不同试验场之间雪地轮胎测试的比对，为我国雪地轮胎研发及认证测试提供指导。我国将尽快推出雪地轮胎抓着指数要求，为轮胎抗湿滑性能、滚动阻力、噪声限值和分级以及标签标准的发布和实施打好基础。
 
本文来自期刊《橡胶工业》
作者：牟守勇
整理编辑：Zoe 
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