轮胎强度问题和评价方法漫谈

有关《GB9743轿车轮胎》中的强度试验（plunger test）修改问题引起讨论，在标准讨论中笔者收集了强度试验的发展历史，一个历史脉络就是轮胎强度试验与有害路面撞击（road hazard impact）一直是紧密相关的，强度评价就是为了应对路面撞击而来的。



一、什么是有害路面撞击？

汽车行驶中通过道路上的凹坑、障碍物（路缘石、减速带）产生的撞击会损坏 轮胎、车轮，这就是有害路面撞击。60年前有现在也依然会时不时出现在道路上。


图1 有害路面图示

二、什么是轮胎强度评价？

轮胎强度是评价受到外力时轮胎结构是否会被破坏，以及破坏的外力、能量边界条件。轮胎结构破坏是特指胎体、冠带、带束层帘线断裂破坏，并由此导致的漏气、鼓包等问题。尖锐异物刺穿轮胎导致的漏气问题要与轮胎结构破坏区分开。有害道路撞击造成的轮胎结构破损是无法进行修补的，轮胎结构受到破坏就不要继续使用了。尖锐异物穿刺投诉无法通过轮胎强度改善来解决，反之亦然。

三、有害路面撞击对子午线轮胎和斜交轮胎造成的损伤模式对比

以斜交轮胎为主的时代，有害路面撞击主要造成的是胎冠的损伤；子午线轮胎主要是胎侧鼓包和车轮损伤。我国胎侧鼓包问题近年来突出与低扁平比子午线轮胎大规模进入市场大致吻合。

有害路面撞击对于斜交和子午线轮胎造成的损伤模式不同主要源于两种轮胎结构、材料不同。下图3(a)所示，斜交轮胎胎体是一个一元结构：整体性强，胎侧刚性大且不易弯曲，当轮胎受到外力的时各结构部件之间不会单独响应。下图 3(b)所示，子午胎的胎体结构设计可以简化为一个二元结构：刚性大坚固的胎冠，覆盖在一个类似于空气弹簧的柔软的轮胎，胎体弹性大而胎侧易变形，从而更多吸收路面冲击，且受到外力的时候提供独特的轮胎动力学特性。


图3(a)斜交胎设计示意vs图3(b)子午胎设计示意

根据斜交轮胎和子午线轮胎的结构特性，子午线胎胎侧易变形，当遇到撞击时胎冠来不及积累达到结构损伤能量前，车辆悬架、轮辋、胎侧鼓包等损伤已经先于胎冠结构损伤发生了。强度试验是一个19毫米地柱塞垂直挤压胎冠来模拟轮胎撞击路面小型障碍物（如石头）时的受力过程，图4所示的是185/60R15 88T规格轮胎进行强度试验时同步进行的CT影像。


图4 轮胎强度试验过程中的CT扫描影像

美国阿克伦大学的教授 Joseph D.Walter 发表的《轮胎柱塞强度和脱圈性能的观察》论文中也提供了详细分析，提到了斜交轮胎的帘布层形成的是菱形（缩放）结构，而子午线轮胎带束层加上胎体帘布层形成了三角形结构，图5是这两种结构在面对载荷时所表现出来的形变情况。


图5 菱形结构与三角形结构的形变差异

由于斜交轮胎一元结构和子午线轮胎二元结构的差异，两种轮胎在道路有害物路面撞击中的损伤表现模式不同。中国已经完成了从斜交胎到子午线胎的换代，我们需要应对子午线轮胎，尤其是低扁平比子午线轮胎的轮胎强度损伤模式，而不是沿袭斜交轮胎的强度评价。

四、有害路面撞击损伤的评价方法

1.斜交轮胎有害路面撞击评价：

SAE在1965年首先发布了SAEJ918《乘用车轮胎性能要求及测试程序》，制定了轮胎强度的测试方法，以及针对斜交轮胎人造纤维、尼龙或聚酯材料的最小破坏能评价指标。

1）评价标准在制定的一开始就是根据结构中的材料种类定制的。

2）评价标准也对子午线轮胎规定了最小强度限制，然而美国1970年才开始出现原配子午线轮胎，1965年道路上没有原配子午线轮胎的车辆，显然限值的研究没有以子午线轮胎的实际问题为依据。

2.子午线轮胎有害路面撞击：

90年代子午线轮胎在美国的普及率将近90%，SAE发现有害道路撞击的失效模式完全不同于此前的斜交轮胎损伤的模式：子午线轮胎撞击中都是胎侧、轮辋损伤，于是SAE在1994年发布了SAEJ1981《轮胎及车轮组合体的道路有损撞击》规程，试图引入摆锤撞击模拟轮胎+轮辋总成受损的模式。在USTMA2020年2月给NHTSA的回函中是这样表述的：“2000年（行业）就意识到子午线轮胎不易受到强度试验针对的那些损害模式的影响，汽车厂也发现子午线胎胎侧较“软”，撞击凹坑时往往是悬架、轮辋受损或胎侧鼓包。”

但是摆锤撞击未得到轮胎及汽车行业的普遍认可。摆锤撞击主要是评定车轮总成遇到有害路面撞击受损，用来单独评价轮胎强度需要进一步的修订和验证。

德国汽车工业协会（VDA）与橡胶行业协会（WDK）在SAEJ1981的基础上进行了摆锤撞击与实车撞击的相关性研究，发现了实车撞击与摆锤撞击测量的冲击能量结果之间没有相关性，但是WDK凑出了一个无量纲的f值与实车撞击速度呈现出了一定的相关性，研究成果以VDA11-2016技术指导文件的形式进行了发布。

需要指出f因子评价基础是其与整车撞击速度的有一定的相关性，如果否定这种相关性f因子就没有了生命力。同时VDA-11方法中f值评价目的是针对特定车型整车开发中胎侧强度的设计参考，而不是脱离开特定车型的轮胎的一般性强度评价指标。我们发现不论是SAE的方法或是VDA的f值都无法脱离独立于特定车型参数（车轮组合体强度、悬架刚度、载重等整车参数）而成为子午线轮胎强度的一般性评价方法。为了验证这个发现和收集证据，国内企业在国家轮胎检测中心开展了验证工作，通过两轮两种车辆平台上和不同障碍物高度上对轮胎实车撞击试验和摆锤撞击实验的比对试验观察发现：

1.对于单一车辆，其室内摆锤撞击实验的测试结果f值以及断面高度与实车撞击速度v值之间有相关性，但是并不稳定。F因子的变化在一个宽泛的范围时撞击速度可能不变，反之亦然（图8）。

2.F低于《GBT38528-2020轿车轮胎.耐撞击性能评价》“限值”的轮胎规格反而在实车撞击车速高的例子比比皆是（表1），如果这样筛选OE轮胎到底会有多少好产品“被出局”，而实车测试不耐撞的轮胎可以借助标准的名义“被合格”？细思极恐。


图8 高尔夫7和君威的比对验证结果（红色是高尔夫7，蓝色点是君威）


表1 部分规格摆锤试验f值与实车障碍物撞击速度

3.同一个f值的轮胎在不同车型的实车耐撞击速度不一样，在测试的高尔夫和君威上速度比近似于两种车辆的整备质量比。

4.不同障碍物高度的耐撞击速度可能成指数关系,这样选择不同的障碍物高度对于结果影响是指数级的。（图9）

市场上对于胎侧鼓包问题的投诉都是抱怨自己加车中即使撞击凹坑的速度不高，或者想开上一个路肩，于是轮胎就鼓包了，造成损坏。根据两轮试验结果观察，因车型、障碍物不同而分别不同情况不同条件设定不同的轮胎评价限值（实车撞击速度，或者是f因子）, 更进一步在同一辆车上再根据选配的轮胎高宽比不同而设定不同评价限值（实车撞击速度，或者是f因子）要求，这样操作无法有效回应消费者的投诉，也不符合VDA、SAE按照与实车撞击速度相关性而设定摆锤发因子的初衷，归根到底以F因子或特定车型撞击结果作为一个轮胎强度普遍的评价标准现阶段还是不可行。


图9 君威撞击80mm和100mm障碍物高度的比对验证结果
( 红色是100mm，蓝色点是80mm）

这是一个令人失望的结论，迄今为止没有一种适合于评价子午线轮胎强度的方法。

现有的强度试验只适合斜交轮胎，子午线轮胎是否通过柱塞强度对于它在撞击中胎侧、轮毂、悬架出现损伤的情况没有评价的价值，柱塞强度试验结果不能评价子午线轮胎有害路面撞击中的轮胎强度性能，因此保留现有柱塞强度试验方法不论有没有其他方法带代替，都已经对子午线轮胎强度问题没有意义，不能因为没有替代试验就保留没有价值的胎冠柱塞试验。新近发布的国推标引用VDA-11的实验方法和F因子概念，但是摆脱F因子与整车撞击速度的相关性，扩VDA-11中f因子使之脱离了整车参数以及实际道路障碍物的设定对轮胎进行单方面的性能评价，经过上述试验初步明确了这种扩大评价缺乏必要的理论依据，而且实践中对于强度评价和指导整车选用轮胎缺乏实际意义。

五、对于轮胎强度评价，对于有害路面撞击中受害的消费者，我们还能做什么？

1.诚实告知消费者子午线轮胎，尤其是低扁平比轮胎在凹坑、路缘石等有害撞击中容易受损，而且是结构特点决定的。

2.轮胎断面高度越低，耐撞击能力越差，对于越野车等需要应对较差路况的车辆，从设计选型和用户要求两个方面合理选择适当规格的轮胎，避免为了美观而把低扁平比适用于高性能场地跑车的轮胎放到越野车型上。

3.在轮胎市场上宣传和普及胎侧鼓包的判定经验和更换要求，不让可感知鼓包轮胎成为安全隐患。

子午线轮胎结构上的特点造成胎冠相对强度大、刚度大而胎侧弱、刚度低，低扁平化趋势一定会加剧胎侧鼓包问题。大力宣传子午线轮胎使用禁忌，让消费者掌握应对“有害道路冲击”的方法，而不是延续没有意义旧的轮胎强度评价，或者引入原理上尚且存在争议的新的强度因子来应对矛盾。尤其是贸然引入胎侧强度限值的作用有可能把高性能、低断面的子午化趋势人为按下“暂停键”。

希望我们的初步研究结果对于消费者、行业面临的实际问题，对于进一步探讨现有轮胎强度试验去留，对于能否应用摆锤试验和f因子同时避免对子午线轮胎发挥动力学、结构设计上的优势起到一些积极作用。