有關(guān)《GB9743轎車輪胎》中的強度試驗（plunger test）修改問題引起討論，在標(biāo)準(zhǔn)討論中筆者收集了強度試驗的發(fā)展歷史，一個歷史脈絡(luò)就是輪胎強度試驗與有害路面撞擊（road hazard impact）一直是緊密相關(guān)的，強度評價就是為了應(yīng)對路面撞擊而來的。



一、什么是有害路面撞擊？

汽車行駛中通過道路上的凹坑、障礙物（路緣石、減速帶）產(chǎn)生的撞擊會損壞 輪胎、車輪，這就是有害路面撞擊。60年前有現(xiàn)在也依然會時不時出現(xiàn)在道路上。


圖1 有害路面圖示

二、什么是輪胎強度評價？

輪胎強度是評價受到外力時輪胎結(jié)構(gòu)是否會被破壞，以及破壞的外力、能量邊界條件。輪胎結(jié)構(gòu)破壞是特指胎體、冠帶、帶束層簾線斷裂破壞，并由此導(dǎo)致的漏氣、鼓包等問題。尖銳異物刺穿輪胎導(dǎo)致的漏氣問題要與輪胎結(jié)構(gòu)破壞區(qū)分開。有害道路撞擊造成的輪胎結(jié)構(gòu)破損是無法進行修補的，輪胎結(jié)構(gòu)受到破壞就不要繼續(xù)使用了。尖銳異物穿刺投訴無法通過輪胎強度改善來解決，反之亦然。

三、有害路面撞擊對子午線輪胎和斜交輪胎造成的損傷模式對比

以斜交輪胎為主的時代，有害路面撞擊主要造成的是胎冠的損傷；子午線輪胎主要是胎側(cè)鼓包和車輪損傷。我國胎側(cè)鼓包問題近年來突出與低扁平比子午線輪胎大規(guī)模進入市場大致吻合。

有害路面撞擊對于斜交和子午線輪胎造成的損傷模式不同主要源于兩種輪胎結(jié)構(gòu)、材料不同。下圖3(a)所示，斜交輪胎胎體是一個一元結(jié)構(gòu)：整體性強，胎側(cè)剛性大且不易彎曲，當(dāng)輪胎受到外力的時各結(jié)構(gòu)部件之間不會單獨響應(yīng)。下圖 3(b)所示，子午胎的胎體結(jié)構(gòu)設(shè)計可以簡化為一個二元結(jié)構(gòu)：剛性大堅固的胎冠，覆蓋在一個類似于空氣彈簧的柔軟的輪胎，胎體彈性大而胎側(cè)易變形，從而更多吸收路面沖擊，且受到外力的時候提供獨特的輪胎動力學(xué)特性。


圖3(a)斜交胎設(shè)計示意vs圖3(b)子午胎設(shè)計示意

根據(jù)斜交輪胎和子午線輪胎的結(jié)構(gòu)特性，子午線胎胎側(cè)易變形，當(dāng)遇到撞擊時胎冠來不及積累達到結(jié)構(gòu)損傷能量前，車輛懸架、輪輞、胎側(cè)鼓包等損傷已經(jīng)先于胎冠結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生了。強度試驗是一個19毫米地柱塞垂直擠壓胎冠來模擬輪胎撞擊路面小型障礙物（如石頭）時的受力過程，圖4所示的是185/60R15 88T規(guī)格輪胎進行強度試驗時同步進行的CT影像。


圖4 輪胎強度試驗過程中的CT掃描影像

美國阿克倫大學(xué)的教授 Joseph D.Walter 發(fā)表的《輪胎柱塞強度和脫圈性能的觀察》論文中也提供了詳細(xì)分析，提到了斜交輪胎的簾布層形成的是菱形（縮放）結(jié)構(gòu)，而子午線輪胎帶束層加上胎體簾布層形成了三角形結(jié)構(gòu)，圖5是這兩種結(jié)構(gòu)在面對載荷時所表現(xiàn)出來的形變情況。


圖5 菱形結(jié)構(gòu)與三角形結(jié)構(gòu)的形變差異

由于斜交輪胎一元結(jié)構(gòu)和子午線輪胎二元結(jié)構(gòu)的差異，兩種輪胎在道路有害物路面撞擊中的損傷表現(xiàn)模式不同。中國已經(jīng)完成了從斜交胎到子午線胎的換代，我們需要應(yīng)對子午線輪胎，尤其是低扁平比子午線輪胎的輪胎強度損傷模式，而不是沿襲斜交輪胎的強度評價。

四、有害路面撞擊損傷的評價方法

1.斜交輪胎有害路面撞擊評價：

SAE在1965年首先發(fā)布了SAEJ918《乘用車輪胎性能要求及測試程序》，制定了輪胎強度的測試方法，以及針對斜交輪胎人造纖維、尼龍或聚酯材料的最小破壞能評價指標(biāo)。

1）評價標(biāo)準(zhǔn)在制定的一開始就是根據(jù)結(jié)構(gòu)中的材料種類定制的。

2）評價標(biāo)準(zhǔn)也對子午線輪胎規(guī)定了最小強度限制，然而美國1970年才開始出現(xiàn)原配子午線輪胎，1965年道路上沒有原配子午線輪胎的車輛，顯然限值的研究沒有以子午線輪胎的實際問題為依據(jù)。

2.子午線輪胎有害路面撞擊：

90年代子午線輪胎在美國的普及率將近90%，SAE發(fā)現(xiàn)有害道路撞擊的失效模式完全不同于此前的斜交輪胎損傷的模式：子午線輪胎撞擊中都是胎側(cè)、輪輞損傷，于是SAE在1994年發(fā)布了SAEJ1981《輪胎及車輪組合體的道路有損撞擊》規(guī)程，試圖引入擺錘撞擊模擬輪胎+輪輞總成受損的模式。在USTMA2020年2月給NHTSA的回函中是這樣表述的：“2000年（行業(yè)）就意識到子午線輪胎不易受到強度試驗針對的那些損害模式的影響，汽車廠也發(fā)現(xiàn)子午線胎胎側(cè)較“軟”，撞擊凹坑時往往是懸架、輪輞受損或胎側(cè)鼓包。”

但是擺錘撞擊未得到輪胎及汽車行業(yè)的普遍認(rèn)可。擺錘撞擊主要是評定車輪總成遇到有害路面撞擊受損，用來單獨評價輪胎強度需要進一步的修訂和驗證。

德國汽車工業(yè)協(xié)會（VDA）與橡膠行業(yè)協(xié)會（WDK）在SAEJ1981的基礎(chǔ)上進行了擺錘撞擊與實車撞擊的相關(guān)性研究，發(fā)現(xiàn)了實車撞擊與擺錘撞擊測量的沖擊能量結(jié)果之間沒有相關(guān)性，但是WDK湊出了一個無量綱的f值與實車撞擊速度呈現(xiàn)出了一定的相關(guān)性，研究成果以VDA11-2016技術(shù)指導(dǎo)文件的形式進行了發(fā)布。

需要指出f因子評價基礎(chǔ)是其與整車撞擊速度的有一定的相關(guān)性，如果否定這種相關(guān)性f因子就沒有了生命力。同時VDA-11方法中f值評價目的是針對特定車型整車開發(fā)中胎側(cè)強度的設(shè)計參考，而不是脫離開特定車型的輪胎的一般性強度評價指標(biāo)。我們發(fā)現(xiàn)不論是SAE的方法或是VDA的f值都無法脫離獨立于特定車型參數(shù)（車輪組合體強度、懸架剛度、載重等整車參數(shù)）而成為子午線輪胎強度的一般性評價方法。為了驗證這個發(fā)現(xiàn)和收集證據(jù)，國內(nèi)企業(yè)在國家輪胎檢測中心開展了驗證工作，通過兩輪兩種車輛平臺上和不同障礙物高度上對輪胎實車撞擊試驗和擺錘撞擊實驗的比對試驗觀察發(fā)現(xiàn)：

1.對于單一車輛，其室內(nèi)擺錘撞擊實驗的測試結(jié)果f值以及斷面高度與實車撞擊速度v值之間有相關(guān)性，但是并不穩(wěn)定。F因子的變化在一個寬泛的范圍時撞擊速度可能不變，反之亦然（圖8）。

2.F低于《GBT38528-2020轎車輪胎.耐撞擊性能評價》“限值”的輪胎規(guī)格反而在實車撞擊車速高的例子比比皆是（表1），如果這樣篩選OE輪胎到底會有多少好產(chǎn)品“被出局”，而實車測試不耐撞的輪胎可以借助標(biāo)準(zhǔn)的名義“被合格”？細(xì)思極恐。


圖8 高爾夫7和君威的比對驗證結(jié)果（紅色是高爾夫7，藍色點是君威）


表1 部分規(guī)格擺錘試驗f值與實車障礙物撞擊速度

3.同一個f值的輪胎在不同車型的實車耐撞擊速度不一樣，在測試的高爾夫和君威上速度比近似于兩種車輛的整備質(zhì)量比。

4.不同障礙物高度的耐撞擊速度可能成指數(shù)關(guān)系,這樣選擇不同的障礙物高度對于結(jié)果影響是指數(shù)級的。（圖9）

市場上對于胎側(cè)鼓包問題的投訴都是抱怨自己加車中即使撞擊凹坑的速度不高，或者想開上一個路肩，于是輪胎就鼓包了，造成損壞。根據(jù)兩輪試驗結(jié)果觀察，因車型、障礙物不同而分別不同情況不同條件設(shè)定不同的輪胎評價限值（實車撞擊速度，或者是f因子）, 更進一步在同一輛車上再根據(jù)選配的輪胎高寬比不同而設(shè)定不同評價限值（實車撞擊速度，或者是f因子）要求，這樣操作無法有效回應(yīng)消費者的投訴，也不符合VDA、SAE按照與實車撞擊速度相關(guān)性而設(shè)定擺錘發(fā)因子的初衷，歸根到底以F因子或特定車型撞擊結(jié)果作為一個輪胎強度普遍的評價標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)階段還是不可行。


圖9 君威撞擊80mm和100mm障礙物高度的比對驗證結(jié)果
( 紅色是100mm，藍色點是80mm）

這是一個令人失望的結(jié)論，迄今為止沒有一種適合于評價子午線輪胎強度的方法。

現(xiàn)有的強度試驗只適合斜交輪胎，子午線輪胎是否通過柱塞強度對于它在撞擊中胎側(cè)、輪轂、懸架出現(xiàn)損傷的情況沒有評價的價值，柱塞強度試驗結(jié)果不能評價子午線輪胎有害路面撞擊中的輪胎強度性能，因此保留現(xiàn)有柱塞強度試驗方法不論有沒有其他方法帶代替，都已經(jīng)對子午線輪胎強度問題沒有意義，不能因為沒有替代試驗就保留沒有價值的胎冠柱塞試驗。新近發(fā)布的國推標(biāo)引用VDA-11的實驗方法和F因子概念，但是擺脫F因子與整車撞擊速度的相關(guān)性，擴VDA-11中f因子使之脫離了整車參數(shù)以及實際道路障礙物的設(shè)定對輪胎進行單方面的性能評價，經(jīng)過上述試驗初步明確了這種擴大評價缺乏必要的理論依據(jù)，而且實踐中對于強度評價和指導(dǎo)整車選用輪胎缺乏實際意義。

五、對于輪胎強度評價，對于有害路面撞擊中受害的消費者，我們還能做什么？

1.誠實告知消費者子午線輪胎，尤其是低扁平比輪胎在凹坑、路緣石等有害撞擊中容易受損，而且是結(jié)構(gòu)特點決定的。

2.輪胎斷面高度越低，耐撞擊能力越差，對于越野車等需要應(yīng)對較差路況的車輛，從設(shè)計選型和用戶要求兩個方面合理選擇適當(dāng)規(guī)格的輪胎，避免為了美觀而把低扁平比適用于高性能場地跑車的輪胎放到越野車型上。

3.在輪胎市場上宣傳和普及胎側(cè)鼓包的判定經(jīng)驗和更換要求，不讓可感知鼓包輪胎成為安全隱患。

子午線輪胎結(jié)構(gòu)上的特點造成胎冠相對強度大、剛度大而胎側(cè)弱、剛度低，低扁平化趨勢一定會加劇胎側(cè)鼓包問題。大力宣傳子午線輪胎使用禁忌，讓消費者掌握應(yīng)對“有害道路沖擊”的方法，而不是延續(xù)沒有意義舊的輪胎強度評價，或者引入原理上尚且存在爭議的新的強度因子來應(yīng)對矛盾。尤其是貿(mào)然引入胎側(cè)強度限值的作用有可能把高性能、低斷面的子午化趨勢人為按下“暫停鍵”。

希望我們的初步研究結(jié)果對于消費者、行業(yè)面臨的實際問題，對于進一步探討現(xiàn)有輪胎強度試驗去留，對于能否應(yīng)用擺錘試驗和f因子同時避免對子午線輪胎發(fā)揮動力學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計上的優(yōu)勢起到一些積極作用。