胎面基部膠厚度對(duì)輪胎性能的影響

孫曉峰，張凱凱，王龍慶，李慧敏，李 帥

（青島森麒麟輪胎股份有限公司，山東 青島 266229）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，汽車(chē)行業(yè)迅速發(fā)展，輪胎作為汽車(chē)與地面接觸的唯一零部件，對(duì)汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性有關(guān)鍵影響，輪胎與懸架相互耦合作用，支配著整個(gè)車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)逐漸激烈，主機(jī)廠也對(duì)輪胎的性能提出了更高的要求。輪胎基本部件有7個(gè)，而且輪胎結(jié)構(gòu)也在工程師的探索中逐漸固定，因此進(jìn)一步細(xì)致地研究輪胎結(jié)構(gòu)對(duì)輪胎性能的影響已是趨勢(shì)。車(chē)輛通過(guò)輪胎與地面接觸，輪胎通過(guò)胎面與地面接觸，因此胎面部位的結(jié)構(gòu)對(duì)輪胎性能的影響至關(guān)重要。

胎面主要由胎冠膠、基部膠和翼膠組成。胎面需要提供驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向必需的抓著力或牽引力，是與地面直接接觸的部分，基部膠位于胎面膠底部，可以用于改善滾動(dòng)阻力，也可以進(jìn)行平順性、噪聲和操縱性能的精細(xì)化調(diào)整[1-2]。本工作通過(guò)控制胎面擠出過(guò)程，調(diào)整基部膠厚度占胎面總厚度的比例（以下簡(jiǎn)稱基部膠厚度占比），研究基部膠厚度占比對(duì)輪胎性能的影響，以期為改進(jìn)輪胎胎面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高輪胎性能提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

高速耐久試驗(yàn)機(jī)和TMT-2 PCR型輪胎綜合試驗(yàn)機(jī)，汕頭市浩大輪胎測(cè)試裝備有限公司產(chǎn)品；輪胎高速均勻性和滾動(dòng)阻力試驗(yàn)機(jī)，德國(guó)采埃孚集團(tuán)公司產(chǎn)品；MTS Flat-Trac CT Plus型六分力試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)MTS系統(tǒng)公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

胎面結(jié)構(gòu)如圖1所示，H為胎面總厚度，h為基部膠厚度。

保持胎面總厚度相同，基部膠厚度占比分別為20%，35%和50%，3個(gè)方案編號(hào)為方案一、二、三。其余擠出參數(shù)保持一致。

選取225/55R17 101/XL W規(guī)格輪胎進(jìn)行安全性、操縱性能和舒適性的相關(guān)試驗(yàn)，輪胎最大充氣壓力為340 kPa，最大單胎負(fù)荷為825 kg。驗(yàn)證過(guò)程只更換胎面，其余部件相同。

2 結(jié)果與討論

2.1 安全性試驗(yàn)

輪胎傾角高速試驗(yàn)條件和結(jié)果分別如表1和2所示[3]。

表1 輪胎傾角高速試驗(yàn)條件

從表2可以看出，隨著基部膠厚度占比的增大，傾角高速試驗(yàn)時(shí)間呈現(xiàn)先縮短后延長(zhǎng)的趨勢(shì)。整體分析，基部膠厚度占比增大，傾角高速試驗(yàn)結(jié)果變差。

表2 輪胎傾角高速試驗(yàn)結(jié)果

低充氣壓力耐久性試驗(yàn)條件和結(jié)果分別如表3和4所示。

表3 輪胎低充氣壓力耐久性試驗(yàn)條件

從表4可以看出，隨著基部膠厚度占比的增大，低充氣壓力耐久性試驗(yàn)時(shí)間呈現(xiàn)先延長(zhǎng)后縮短的趨勢(shì)。整體分析，基部膠厚度占比增大，低充氣壓力耐久性試驗(yàn)結(jié)果變好，與傾角高速試驗(yàn)結(jié)果恰好相反。

表4 輪胎低充氣壓力耐久性試驗(yàn)結(jié)果

2.2 剛性和印痕試驗(yàn)

參考GB/T 23663—2009，分別進(jìn)行80%，100%和120%負(fù)荷率下的輪胎剛性試驗(yàn)[4]。100%負(fù)荷率下輪胎剛性試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

從表5可以看出，不同剛性隨基部膠厚度占比的變化趨勢(shì)是不一樣的，徑向剛性、橫向剛性和扭轉(zhuǎn)剛性隨著基部膠厚度占比的增大，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，基部膠厚度占比為35%時(shí)達(dá)到極大值；而縱向剛性和包絡(luò)剛性隨著基部膠厚度占比的增大而呈現(xiàn)近似線性增大的趨勢(shì)。另外，進(jìn)一步比較剛性的變化幅度，基部膠厚度占比對(duì)橫向剛性的影響最大，對(duì)徑向剛性的影響最小。

表5 100%負(fù)荷率下輪胎剛性試驗(yàn)結(jié)果

在250 kPa充氣壓力、100%負(fù)荷率下進(jìn)行輪胎印痕試驗(yàn)，印痕關(guān)鍵參數(shù)如表6所示。

從表6可以看出，4個(gè)指標(biāo)均隨基部膠厚度占比的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)?；磕z厚度占比增大到50%時(shí)，接地面積大幅增大，而且接地長(zhǎng)度比值增大，印痕形狀更接近長(zhǎng)橢圓形；接地系數(shù)增大，說(shuō)明中間接地長(zhǎng)度增大更為明顯，接地長(zhǎng)度和接地面積增大可以提高輪胎的抓著性能和乘坐舒適性[5]。

表6 100%負(fù)荷率下輪胎印痕的關(guān)鍵參數(shù)

2.3 動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)

通過(guò)高速均勻性試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，障礙物（cleat條）尺寸選用20 mm×20 mm，負(fù)荷選用最大單胎負(fù)荷的80%，測(cè)試速度為60 km·h-1。輪胎過(guò)cleat條后徑向力和縱向力的變化曲線分別如圖2和3所示，第1，2，3波峰、波谷的數(shù)值如表7所示，第1，2，3波峰、波谷的差值，即波動(dòng)幅度如表8所示，第1，2，3波峰依次相減的數(shù)值如表9所示，其代表了衰減速度。

表7 第1，2，3波峰、波谷的數(shù)值 N

表8 第1，2，3波峰、波谷的差值 N

表9 第1，2，3波峰依次相減的數(shù)值 N

徑向力結(jié)果表明，隨著基部膠厚度占比的增大，初始徑向沖擊力（波動(dòng)1）呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，基部膠厚度占比為50%時(shí)，初始徑向沖擊力最小，基部膠厚度占比為35%時(shí)，徑向沖擊力衰減 最慢。

縱向力結(jié)果表明，隨著基部膠厚度占比的增大，初始縱向沖擊力（波動(dòng)1）呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，基部膠厚度占比為35%時(shí)，初始縱向沖擊力最小，縱向力衰減最慢。

總體來(lái)看，基部膠厚度占比增大會(huì)減小徑向和縱向沖擊力，有利于降低過(guò)坎的沖擊感，綜合考慮初始徑向和縱向沖擊力，基部膠厚度占比為35%時(shí)，乘坐舒適性有所改善，繼續(xù)增大基部膠厚度占比，雖然初始縱向沖擊力增大，但初始徑向沖擊力會(huì)進(jìn)一步減小，而且徑向力和縱向力衰減加快，整體乘坐舒適性得到提高。

2.4 六分力試驗(yàn)

在250 kPa充氣壓力、80%負(fù)荷率下進(jìn)行純側(cè)偏和純縱滑試驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理[6]。對(duì)2°側(cè)偏角下的側(cè)向力相對(duì)值（相對(duì)于負(fù)荷，后同）和2%滑移率下的縱向力相對(duì)值分別進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表10所示。

表10 2°側(cè)偏角下的側(cè)向力相對(duì)值和2%滑移率下的縱向力相對(duì)值

從表10可以看出，隨著基部膠厚度占比的增大，側(cè)向力逐漸增大，然后趨近飽和，縱向力則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，適當(dāng)增大基部膠厚度占比可以增大輪胎側(cè)向力，提高車(chē)輛操縱性能，基部膠厚度占比為35%時(shí)，縱向力比較大，有利于提高車(chē)輛制動(dòng)性能。

2.5 滾動(dòng)阻力試驗(yàn)

按照ISO 28580：2018進(jìn)行滾動(dòng)阻力試驗(yàn)[7-10]，充氣壓力為250 kPa。方案一、二、三輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)分別為6.56，6.41和6.40 N·kN-1。可以看出，隨著基部膠厚度占比的增大，滾動(dòng)阻力系數(shù)減小，基部膠厚度占比達(dá)到35%后變化趨勢(shì)漸緩?？傮w來(lái)說(shuō)，基部膠厚度占比對(duì)滾動(dòng)阻力性能有比較大的影響，提高基部膠厚度占比可以減小輪胎滾動(dòng)阻力，提高車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié)論

通過(guò)控制胎面擠出過(guò)程，調(diào)整基部膠厚度占比，研究基部膠厚度占比對(duì)輪胎性能的影響，可以得出以下結(jié)論。

（1）安全性能：基部膠厚度占比增大，輪胎傾角高速性能有所下降，低充氣壓力耐久性能有所提高；基部膠厚度占比為35%時(shí)，傾角高速性能最差，耐久性能最好。

（2）剛性和印痕：基部膠厚度占比對(duì)橫向剛性影響最大，對(duì)徑向剛性影響最?。浑S基部膠厚度占比增大，接地長(zhǎng)度和接地面積均增大，可以提高輪胎的抓著性能和乘坐舒適性。

（3）動(dòng)態(tài)沖擊性能：基部膠厚度占比增大，過(guò)cleat條初始徑向沖擊力減小，基部膠厚度占比為50%時(shí)，縱向沖擊阻尼明顯增大，振動(dòng)衰減加快，整體乘坐舒適性有所提高。

（4）六分力：適當(dāng)增大基部膠厚度占比可以增大輪胎側(cè)向力，提高車(chē)輛操縱性能，基部膠厚度占比為35%時(shí)，縱向力比較大，有利于提高車(chē)輛制動(dòng)性能。

（5）滾動(dòng)阻力：基部膠厚度占比對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力有比較大的影響，增大基部膠厚度占比可以減小滾動(dòng)阻力系數(shù)，提高車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。

整體分析，適當(dāng)增大基部膠厚度占比可以提高輪胎耐久性能，減小輪胎過(guò)坎沖擊力，提高乘坐舒適性，增大側(cè)向力，提高操縱性能，增大縱向力和接地面積，提高抓著性能和制動(dòng)性能，并且降低滾動(dòng)阻力系數(shù)，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。