12R22.5規(guī)格載重子午線輪胎接地印痕和壓力分布優(yōu)化改進(jìn)

崔魯欣，謝東健，張浩銀

(1.青島科技大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266061；2.青島格銳達(dá)橡膠有限公司，山東 青島 266061；3.固鉑輪胎橡膠公司亞太技術(shù)中心，江蘇 昆山 215331)

輪胎的接地印痕形狀和壓力分布影響輪胎的胎面磨耗和滾動(dòng)阻力等性能，綜合提升輪胎的接地印痕和壓力分布對(duì)輪胎的使用壽命至關(guān)重要。

輪胎的接地印痕形狀和壓力分布與輪胎的輪廓設(shè)計(jì)、帶束層結(jié)構(gòu)、胎冠弧結(jié)構(gòu)、材料厚度分布、氣壓與負(fù)荷等因素有關(guān)。帶束層是載重子午線輪胎的主要受力部件，承受著60%～75%的輪胎內(nèi)壓應(yīng)力，在很大程度上決定著充氣輪胎的形狀以及輪胎各部位由內(nèi)壓引起的初始應(yīng)力。帶束層結(jié)構(gòu)主要是指它的層數(shù)、簾線排列的角度和密度、排列方式、帶束層的厚度、寬度和長(zhǎng)度以及所采用的簾線結(jié)構(gòu)與類型等。

本文通過改變帶束層寬度、胎面口型形狀及調(diào)整胎冠弧的方法，結(jié)合TireScan壓力分布測(cè)量系統(tǒng)，來優(yōu)化改進(jìn)輪胎的接地印痕形狀和壓力分布，進(jìn)而達(dá)到改善該輪胎使用性能的目的。

1 試驗(yàn)

1.1 主要試驗(yàn)設(shè)備

（1）輪胎綜合強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)，高鐵檢測(cè)儀器公司產(chǎn)品；

（2）TireScan壓力分布測(cè)量系統(tǒng)，美國(guó)Tekscan公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 方案一：胎面口型形狀調(diào)整

調(diào)整胎面口型形狀，適當(dāng)增加胎面肩部材料1～3 mm，減少胎面中心材料0.5～2 mm。

1.2.2 方案二：帶束層寬度調(diào)整

1#帶束層寬度增加6 mm，4#帶束層寬度增加6 mm，2#和3#帶束層寬度保持不變。

1.2.3 方案三：模具胎冠弧調(diào)整

在方案一胎面口型形狀和方案二帶束層寬度調(diào)整的基礎(chǔ)上，修改模具胎冠弧尺寸，行駛面寬度增加6 mm，行駛面弧度高減小2.5 mm。

1.3 測(cè)試方法

環(huán)境條件為：溫度18～36℃。實(shí)驗(yàn)條件和步驟依據(jù)GB/T 22038—2008《汽車輪胎靜態(tài)接地壓力分布試驗(yàn)方法》確定。

（1）將待測(cè)輪胎裝配后，充氣至單胎額定氣壓，充氣完畢后放置24 h后重新測(cè)量氣壓，若氣壓不足，需補(bǔ)足后進(jìn)行試驗(yàn)。

（2）對(duì)輪胎表面的排氣膠須、?？p膠邊進(jìn)行修剪，檢驗(yàn)輪胎表面是否有泥土、碎屑及其他污染物等，并進(jìn)行清理。將裝配充氣完畢的輪胎安裝到輪胎綜合強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)上。

（3）采用TireScan壓力分布測(cè)量系統(tǒng)，并按單胎額定負(fù)荷進(jìn)行試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 接地印痕和壓力分布相關(guān)參數(shù)規(guī)定

如圖1所示為12R22.5規(guī)格輪胎方案三的接地印痕形狀，X，Y和Z分別表示接地印痕縱向的參數(shù)，W表示接地印痕寬度方向的參數(shù)。接地印痕外形控制參數(shù)設(shè)計(jì)目標(biāo)值的確定根據(jù)輪胎的不同花紋形狀、輪胎的市場(chǎng)定位及公司產(chǎn)品試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累等綜合設(shè)定。

圖1 輪胎接地印痕外形控制參數(shù)的規(guī)定

如圖2所示為12R22.5規(guī)格輪胎方案三的接地壓力分布形狀，SH代表輪胎印痕在肩部的接地區(qū)域，C代表輪胎印痕在胎冠中心的接地區(qū)域，IMC代表輪胎印痕在肩部與胎冠中心之間的接地區(qū)域[1]。

圖2 輪胎接地壓力負(fù)荷分擔(dān)控制中的相關(guān)參數(shù)規(guī)定

2.2 接地印痕形狀和壓力分布

12R22.5規(guī)格輪胎接地印痕和壓力分布采用單胎額定充氣壓力和負(fù)荷進(jìn)行測(cè)試，所得接地印痕和壓力分布如圖3所示。

圖3 12R22.5規(guī)格接地印痕形狀和壓力分布圖

2.3 接地印痕測(cè)量數(shù)據(jù)分析

對(duì)各方案輪胎的接地印痕進(jìn)行測(cè)量和分析，所得接地印痕參數(shù)如表1和表2所示。

通過對(duì)接地印痕參數(shù)的分析，方案一的Y2′/X和Y1′/X值低于目標(biāo)值11.5%和13.4%，方案二的Y2′/X和Y1′/X在方案一的基礎(chǔ)上增加3.2%和9.7%，調(diào)整帶束層寬度能改善印痕形狀，但方案一和方案二還不能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求。

表1 12R22.5規(guī)格接地印痕測(cè)量數(shù)據(jù)匯總表 mm

表2 12R22.5規(guī)格印痕外形控制參數(shù)表 %

調(diào)整模具胎冠弧，方案三的 Y2′/X由84.7%調(diào)整到93.3%，增加8.6%； Y1′/X由89.3%調(diào)整到92.5%，增加3.2%。滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。結(jié)合圖3所示的接地印痕形狀，輪胎接地印痕形狀更接近于理想狀態(tài)。

2.4 壓力分布參數(shù)分析

對(duì)各方案輪胎的壓力分布進(jìn)行測(cè)量和分析，所得壓力分布參數(shù)如表3和表4所示。

表3 12R22.5規(guī)格壓力分布測(cè)量數(shù)據(jù)匯總表

表4 12R22.5規(guī)格壓力分布控制參數(shù)表

通過對(duì)壓力分布參數(shù)的分析，可以看出通過調(diào)整模具胎冠弧，方案三的肩部接地區(qū)域和肩部與胎冠中心之間的區(qū)域SH/IMC的負(fù)荷比為1.17，肩部接地區(qū)域和胎冠中心接地區(qū)域SH/C的負(fù)荷比為0.919 1，肩部與胎冠中心之間的區(qū)域和胎冠中心接地區(qū)域IMC/C的負(fù)荷比為0.785 6，同時(shí)結(jié)合圖3所示的壓力分布圖可以看出，輪胎接地壓力分布的梯度分配更合理，壓力分布更均勻。

3 輪胎結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整與輪胎使用性能的關(guān)系

輪胎作為車輛中唯一與地面接觸的部件，其接地印痕形狀和壓力分布直接影響汽車的牽引／制動(dòng)、輪胎與地面的接觸噪聲及輪胎的操縱、耐磨和滾動(dòng)阻力等重要性能，同時(shí)輪胎與地面的接觸壓力分布也直接影響輪胎的使用壽命[2]。

輪胎耐磨性（磨損）、滾動(dòng)阻力和抓地性能是輪胎的最主要性能，由于橡膠材料的低模量、高伸長(zhǎng)率的固有特性，這三個(gè)性能相互制約且矛盾突出，對(duì)三大重要性能中的1項(xiàng)或2項(xiàng)進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，往往會(huì)引起第3項(xiàng)性能的損失，因此三者的關(guān)系被稱為“魔鬼三角”。而這些性能均與輪胎在接地面內(nèi)的接地特性直接相關(guān)，利用接地印痕和壓力分布對(duì)輪胎的這些性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，是以輪胎性能為目標(biāo)對(duì)輪胎結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)。為了協(xié)調(diào)輪胎性能之間的矛盾，國(guó)內(nèi)外諸多專家學(xué)者從輪胎膠料配方、輪胎結(jié)構(gòu)及使用條件等方面進(jìn)行了深入的研究。

梁晨等[2～3]以385/65R22.5輪胎試驗(yàn)驗(yàn)證了接地形狀系數(shù)變化規(guī)律與三種胎的胎面磨損有很好的相關(guān)性。T1胎接地形狀系數(shù)最大（接地形狀為凹形），胎面磨損性能最差。胎面磨損嚴(yán)重且裂紋常常出現(xiàn)在花紋溝底。T3胎接地形狀系數(shù)最小（接地形狀為凸形），胎面磨損性能最好。

趙璠等[4]分析了隨著帶束層寬度和角度的增大，輪胎接地壓力分布更均勻，有利于改善輪胎的抓著性和舒適性。

劉連波等[5]研究了對(duì)于寬行駛面全鋼載重子午線輪胎，適當(dāng)增大帶束層的寬度，使最寬帶束層寬度與行駛面寬度的比值約為0.9，輪胎接地壓力分布明顯改善。成品輪胎外緣尺寸變化不大，耐久性能顯著提高。胎肩脫層現(xiàn)象減少。

載重子午線輪胎的帶束層寬度一般與胎面寬度相等。太窄會(huì)降低胎冠部位的剛性和穩(wěn)定性，還會(huì)造成磨肩現(xiàn)象。過寬又會(huì)造成帶束層脫層。根據(jù)大量實(shí)踐證明，帶束層寬度（BW）與行駛面寬度（b）之比為1.05以下，對(duì)保持輪胎使用的耐久性有利。但從防止胎肩異常磨損來看，BW/b在0.9以上為宜，因此兼顧上述兩項(xiàng)性能，取值范圍確定為0.94～1.05。最上層的保護(hù)層的寬度，應(yīng)為最寬層帶束層寬度的50%以上。若過渡層為兩條斷開的窄條，寬度約為最寬層的30%。

輪胎行駛面的形狀對(duì)胎面的耐磨性、牽引性、轉(zhuǎn)向性以及生熱等多項(xiàng)使用性能有直接的影響。隨著汽車工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展和公路狀況的改善，輪胎正向著增加輪胎行駛面寬度、降低輪胎行駛面弧度高的趨勢(shì)發(fā)展，以顯著地提高輪胎的使用性能。

b值過大時(shí)即行駛面過寬時(shí)，胎肩增厚，生熱量過高，散熱困難，以致造成胎肩、胎冠脫層而早期損壞，影響輪胎的使用壽命；b值過小即行駛面過窄，胎面與路面接觸面積小，平均單位壓力增大，極易早期磨損。行駛面弧度高h(yuǎn)值過大即胎冠曲率過大，胎面與路面接觸面積小，耐磨性能差；行駛面弧度高h(yuǎn)值過小時(shí)，雖然耐磨性能和附著性能得以提高，但胎肩過厚，影響散熱。因此調(diào)整輪胎胎冠弧時(shí)需綜合考慮各方面因素。

4 各方案的變量與相應(yīng)性能結(jié)果的關(guān)系

方案一通過調(diào)整胎面口型形狀，使輪胎胎冠部膠料分布更加均勻，從而減少輪胎的不均勻磨耗，延長(zhǎng)輪胎的使用壽命。

方案二通過增加帶束層寬度，帶束層端部更加靠近胎肩部位，接地印痕肩部長(zhǎng)軸增加，接地印痕面積增大，同時(shí)接地壓力肩部負(fù)荷增加，帶束層的剛性增大，而帶束層的剛性會(huì)直接影響輪胎使用性能，如耐磨性、操縱穩(wěn)定、安全性和節(jié)能性等。

方案三通過模具胎冠弧的調(diào)整，即增加輪胎行駛面寬度，減小輪胎行駛面弧度高，接地印痕形狀更接近于理想狀態(tài)，接地印痕中部長(zhǎng)軸略有縮短、接地印痕肩部長(zhǎng)軸增加，接地印痕寬度增加，接地印痕面積增大；同時(shí)方案三輪胎的接地壓力負(fù)荷中部減小、接地壓力肩部負(fù)荷增加，接地壓力分布的梯度分配更合理，平均壓力減小，這均有利于提高輪胎的耐磨性能；輪胎接地壓力分布得到優(yōu)化，壓力分布不均勻度大幅下降，整體壓力分布更加均勻，從而減少輪胎的異常磨損、偏磨、不均勻磨耗。方案三通過增加行駛面寬度，減小行駛面弧度高，達(dá)到增加接地面積的目的，從而優(yōu)化改善輪胎胎面膠的耐磨性及磨耗均勻性、輪胎抓著性的效果。

方案二的增加帶束層寬度使得胎冠形變往胎側(cè)的傳遞受到限制，增加了胎面及帶束層受力，造成滾動(dòng)阻力的提升；方案三通過增加行駛面寬度，減小行駛面弧度高，接地面積增加，輪胎的滾動(dòng)阻力增加。兩個(gè)方案雖然使?jié)L動(dòng)阻力增加，但降低滾動(dòng)阻力可以從調(diào)整輪胎材料特性、輪胎結(jié)構(gòu)、輪胎質(zhì)量和使用條件等其他方面進(jìn)行。另外單純降低輪胎滾動(dòng)阻力通常要犧牲輪胎的某些性能，特別是抓地性能。從安全角度出發(fā)，輪胎應(yīng)保持一定的抓地性能。

5 結(jié)論

通過試驗(yàn)結(jié)果分析表明，改變胎面口型形狀及帶束層寬度可以改善12R22.5規(guī)格輪胎接地印痕形狀和壓力分布，但不能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。而適當(dāng)增加輪胎行駛面寬度，減小輪胎行駛面弧度高，可以使12R22.5規(guī)格輪胎接地印痕形狀更接近于理想狀態(tài)，壓力分布更均勻。