輕型載重子午線輪胎胎肩損壞改善方法研究

宋 立，秦艷分，王時(shí)豪

（中策橡膠集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310018）

相對(duì)轎車(chē)子午線輪胎，輕型載重子午線輪胎的充氣壓力和負(fù)荷較大，通常存在超載、惡劣路況行駛的情況，胎肩損壞是其常見(jiàn)的破壞形式之一。胎肩損壞主要破壞形式有崩花、脫層、裂口、漏氣、爆破和膠料熔融等[1]。排除外力破壞、膠料配方和骨架材料異常的情況，胎肩損壞通常都是由帶束層端點(diǎn)問(wèn)題引起的。改善胎肩損壞的常見(jiàn)思路有以下幾種：

（1）調(diào)整胎面壓力分布；

（2）增大帶束層間的抗剪切應(yīng)力；

（3）減小帶束層端點(diǎn)部位的應(yīng)力；

（4）降低胎肩生熱和提高胎肩散熱能力。

本工作采用控制變量法，通過(guò)單因素調(diào)整并進(jìn)行室內(nèi)耐久性試驗(yàn)驗(yàn)證，得出有科學(xué)依據(jù)的輕型載重子午線輪胎胎肩損壞的改善方法。

1 試驗(yàn)設(shè)備和方法

（1）輪胎耐久性試驗(yàn)使用TJR-2-PC（Y）型高速耐久里程機(jī)（天津久榮工業(yè)技術(shù)有限公司產(chǎn)品）。試驗(yàn)方法參照FMVSS 139，試驗(yàn)環(huán)境溫度為38 ℃，保持最后一階段的試驗(yàn)速度和充氣壓力，負(fù)荷逐漸增大直至輪胎損壞為止。

（2）靜態(tài)壓力分布試驗(yàn)使用TVR-8480型胎紋壓力分布測(cè)試儀（美國(guó)Tekscan公司產(chǎn)品），測(cè)試以綜合試驗(yàn)機(jī)為加載單元，使用壓力毯進(jìn)行接地壓力分布測(cè)試。試驗(yàn)方法參照GB/T 22038—2018《汽車(chē)輪胎靜態(tài)接地壓力分布試驗(yàn)方法》，輪胎在35 ℃環(huán)境下充氣停放3 h，以一定充氣壓力和負(fù)荷將輪胎加載至壓力毯上，記錄數(shù)據(jù)并生成報(bào)告。

2 結(jié)構(gòu)調(diào)整方案

2.1 調(diào)整胎面壓力分布

輪胎靜態(tài)壓力分布測(cè)試可比較直觀地體現(xiàn)輪胎胎面壓力分布情況。胎面接地印痕的矩形率越接近1，接地印痕形狀越接近矩形，矩形率超過(guò)1，接地印痕就會(huì)呈“蝴蝶狀”，而“蝴蝶狀”接地印痕的輪胎胎肩壓力通常比較大。減小胎肩壓力的改善方法以及試驗(yàn)驗(yàn)證如下。

2.1.1 調(diào)整胎面厚度

調(diào)整胎面厚度有2種選擇：一種是增大中間厚度，另一種是減小胎肩厚度。選用哪種方法需要看正常斷面基部膠厚度余量，本工作選用減小胎肩厚度的方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證。以LT265/70R17輪胎為研究對(duì)象，2個(gè)方案唯一變量為胎面型膠厚度，方案A和B的胎面型膠結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 方案A和B的胎面型膠結(jié)構(gòu)示意

在相同測(cè)試條件下，對(duì)方案A和B輪胎進(jìn)行耐久性試驗(yàn)和靜態(tài)壓力分布試驗(yàn)。

輪胎耐久性試驗(yàn)結(jié)果表明：采用方案A的2條輪胎累計(jì)行駛時(shí)間分別為42.62和48.50 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎破壞形式均為胎肩脫層；采用方案B的2條輪胎累計(jì)行駛時(shí)間分別為81.43和78.67 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎破壞形式分別為胎圈上端脫層和胎冠爆破。

方案A和B輪胎的接地印痕形狀分別如圖2（a）和（b）所示。方案A輪胎接地印痕的左矩形率和右矩形率均為92.7%；方案B輪胎接地印痕的左矩形率為86.7%，右矩形率為69.3%（由于大花紋塊原因，右側(cè)胎肩壓在花紋溝上，該數(shù)值失真不作參考）。

圖2 方案A和B輪胎的接地印痕形狀

通過(guò)胎面厚度調(diào)整試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：胎面型膠胎肩厚度減小后，輪胎的耐久性能顯著提高，且輪胎破壞形式由原來(lái)的胎肩破壞轉(zhuǎn)變成胎圈破壞，說(shuō)明胎肩應(yīng)力大幅減?。粡慕拥赜『坌螤钌峡?，胎肩兩側(cè)的壓強(qiáng)相對(duì)減小，矩形率略微減小。

2.1.2 調(diào)整帶束層簾線角度

帶束層簾線角度增大，會(huì)增大對(duì)胎體的橫向約束力，減小周向約束力。本工作選用195R14C和LT245/70R17輪胎為研究對(duì)象，帶束層簾線角度為唯一變量，方案C和D輪胎帶束層簾線角度分別為24°和30°。

在相同測(cè)試條件下，對(duì)方案C和D輪胎進(jìn)行耐久性試驗(yàn)和靜態(tài)壓力分布試驗(yàn)。

195R14C輪胎的耐久性試驗(yàn)結(jié)果表明：采用方案C的2條輪胎累計(jì)行駛時(shí)間分別為58.50和57.33 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎破壞形式均為胎冠花紋塊裂口；采用方案D的2條輪胎累計(jì)行駛時(shí)間均為42.53 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎破壞形式均為胎冠花紋溝底裂。

LT245/70R17輪胎的耐久性試驗(yàn)結(jié)果表明：采用方案C的2條輪胎累計(jì)行駛時(shí)間分別為30.28和28.73 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎破壞形式分別為胎冠花紋塊裂口和胎冠崩花；采用方案D的2條輪胎累計(jì)行駛時(shí)間分別為46.10和37.05 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎破壞形式分別為胎冠花紋溝裂口和胎冠裂口。

195R14C輪胎方案C和D的接地印痕形狀分別如圖3（a）和（b）所示。方案C輪胎接地印痕的左矩形率為74.8%，右矩形率為76.2%；方案D輪胎接地印痕的左矩形率為77.1%，右矩形率為79.8%。

圖3 195R14C輪胎方案C和D的接地印痕形狀

LT245/70R17輪胎方案C和D的接地印痕形狀分別如圖4（a）和（b）所示。方案C輪胎接地印痕的左矩形率為81.1%，右矩形率為79.3%；方案D輪胎接地印痕的左矩形率為82.6%，右矩形率為78.4%。

圖4 LT245/70R17輪胎方案C和D的接地印痕形狀

通過(guò)帶束層簾線角度調(diào)整試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：輪胎帶束層簾線角度變化對(duì)胎面接地壓力分布影響并不大，帶束層簾線角度的調(diào)整對(duì)輪胎耐久性能的提升也不是絕對(duì)的。

2.1.3 調(diào)整帶束層簾線種類

從生產(chǎn)成本和其他綜合性能方面考慮，通常不會(huì)采用調(diào)整帶束層簾線種類作為改善胎面壓力分布的首選途徑。本工作以LT285/75R16輪胎為研究對(duì)象，選用3種不同帶束層簾線材料，試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 不同帶束層簾線材料的試驗(yàn)方案

在相同測(cè)試條件下，對(duì)方案E，F(xiàn)和G輪胎進(jìn)行耐久性試驗(yàn)和靜態(tài)壓力分布試驗(yàn)。

耐久性試驗(yàn)結(jié)果表明：采用方案E的2條輪胎累計(jì)行駛時(shí)間分別為56.82和61.38 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎破壞形式均為冠部崩花；采用方案F的2條輪胎累計(jì)行駛時(shí)間分別為59.00和64.58 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎破壞形式分別為冠部崩花和胎冠裂口；采用方案G的2條輪胎累計(jì)行駛時(shí)間分別為84.32和75.83 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎破壞形式均為胎圈上端脫層。

方案E，F(xiàn)和G輪胎的接地印痕形狀分別如圖5（a），（b）和（c）所示。方案E輪胎接地印痕的左矩形率為76%，右矩形率為79%；方案F輪胎接地印痕的左矩形率為80%，右矩形率為79%；方案G輪胎接地印痕的左矩形率為78%，右矩形率為75%。

圖5 方案E，F(xiàn)和G輪胎的接地印痕形狀

通過(guò)帶束層簾線種類調(diào)整試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：帶束層采用3＋8×0.23HT與3＋8×0.23ST鋼絲簾線的輪胎耐久性能對(duì)比變化不明顯，但采用直徑和密度小的2＋4×0.215UT鋼絲簾線，可以明顯提高輪胎耐久性能和改善胎面壓力分布。

2.2 增大帶束層間的抗剪切應(yīng)力

在胎面壓力分布比較合理的情況下，通過(guò)增大胎肩帶束層的抗剪切應(yīng)力是改善胎肩破壞的常用方法。輪胎反復(fù)形變過(guò)程中，帶束層間的剪切應(yīng)力是造成輪胎脫層和分離的主要因素，胎肩部位是多種材料靠粘合連接起來(lái)的，一旦受到較大的剪切應(yīng)力容易產(chǎn)生脫層。帶束層的剪切應(yīng)力是沿層間分布的，易產(chǎn)生剝離錯(cuò)位，最大剪切應(yīng)力都發(fā)生在胎肩部位[2-4]。

2.2.1 增加冠帶層纏繞層數(shù)

在車(chē)輛高速行駛時(shí)，輪胎內(nèi)部材料一直處于抗離心力的狀態(tài)中，子午線輪胎的0°冠帶層對(duì)箍緊帶束層等材料起到非常重要的作用。本工作選擇LT265/65R17輪胎為研究對(duì)象，方案H和I輪胎胎肩冠帶層分別采用2層和3層纏繞的結(jié)構(gòu)形式，如圖6和7所示。

圖6 方案H輪胎胎肩冠帶層采用2層纏繞示意

圖7 方案I輪胎胎肩冠帶層采用3層纏繞示意

在相同測(cè)試條件下，對(duì)方案H和I輪胎進(jìn)行耐久性試驗(yàn)。結(jié)果表明：采用方案H的2條輪胎累計(jì)行駛時(shí)間分別為58.05和65.22 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎破壞形式分別為胎冠爆破和胎冠花紋溝底裂；采用方案I的2條輪胎累計(jì)行駛時(shí)間分別為71.02和70.17 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎破壞形式分別為胎冠花紋溝底裂和胎冠脫層。

通過(guò)調(diào)整冠帶層纏繞層數(shù)試驗(yàn)可知，增大冠帶層的纏繞強(qiáng)度可以有效提高帶束層間的抗剪切應(yīng)力。

2.2.2 提高帶束層材料間的粘合力

本工作選擇LT245/70R17輪胎為研究對(duì)象，采用3種方案（見(jiàn)表2）提高帶束層材料間粘合力。

表2 提高帶束層材料間粘合力的試驗(yàn)方案

在相同測(cè)試條件下，對(duì)方案L，M和N輪胎進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，并與基準(zhǔn)方案K輪胎進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：采用方案K的2條輪胎累計(jì)行駛時(shí)間分別為46.10和37.05 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎破壞形式分別為胎冠花紋溝底裂和胎冠裂口；采用方案L的2條輪胎累計(jì)行駛時(shí)間分別為51.30和48.93 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎破壞形式分別為胎肩裂口和胎冠花紋溝底裂；采用方案M的2條輪胎累計(jì)行駛時(shí)間分別為49.47和52.27 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎破壞形式均為胎冠花紋溝底裂；采用方案N的2條輪胎累計(jì)行駛時(shí)間分別為59.97和55.12 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎破壞形式分別為胎冠爆破和胎冠脫層。

通過(guò)提高帶束層材料粘合力試驗(yàn)可知，提高帶束層材料間粘合力對(duì)改善胎肩的耐久性能有一定效果，其中提高帶束層間膠料粘合性能的效果最好。

2.3 減小帶束層端點(diǎn)應(yīng)力

2.3.1 調(diào)整帶束層寬度

閆相橋等[5]對(duì)輪胎結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析發(fā)現(xiàn)，在標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷情況下，一定帶束層寬度范圍內(nèi)，胎肩附近的應(yīng)力隨著帶束層寬度的增大而減小。本工作選擇LT245/70R17輪胎為研究對(duì)象，其行駛面寬度為195 mm，采用方案O和P（見(jiàn)表3）兩種帶束層寬度。

表3 方案O和P兩種帶束層寬度 mm

在相同測(cè)試條件下，對(duì)方案O和P輪胎進(jìn)行耐久性試驗(yàn)。結(jié)果表明：采用方案O的2條輪胎累計(jì)行駛時(shí)間分別為55.85和55.72 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎破壞形式均為胎冠爆破；采用方案P的2條輪胎累計(jì)行駛時(shí)間分別為39.02和35.48 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎破壞形式分別為胎冠裂口和胎冠脫層。

通過(guò)調(diào)整帶束層寬度試驗(yàn)可知，采用較寬的帶束層方案的輪胎胎肩耐久性能優(yōu)于采用較窄帶束層方案的輪胎，這與閆相橋等[5]的有限元分析結(jié)果相一致。

2.3.2 減小三角膠長(zhǎng)度

一般彈性體形狀急劇變化的位置就是應(yīng)力集中區(qū)域。減小三角膠長(zhǎng)度的目的是使輪胎的徑向剛性降低，側(cè)部應(yīng)力下移。圖8示出了輪胎行駛過(guò)程中的形變。

圖8 輪胎行駛過(guò)程中的形變示意

本工作采用減小三角膠長(zhǎng)度的方法來(lái)提高胎肩的耐久性能。選擇LT225/75R16輪胎為研究對(duì)象，方案Q，R和S輪胎的三角膠長(zhǎng)度分別為70，60和50 mm。

在相同測(cè)試條件下，對(duì)方案Q，R和S輪胎進(jìn)行耐久性試驗(yàn)。結(jié)果表明：采用方案Q的2條輪胎累計(jì)行駛時(shí)間分別為45.57和47.58 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎破壞形式均為胎冠脫層；采用方案R的2條輪胎累計(jì)行駛時(shí)間分別為64.73和69.02 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎破壞形式均為胎肩爆破；采用方案S的2條輪胎累計(jì)行駛時(shí)間分別為73.43和65.48 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎破壞形式均為胎圈上端脫層。

通過(guò)調(diào)整三角膠長(zhǎng)度試驗(yàn)可知，減小三角膠長(zhǎng)度后胎肩耐久性能有改善趨勢(shì)，但當(dāng)三角膠長(zhǎng)度減小至50 mm后，胎圈上端部位開(kāi)始出現(xiàn)損壞，說(shuō)明三角膠長(zhǎng)度減小后輪胎側(cè)部應(yīng)力下移。

2.4 降低胎肩生熱和提高胎肩散熱能力

在胎面總厚度不變的情況下，可以減小部分胎面膠厚度增加到基部膠厚度上，但過(guò)度增大基部膠厚度會(huì)影響輪胎的耐磨性能甚至導(dǎo)致胎面花紋塊早期崩壞[6]。也可以通過(guò)改進(jìn)膠料配方的方法改善胎肩生熱問(wèn)題，在此不作討論。本工作選擇185R14C輪胎為研究對(duì)象，對(duì)其基部膠形狀進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整前后方案T和U胎面型膠形狀如圖9所示。

圖9 胎面型膠形狀示意

在相同測(cè)試條件下，對(duì)方案T和U輪胎進(jìn)行耐久性試驗(yàn)。結(jié)果表明：采用方案T的2條輪胎累計(jì)行駛時(shí)間分別為74.37和82.83 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎破壞形式分別為冠部崩花和胎冠脫層；采用方案U的2條輪胎累計(jì)行駛時(shí)間分別為86.10和86.97 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎破壞形式均為冠部脫層。

通過(guò)調(diào)整基部膠形狀試驗(yàn)可知，通?；磕z具有低生熱的特性，增大基部膠厚度后胎肩的耐久性能有所提高。

3 結(jié)論

4種改善輕型載重子午線輪胎胎肩損壞的方法對(duì)胎肩耐久性能有不同程度的提高效果。

（1）調(diào)整胎面壓力分布：調(diào)整胎面厚度和帶束層簾線種類效果較好，調(diào)整帶束層簾線角度效果不明顯。

（2）增大帶束層間的抗剪切應(yīng)力：增加冠帶層纏繞層數(shù)和提高帶束層間粘合力都有一定效果。

（3）減小帶束層端點(diǎn)應(yīng)力：調(diào)整帶束層寬度和減小三角膠長(zhǎng)度有比較明顯的提升效果，但三角膠長(zhǎng)度減小會(huì)增大胎圈部位應(yīng)力。

（4）降低胎肩生熱和提升胎肩散熱能力：增大基部膠厚度有一定提升效果。