7.00R16LT輕型載重子午線輪胎帶束層結(jié)構(gòu)與性能的相關(guān)性研究

孫寶余，孫佳佳，聶本梁

（三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

對載重子午線輪胎來說帶束層具有箍緊胎體、緩和沖擊的作用，是輪胎的主要受力部件，在很大程度上決定了輪胎的整體形狀和接地壓力分布。帶束層結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括簾布角度、寬度、厚度、長度、方向以及所采用的簾線類型和帶束層整體的結(jié)構(gòu)。

帶束層結(jié)構(gòu)對帶束層整體的箍緊力及胎冠部位的應(yīng)力分布有直接的影響[1-2]。本工作通過對7.00R16LT輕型載重子午線輪胎不同的帶束層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式探討帶束層結(jié)構(gòu)對輪胎性能，尤其是輪胎滾動(dòng)阻力和剛度的影響。

1 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)采用3種帶束層結(jié)構(gòu)，定義為方案一—三，3個(gè)方案除帶束層結(jié)構(gòu)不同外其余施工設(shè)計(jì)保持不變。

方案一采用2層鋼絲帶束層結(jié)構(gòu)，1#和2#帶束層均采用0.365＋6×0.35HT鋼絲簾線；方案二采用2層鋼絲帶束層＋1層錦綸冠帶層結(jié)構(gòu)，1#和2#帶束層均采用0.365＋6×0.35HT鋼絲簾線；方案三采用3層鋼絲帶束層結(jié)構(gòu)，1#和2#帶束層均采用0.365＋6×0.35HT鋼絲簾線，3#帶束層采用5×0.30HI鋼絲簾線。

按照770 kPa輪胎充氣壓力計(jì)算，方案一—三輪胎帶束層安全倍數(shù)分別為7.4，7.9和7.5。

2 輪胎性能對比

2.1 外緣尺寸

按照GB/T 4501—2016進(jìn)行輪胎外緣尺寸測量，充氣壓力為770 kPa，測量結(jié)果如表1所示。

表1 輪胎外緣尺寸測量結(jié)果 mm

方案一—三帶束層的結(jié)構(gòu)和層數(shù)存在明顯的區(qū)別，總體來說方案三帶束層采用3層結(jié)構(gòu)，整體模量最大，方案二采用2層帶束層＋1層冠帶層結(jié)構(gòu)，整體模量與方案一相差不大。從表1可以看出，帶束層模量越大，充氣外直徑越小。

2.2 滾動(dòng)阻力

隨著綠色輪胎發(fā)展理念的提出，汽車市場對輪胎的滾動(dòng)阻力性能要求越來越高。對載重輪胎來說，輪胎滾動(dòng)過程損失的能量可以達(dá)到汽車整體燃油消耗的10%～30%[3-4]。輪胎滾動(dòng)阻力每降低7%，汽車燃油消耗降低1%[5]，因此，在輪胎設(shè)計(jì)和使用過程中充分考慮降低輪胎滾動(dòng)阻力對提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性，減少能源損耗具有重要意義。

本試驗(yàn)采用我公司國家工程實(shí)驗(yàn)室的TSⅡ-001型滾動(dòng)阻力試驗(yàn)機(jī)，按照ISO 28580：2009進(jìn)行輪胎滾動(dòng)阻力測試，負(fù)荷為1 320 kg，充氣壓力為770 kPa，方案一—三輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)測試結(jié)果分別為6.561，6.441和6.142 N·kN-1。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3層帶束層結(jié)構(gòu)輪胎滾動(dòng)阻力最小，2層帶束層＋1層冠帶層與2層帶束層結(jié)構(gòu)輪胎滾動(dòng)阻力相差不大。由此可見，帶束層的整體剛度越大，輪胎滾動(dòng)阻力越小。

輪胎滾動(dòng)阻力的產(chǎn)生原因較多，包括輪胎滾動(dòng)周期性變形過程中克服粘彈性材料應(yīng)變滯后所消耗的內(nèi)摩擦功、輪胎與地面接觸消耗的外摩擦功、輪胎滾動(dòng)時(shí)攪動(dòng)空氣引起流體阻力所消耗的功以及輪胎花紋塊拍擊地面發(fā)聲所消耗的功等[6]，這幾種由于車輪滾動(dòng)而損失的能量構(gòu)成了車輪行駛過程中的滾動(dòng)阻力。輪胎與路面接觸時(shí)因承載而產(chǎn)生變形，進(jìn)而生熱。帶束層的整體剛度越大，負(fù)荷下胎冠變形越小，橡膠粘彈性造成的滯后損失越小，滾動(dòng)阻力系數(shù)也就越小。

2.3 剛度

輪胎是底盤的核心，也是車輛行駛過程中最主要的減震部件，輪胎不僅承載整個(gè)車輛的負(fù)荷，而且通過與懸掛系統(tǒng)配合起到減震和抗沖擊的作用[7]。

輪胎的動(dòng)力學(xué)特性對汽車的操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)安全性、乘坐舒適性及噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度等性能都有重要的影響。剛度是描述輪胎動(dòng)力學(xué)特性的主要參數(shù)之一，對輪胎剛度非線性特性進(jìn)行研究具有重要意義[8]。剛度試驗(yàn)條件為：負(fù)荷1 320 kg，充氣壓力 770 kPa。3個(gè)方案輪胎橫向剛度、縱向剛度和徑向剛度測試結(jié)果如圖1所示。

橫向剛度對輪胎在高速轉(zhuǎn)彎狀態(tài)下的操縱穩(wěn)定性有重要的影響，橫向剛度越大，輪胎在急轉(zhuǎn)彎過程中越不易發(fā)生側(cè)偏，且更容易自動(dòng)回正，但橫向剛度過大會(huì)影響輪胎的整體舒適性。從圖1（a）可以看出，方案三輪胎橫向剛度最大，方案二和方案一輪胎依次減小。這是因?yàn)榉桨溉龓鴮拥目傮w模量最大，而增加冠帶層可以更好地箍緊輪胎，有效減小輪胎徑向變形，從而使橫向剛度增大。

圖1 輪胎剛度測試結(jié)果

縱向剛度是輪胎周向的剛度。從圖1（b）可以看出，方案三輪胎的縱向剛度最大，方案一與方案二輪胎的縱向剛度相差不大。對比滾動(dòng)阻力測試結(jié)果可知，方案三輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)最小，而方案一和方案二輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)相差不大。由此可見，縱向剛度越大，滾動(dòng)阻力系數(shù)越小。

徑向剛度指輪胎的徑向力與徑向位移的比值，是輪胎的主要力學(xué)特性之一，對車輛振動(dòng)分析結(jié)果起關(guān)鍵作用。徑向剛度大，輪胎對地面障礙物的沖擊過濾性能會(huì)下降，造成駕駛舒適性降低。從圖1（c）可以看出，3個(gè)方案的徑向剛度相差不大，說明輪胎胎冠部位結(jié)構(gòu)對徑向剛度的影響不是很明顯，推測胎圈三角膠的高度及結(jié)構(gòu)對輪胎徑向剛度影響較大。

2.4 靜負(fù)荷分析

對3個(gè)方案輪胎分別進(jìn)行靜負(fù)荷測試，測試條件為：靜負(fù)荷 12 936 N，充氣壓力 770 kPa。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 輪胎靜負(fù)荷測試結(jié)果

不同結(jié)構(gòu)帶束層通過自身的剛度和模量及與充氣壓力配合使輪胎呈現(xiàn)出不同的接地壓力分布。從表2可以看出：隨著帶束層模量的增大，輪胎下沉量減??；方案三輪胎接地面積最大，方案二輪胎接地面積最小。

3 結(jié)論

（1）帶束層的整體剛度越大，輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)越小。

（2）帶束層的總體模量越大，輪胎的橫向剛度越大。增加冠帶層可以更好地箍緊輪胎，有效減小輪胎的徑向變形，從而使橫向剛度增大。

（3）輪胎縱向剛度越大，滾動(dòng)阻力系數(shù)越小。

（4）在負(fù)荷和充氣壓力相同的情況下，帶束層模量增大，輪胎下沉量減小。