混紡材料冠帶層對轎車輪胎性能的影響

蘭 麗，賈 斌，張凱凱，王龍慶，張燦科，李孟龍，索嘉成

（青島森麒麟輪胎股份有限公司，山東 青島 266229）

輪胎中冠帶層的作用是限制帶束層在高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的擴張幅度，可顯著提升輪胎的性能[1-3]。子午線輪胎中冠帶層大部分使用錦綸材料，但是錦綸冠帶層已經(jīng)不能完全滿足超高性能輪胎的需求。隨著配套主機廠對車輛操縱性能要求的不斷提高，輪胎主觀評價中強度操縱性能在輪胎主觀測試項目中的權(quán)重逐漸增大，需引進新材料滿足高性能輪胎的開發(fā)需求[4-7]。混紡材料是指將芳綸和錦綸捻合而成的簾線，用芳綸纖維增強錦綸可提高其強度、耐熱性和尺寸穩(wěn)定性等。

輪胎性能的影響因素較多，包括膠料配方、結(jié)構(gòu)設(shè)計和使用條件等。本工作主要研究混紡材料作為冠帶層材料使用時，對輪胎主觀和客觀性能的影響，從而為輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計起指導(dǎo)作用。

1 試驗設(shè)備和方法

1.1 接地印痕

按照GB/T 22038—2018進行輪胎接地印痕試驗，接地長度比值（Re）的計算公式如下。

式中，Lc表示中心接地長度，mm；LI表示內(nèi)側(cè)胎肩部（80%接地寬處）的接地長度，mm；LO表示外側(cè)胎肩部（80%接地寬處）的接地長度，mm。

輪胎接地印痕如圖1所示。

1.2 六分力

按照GMW 15204—2014進行輪胎六分力測試。

汽車在行駛過程中，由于路面的側(cè)向傾斜、側(cè)向力或在曲線行駛時離心力的作用下，車輪中心沿Y軸方向作用有側(cè)向力，相應(yīng)的在地面上產(chǎn)生地面?zhèn)认蚍醋饔昧ΓQ為側(cè)偏力。由于輪胎存在側(cè)向彈性，輪胎的行駛方向?qū)⑵x輪胎平面的方向，該現(xiàn)象稱為側(cè)偏現(xiàn)象。汽車的操縱穩(wěn)定性在很大程度上取決于輪胎的側(cè)偏特性，而側(cè)偏剛度和F函數(shù)是表征側(cè)偏特性的主要指標。

1.2.1 側(cè)偏剛度

側(cè)向力曲線斜率在零側(cè)偏角時的數(shù)值稱為側(cè)偏剛度，在決定反映大部分駕駛工況的線性區(qū)段內(nèi)的車輛行為時，是一個非常重要的參數(shù)[8]。輪胎側(cè)偏剛度的絕對值越大，其基準轉(zhuǎn)向性能越好。

1.2.2 F函數(shù)

F函數(shù)是對側(cè)向力的歸一化處理，反映了某一垂直負荷下歸一化的側(cè)向力隨側(cè)偏角的變化關(guān)系。負荷越大，同一側(cè)偏角下所能承受的最大側(cè)向加速度越小。F函數(shù)與實車測試轉(zhuǎn)彎能力、應(yīng)答特性有關(guān)。

1.3 滾動阻力

按照ISO 28580—2018對輪胎滾動阻力進行測試。滾動阻力試驗機由德國ZF公司制造，將滾動阻力換算為滾動阻力系數(shù)進行比較，滾動阻力系數(shù)計算公式如下。

式中，Cr為滾動阻力系數(shù)，N·kN-1；Fr為滾動阻力，N；Lm為試驗負荷，kN。

2 混紡材料冠帶層對輪胎性能的影響

2.1 接地印痕

輪胎接地印痕形狀和壓力分布等直接影響車輛的牽引/制動、輪胎與地面的接地噪聲及輪胎的操縱性能、耐磨性能和滾動阻力等重要指標。在不同冠帶層材料條件下制作同一規(guī)格215/55R18試驗輪胎并進行接地印痕測試，結(jié)果如圖2和表1所示。

從圖2和表1可以看出：在其他結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)不變的情況下，僅改變輪胎的冠帶層材料，由普通錦綸調(diào)整為混紡材料，混紡材料冠帶層輪胎的接地印痕面積大于錦綸冠帶層輪胎，單位接地面積壓力更小，輪胎磨損更均勻，耐磨性能更好；混紡材料冠帶層輪胎的接地印痕形狀更趨于短形。在主觀操縱穩(wěn)定性測試時，短形接地印痕輪胎較橢圓形接地印痕輪胎操縱性能和牽引性能更好。

表1 不同冠帶層材料對輪胎接地印痕的影響

2.2 六分力

對試驗輪胎進行六分力測試，混紡材料冠帶層輪胎和錦綸冠帶層輪胎的側(cè)偏剛度分別為1 839.58和1 751.64 N·（°）-1，說明在其他工藝參數(shù)相同的情況下，混紡材料冠帶層輪胎的側(cè)偏剛度大于錦綸冠帶層輪胎的側(cè)偏剛度。

另選取215/55R17輪胎在不同冠帶層材料下制作試驗輪胎并進行F函數(shù)測試，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，在同一個側(cè)偏角下，混紡材料冠帶層輪胎的F函數(shù)大于錦綸冠帶層輪胎。同一側(cè)偏角下，F(xiàn)函數(shù)值越大，輪胎所承受的側(cè)偏加速度越大。

2.3 滾動阻力

對試驗輪胎進行滾動阻力系數(shù)測試，混紡材料冠帶層輪胎和錦綸冠帶層輪胎的滾動阻力系數(shù)分別為6.18和5.99 N·kN-1，說明在其他工藝參數(shù)相同的情況下，混紡材料冠帶層輪胎的滾動阻力系數(shù)大于錦綸冠帶層輪胎的滾動阻力系數(shù)。

2.4 主觀性能評價

針對215/55R18試驗輪胎進行實車測試，研究不同冠帶層輪胎的主觀基礎(chǔ)轉(zhuǎn)向性能、干地操縱性能和乘坐舒適性，評分結(jié)果如表2—4所示。

表2 不同冠帶層輪胎的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)向性能測試結(jié)果

從表2可以看出：與錦綸冠帶層輪胎相比，混紡材料冠帶層輪胎在低速、高速、超高速條件下的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)向性能都有提升。

從表3可以看出，混紡材料冠帶層輪胎的側(cè)向剛性、抓著極限均較錦綸冠帶層輪胎有所提升。

從表4可以看出，混紡材料冠帶層輪胎的舒適性與錦綸冠帶層輪胎一致。

3 結(jié)論

本工作研究了混紡材料冠帶層對輪胎主、客觀性能的影響。在其他結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)不變的情況下，冠帶層材料由錦綸調(diào)整為混紡材料，輪胎的接地印痕面積增大、印痕形狀更趨于短形；輪胎的滾動阻力系數(shù)和側(cè)偏剛度增大；在同一個側(cè)偏角下，混紡材料冠帶層輪胎的F函數(shù)值增大；輪胎的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)向性能和操縱性能提升，舒適性相差不大。