結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)輪胎沖擊特性的影響

孫緒利，李 帥，王志斌，李慧敏

（青島森麒麟輪胎股份有限公司，山東 青島 266229）

隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)及市場(chǎng)的發(fā)展，人們對(duì)汽車(chē)性能的要求不僅局限在安全性和操縱穩(wěn)定性，對(duì)于平順性的要求也越來(lái)越高[1-2]。汽車(chē)行駛的平順性直接影響人們的乘坐舒適性，影響平順性的因素主要有懸架、座椅、發(fā)動(dòng)機(jī)和輪胎等[3]。作為車(chē)輛與路面接觸的唯一部件，輪胎會(huì)將路面障礙物如減速帶、凹坑等產(chǎn)生的沖擊力吸收并傳遞到整車(chē)[4]，因此汽車(chē)廠商對(duì)輪胎沖擊特性提出了更高的要求。由于輪胎供應(yīng)商很難在整車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中獲得樣車(chē)并對(duì)輪胎的沖擊特性進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)和測(cè)試，如何通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)獲得輪胎的沖擊特性并以此預(yù)測(cè)、改善輪胎裝配后的沖擊特性已成為輪胎供應(yīng)商亟需解決的問(wèn)題。

目前，人們主要通過(guò)凸塊沖擊試驗(yàn)研究輪胎的沖擊特性，研究重點(diǎn)主要為輪胎的使用工況如輪胎胎壓、試驗(yàn)載荷、凸塊尺寸和試驗(yàn)速度等[5]，對(duì)輪胎自身結(jié)構(gòu)對(duì)輪胎沖擊特性的影響研究較少。本工作從輪胎結(jié)構(gòu)出發(fā)，并從時(shí)域、頻域兩個(gè)角度分析研究輪胎三角膠高度、硬度和帶束層壓延厚度對(duì)輪胎沖擊特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要設(shè)備

HSU型高速均勻性試驗(yàn)機(jī)，德國(guó)采埃孚公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)輪胎規(guī)格為205/55R16，試驗(yàn)氣壓為250 kPa，試驗(yàn)載荷為492 kg，在高速均勻性試驗(yàn)機(jī)上橫向安裝凸塊（寬度和高度均為15 mm），在64.4 km·h-1速度下進(jìn)行輪胎沖擊特性的面內(nèi)試驗(yàn)，采樣頻率為1 000 Hz，為了減小試驗(yàn)誤差，每條輪胎進(jìn)行16次試驗(yàn)，然后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理。

選取與沖擊特性直接相關(guān)的垂向力（Fz）為研究對(duì)象，分析不同結(jié)構(gòu)輪胎的Fz在時(shí)域內(nèi)沖擊特性，同時(shí)將時(shí)域內(nèi)信號(hào)經(jīng)快速傅里葉變換轉(zhuǎn)換為頻域內(nèi)信號(hào)[5]，從時(shí)域和頻域兩個(gè)角度分析輪胎結(jié)構(gòu)對(duì)輪胎沖擊特性的影響。

2 輪胎結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)輪胎沖擊特性的影響

2.1 三角膠高度

作為下胎側(cè)區(qū)域重要的支撐部件，三角膠決定下胎側(cè)區(qū)域的剛性，起著從胎圈到胎側(cè)剛性過(guò)渡的作用，影響輪胎的乘坐舒適性及轉(zhuǎn)向性能[6-7]。三角膠高度作為三角膠設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，對(duì)輪胎性能有重要作用。本工作設(shè)計(jì)了與試驗(yàn)輪胎斷面高度成不同比例（0.26，0.31，0.36）的三角膠，其高度分別為30，35，40 mm，分別進(jìn)行輪胎沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如圖1和2及表1所示。

表1 不同三角膠高度下Fz在時(shí)域、頻域內(nèi)的典型值

從圖1和2及表1可以看出：從時(shí)域角度來(lái)看，不同三角膠高度輪胎的Fz曲線無(wú)明顯差異，三角膠高度為30 mm時(shí)在0.1～0.15 s內(nèi)輪胎的Fz曲線波峰稍向右移，首個(gè)波峰Fz隨三角膠高度的增大先增大后減小，首個(gè)波谷Fz隨三角膠高度增大而增大，從極差（波峰和波谷Fz之差）來(lái)看，三角膠高度為40 mm時(shí)極差最??；從頻域角度來(lái)看，首個(gè)波峰Fz隨三角膠高度的增大而逐漸減小，所對(duì)應(yīng)頻率未發(fā)生變化。實(shí)際上三角膠高度的增大會(huì)引起輪胎剛性的變化，剛性直接影響輪胎的固有頻率，3種三角膠高度的輪胎測(cè)得的靜態(tài)垂向剛性分別為204.1，210.1，223.2 N·mm-1，差異較小，引起的固有頻率偏移量較小，在頻域圖中未能體現(xiàn)。

2.2 三角膠硬度

三角膠硬度也是影響三角膠支撐作用的重要因素。本工作選取3種不同硬度的三角膠膠料進(jìn)行試驗(yàn)，3種膠料邵爾A型硬度分別為85，92和96度，結(jié)果如圖3和4及表2所示。

表2 不同三角膠硬度下Fz在時(shí)域、頻域內(nèi)的典型值

從圖3和4及表2可以看出：從時(shí)域角度來(lái)看，不同三角膠硬度輪胎的Fz曲線差異較小，但在0.06 s后，三角膠硬度為85度時(shí)Fz衰減略快；隨著膠料硬度增大，首個(gè)波峰Fz逐漸增大，首個(gè)波谷Fz先減小后增大，波動(dòng)范圍較小，三角膠硬度為92度時(shí)Fz極差最大，其他2種硬度下Fz極差相近；從頻域角度來(lái)看，首個(gè)波峰Fz隨三角膠硬度的增大先減小后增大，對(duì)應(yīng)頻率未發(fā)生變化。3種三角膠硬度輪胎的靜態(tài)垂向剛性分別為207.5，210.1，209.2 N·mm-1，差異較小，輪胎的固有頻率變化很小。

2.3 帶束層壓延厚度

帶束層作為輪胎的主要受力部件，其在輪胎與障礙物接觸過(guò)程中，起著緩和沖擊的作用，帶束層壓延厚度是帶束層設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，壓延厚度太大會(huì)增加生產(chǎn)成本，太小會(huì)影響帶束層鋼絲與其他部件的粘合能力。為研究帶束層壓延厚度對(duì)輪胎沖擊特性的影響，本工作選取2×0.30ST鋼絲簾線按照不同帶束層壓延厚度（1.10，1.15，1.20，1.25 mm）制造輪胎，并進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如圖5和6及表3所示。

表3 不同帶束層壓延厚度下Fz在時(shí)域、頻域內(nèi)的典型值

由圖5和6及表3可知：從時(shí)域角度來(lái)看，不同帶束層壓延厚度的輪胎Fz曲線差異不明顯，帶束層壓延厚度增大，首個(gè)波峰與波谷Fz沒(méi)有明顯的變化規(guī)律，其中在0.1 s后，帶束層壓延厚度為1.10 mm的輪胎每個(gè)波峰Fz較其他厚度稍大，4種帶束層壓延厚度輪胎的Fz極差差異較??；從頻域角度來(lái)看，帶束層壓延厚度為1.10或1.20 mm時(shí)首個(gè)波峰Fz較小，帶束層壓延厚度為1.15 mm時(shí)首個(gè)波峰Fz最大，4種帶束層壓延厚度輪胎首個(gè)波峰對(duì)應(yīng)的頻率相同。4條輪胎的靜態(tài)垂向剛性分別為238.1，239.2，238.1，240.4 N·mm-1，帶束層壓延厚度對(duì)輪胎靜態(tài)垂向剛性的影響很小，難以引起輪胎固有頻率的變化。

3 結(jié)論

本工作通過(guò)在常用車(chē)速下沖擊凸塊進(jìn)行沖擊試驗(yàn)并做數(shù)據(jù)處理，從時(shí)域、頻域兩個(gè)角度分析了三角膠高度、三角膠硬度及帶束層壓延厚度對(duì)輪胎沖擊特性的影響，得出以下結(jié)論。

（1）從時(shí)域角度來(lái)看，輪胎的Fz并未隨三角膠高度增大而增大，而是根據(jù)輪胎斷面高度存在一個(gè)最優(yōu)值；從頻域角度來(lái)看，三角膠高度在一定范圍內(nèi)對(duì)輪胎固有頻率的影響較小，F(xiàn)z峰值隨三角膠高度的增大而減小。

（2）從時(shí)域角度來(lái)看，輪胎的Fz極差隨三角膠硬度的增大波動(dòng)較??；從頻域角度來(lái)看，三角膠硬度對(duì)輪胎固有頻率的影響較小，三角膠硬度為85度時(shí)Fz峰值最大。

（3）從時(shí)域角度來(lái)看，輪胎Fz的變化與帶束層壓延厚度無(wú)明顯規(guī)律；從頻域角度來(lái)看，帶束層壓延厚度在1.10或1.20 mm時(shí)輪胎Fz的峰值較小。