胎體結(jié)構(gòu)對(duì)輪胎耐撞擊性能的影響研究

金漢杰，肖凌云*，王 琰，周曉琴

[1.國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局缺陷產(chǎn)品管理中心，北京 100101；2.國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（產(chǎn)品缺陷與安全），北京100101]

近年來(lái)，汽車輪胎質(zhì)量投訴中，鼓包是反映強(qiáng)烈的問(wèn)題之一。2019和2020年我中心收到輪胎鼓包與爆胎合計(jì)投訴分別為59和197例，位居輪胎質(zhì)量投訴排行榜前列。車質(zhì)網(wǎng)[1-2]輪胎投訴數(shù)據(jù)顯示，2019和2020年輪胎鼓包投訴問(wèn)題分別以476和245例的投訴量成為排列第2和第3位的輪胎投訴故障點(diǎn)，爆胎投訴分別為192和161例，成為第4大輪胎投訴故障點(diǎn)。更值得關(guān)注的是，爆胎與輪胎鼓包有著密切的聯(lián)系，鼓包如果沒(méi)有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，會(huì)逐步造成部件間脫層乃至爆胎，成為消費(fèi)者日常行車安全的隱患。

1 國(guó)內(nèi)外輪胎耐撞擊性能研究現(xiàn)狀

輪胎鼓包關(guān)聯(lián)因素眾多，國(guó)內(nèi)外采用不同的試驗(yàn)方法開(kāi)展了較多有關(guān)輪胎耐撞擊性能以及輪胎鼓包的試驗(yàn)研究，美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)（SAE）開(kāi)展了輪胎撞擊測(cè)試并制定了撞擊測(cè)試方法[3]。美國(guó)高速公路安全管理局（NHTSA）開(kāi)展了路牙石撞擊試驗(yàn)（on-vehicle curbimpact test）、路面障礙沖擊測(cè)試（road hazard impact test）等實(shí)車試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與對(duì)應(yīng)輪胎的實(shí)驗(yàn)室擺錘跌落試驗(yàn)進(jìn)行比較，得出擺錘從100°角度跌落的撞擊力大致相當(dāng)于55系列輪胎以28.98 km·h-1（18 mile·h-1）、65系列輪胎以35.42 km·h-1（22 mile·h-1）、75系列輪胎以48.30 km·h-1（30 mile·h-1）的速度撞擊路緣的結(jié)論[4]。此外，德國(guó)汽車工業(yè)聯(lián)合會(huì)（VDA）開(kāi)展了室內(nèi)鐘擺法輪胎耐撞擊性能測(cè)試。國(guó)內(nèi)研究了與室內(nèi)擺錘法測(cè)試輪胎耐撞擊性能相關(guān)的設(shè)備及試驗(yàn)方法，并于2013年頒布了GB/T 30195—2013《汽車輪胎耐撞擊性能試驗(yàn)方法》[5]。李小龍[6]在輪胎沖擊性能的數(shù)值分析方法與研究中提出，輪胎沖擊強(qiáng)度的高低可認(rèn)為是輪胎受到外力沖擊后產(chǎn)生振動(dòng)變形從而吸收能量的能力強(qiáng)弱。丁家翔等[7]對(duì)子午線輪胎鼓包問(wèn)題進(jìn)行了研究，認(rèn)為合理選擇輪胎斷面高度、胎體采用雙層簾布可以提高輪胎抗鼓包能力。國(guó)家橡膠輪胎質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心[8]的輪胎撞擊鼓包測(cè)試分析報(bào)告認(rèn)為，同等條件下扁平率低的輪胎更容易鼓包。賈永輝[9]在淺析輪胎鼓包產(chǎn)生原因及預(yù)防措施時(shí)認(rèn)為，車輛行駛過(guò)程中，輪胎受到強(qiáng)烈的擠壓會(huì)造成輪胎簾線斷裂而鼓包。

胎體是輪胎的主要受力部件之一，其作用是承載、耐撞擊、耐屈撓。胎體結(jié)構(gòu)決定胎面形狀，從而決定與胎面形狀直接相關(guān)的各項(xiàng)輪胎性能。胎體結(jié)構(gòu)還直接決定胎體本身性能，這些性能主要為胎冠中心線的周向一致性、胎側(cè)剛性等[10]。輪胎結(jié)構(gòu)除對(duì)輪胎自身性能具有一定影響外，還對(duì)汽車使用性能具有一定影響[11-12]。輪胎屬于大變形部件，因此需要研究輪胎撞擊特性[13]?？紤]汽車行駛時(shí)的實(shí)際路況，可采用擺錘法沖擊試驗(yàn)?zāi)M車輪輪胎總成的路障沖擊[14]。

本工作在上述對(duì)輪胎耐撞擊性能以及鼓包研究的基礎(chǔ)上，采用區(qū)別于上述研究的方法，具體選取了某品牌的兩種同規(guī)格不同胎體結(jié)構(gòu)的轎車子午線輪胎，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室對(duì)比試驗(yàn)，比較兩者之間耐撞擊性能的差異，以研究胎體結(jié)構(gòu)與耐撞擊性能之間的關(guān)系。

2 輪胎耐撞擊試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)對(duì)象

采用某品牌的兩種胎體結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）的215/50R17 91V轎車子午線輪胎開(kāi)展耐撞擊性能試驗(yàn)，其中圖1（a）為單層簾布高反包胎體結(jié)構(gòu)，圖1（b）為雙層簾布低反包胎體結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)均為目前市場(chǎng)上轎車輪胎常見(jiàn)胎體結(jié)構(gòu)。樣品輪胎其他信息為：輪胎結(jié)構(gòu) 胎側(cè)部位兩層聚酯簾布，胎冠部位兩層聚酯簾布＋2層鋼絲簾布＋1層錦綸簾布；測(cè)試數(shù)量 5條。

圖1 兩種胎體結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Two carcass structures

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用輪胎撞擊測(cè)試機(jī)（見(jiàn)圖2）模擬輪胎受到外力瞬間撞擊時(shí)的狀況。通過(guò)不同形式的撞擊頭在不同高度落下，模擬不同障礙物和不同車速對(duì)輪胎的撞擊破壞過(guò)程。

圖2 輪胎撞擊測(cè)試機(jī)Fig.2 Tire impact tester

2.3 試驗(yàn)條件和試驗(yàn)過(guò)程

將測(cè)試輪胎牢固安裝在輪胎撞擊測(cè)試機(jī)上，調(diào)整好位置，撞擊錘角度設(shè)置為外傾角6°，側(cè)偏角0°，偏差±0.5°。將測(cè)試輪胎氣壓調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)要求的200 kPa。啟動(dòng)測(cè)試設(shè)備，使擺桿和擺錘在達(dá)到預(yù)定的撞擊高度和撞擊角度位置以獲得需要的撞擊動(dòng)能，然后讓擺桿和擺錘從鎖定位置自由下落，撞擊試驗(yàn)輪胎。每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)撞擊3 min后，逐個(gè)檢查輪胎撞擊點(diǎn)及附近，記錄鼓包高度并檢查輪胎氣壓[15]。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 單層簾布高反包胎體結(jié)構(gòu)

對(duì)單層簾布高反包胎體結(jié)構(gòu)輪胎進(jìn)行了25次有效撞擊試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下。

（1）有4個(gè)測(cè)試點(diǎn)出現(xiàn)鼓包臨界點(diǎn)（鼓包高度不大于0.5 mm），這些鼓包為不明顯鼓包。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 未產(chǎn)生明顯鼓包的測(cè)試點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)（Ⅰ）Tab.1 Test data of test points without obvious bulges（Ⅰ）

（2）有6個(gè)測(cè)試點(diǎn)產(chǎn)生了高度為0.5～1 mm的鼓包，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 鼓包高度0.5～1 mm的測(cè)試點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of test points with bulge heights of 0.5～1 mm

（3）有13個(gè)測(cè)試點(diǎn)產(chǎn)生了高度大于1 mm的鼓包，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，典型胎側(cè)鼓包情況見(jiàn)圖3。

圖3 典型胎側(cè)鼓包Fig.3 Typical sidewall bulge

表3 鼓包高度大于1 mm的測(cè)試點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Test data of test points with bulge heights greater than 1 mm

（4）有2個(gè)測(cè)試點(diǎn)出現(xiàn)輪胎破裂、漏氣現(xiàn)象，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，胎側(cè)破裂情況見(jiàn)圖4。

圖4 胎側(cè)破裂Fig.4 Sidewall rupture

表4 破裂和漏氣的測(cè)試點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)（Ⅰ）Tab.4 Test data of test points of rupture and air leakage（Ⅰ）

3.2 雙層簾布低反包胎體結(jié)構(gòu)

對(duì)雙層簾布低反包胎體結(jié)構(gòu)輪胎進(jìn)行了25次有效撞擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下。

（1）有21個(gè)測(cè)試點(diǎn)出現(xiàn)鼓包臨界點(diǎn)，這些鼓包為不明顯鼓包，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 未產(chǎn)生明顯鼓包的測(cè)試點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)（Ⅱ）Tab.5 Test data of test points without obvious bulges（Ⅱ）

（2）有1個(gè)測(cè)試點(diǎn)產(chǎn)生了高度為0.5～1 mm的鼓包，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為：撞擊動(dòng)能 1 242 J，鼓包高度0.92 mm，氣壓 200 kPa。

（3）有1個(gè)測(cè)試點(diǎn)產(chǎn)生了高度大于1 mm的鼓包，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為：撞擊動(dòng)能 1 293 J，鼓包高度1.40 mm，氣壓 200 kPa。

（4）有2個(gè)測(cè)試點(diǎn)出現(xiàn)輪胎破裂、漏氣現(xiàn)象，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示，胎側(cè)破裂、漏氣情況如圖5所示。

圖5 胎側(cè)破裂和漏氣Fig.5 Sidewall rupture and air leakage

表6 破裂和漏氣的測(cè)試點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)（Ⅱ）Tab.6 Test data of test points of rupture and air leakage（Ⅱ）

4 結(jié)果與討論

結(jié)合單層簾布高反包結(jié)構(gòu)和雙層簾布低反包結(jié)構(gòu)兩種胎體結(jié)構(gòu)輪胎受到撞擊后的狀態(tài)和相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，做出如下分析。

4.1 輪胎撞擊后狀態(tài)對(duì)比

兩種胎體結(jié)構(gòu)輪胎撞擊后鼓包、破裂狀態(tài)見(jiàn)表7。

從表7可以看出：撞擊試驗(yàn)后，雙層簾布低反包結(jié)構(gòu)輪胎未產(chǎn)生明顯鼓包的次數(shù)和占比分別為21和84%，遠(yuǎn)大于單層簾布高反包胎體結(jié)構(gòu)輪胎未產(chǎn)生明顯鼓包的次數(shù)和占比4和16%，鼓包發(fā)生率較低。

表7 同規(guī)格不同胎體結(jié)構(gòu)輪胎撞擊后形態(tài)分布Tab.7 Status of tires with same specification and different carcass structures after impact

4.2 輪胎耐撞擊性能對(duì)比

按照GB/T 38528—2020《轎車輪胎耐撞擊性能評(píng)價(jià)》的規(guī)定，鼓包高度為0～1 mm的輪胎通過(guò)試驗(yàn)，認(rèn)定為未鼓包；鼓包高度大于1 mm以及破裂的輪胎不能通過(guò)試驗(yàn)，認(rèn)定為鼓包。所以，在比較耐撞擊動(dòng)能時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)的輪胎比較最大撞擊動(dòng)能，未通過(guò)試驗(yàn)的輪胎比較最小撞擊動(dòng)能，對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。

表8 同規(guī)格不同胎體結(jié)構(gòu)輪胎的耐撞擊性能對(duì)比Tab.8 Comparison of impact resistances of tires with same specification and different carcass structures

從表8可以看出，雙層簾布低反包胎體結(jié)構(gòu)輪胎未產(chǎn)生明顯鼓包時(shí)最大撞擊動(dòng)能和產(chǎn)生鼓包或輪胎破裂時(shí)最小撞擊動(dòng)能均明顯大于單層簾布高反包胎體結(jié)構(gòu)輪胎。

5 結(jié)論

（1）單層簾布高反包胎體結(jié)構(gòu)輪胎鼓包發(fā)生率遠(yuǎn)大于雙層簾布低反包胎體結(jié)構(gòu)輪胎。

（2）單層簾布高反包胎體結(jié)構(gòu)輪胎產(chǎn)生明顯鼓包以及輪胎破裂時(shí)最小撞擊動(dòng)能明顯小于雙層簾布低反包胎體結(jié)構(gòu)輪胎，即前者耐撞擊性能明顯較差。

（3）胎體結(jié)構(gòu)對(duì)輪胎耐撞擊性能具有重要影響。