胎圈著合寬度對7.00R16LT全鋼輕型載重子午線輪胎性能的影響

孫寶余，孫佳佳，魯 強(qiáng)

（三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

輪胎作為汽車與路面之間直接接觸的部件，是汽車行駛和承載體系的重要組成部分，輪胎不僅起支撐和承載及提供驅(qū)、制動力的作用，而且在汽車行駛方向控制、振動吸收方面也起主導(dǎo)作用，是汽車安全性和舒適性的重要影響因素。隨著市場要求及客戶需求的不斷提升，輪胎設(shè)計不僅要考慮綜合使用性能，同時也要考慮加工性能和裝配性能，因此胎圈部位的設(shè)計對于全鋼載重子午線輪胎的輪廓設(shè)計非常重要[1-3]。

胎圈部位作為輪胎與輪輞接觸的主要部位在輪胎行駛過程中反復(fù)承受輪輞傳遞的縱向和橫向剪切力，在輪輞與胎側(cè)之間承接雙向的應(yīng)力過渡。合理的胎圈設(shè)計有利于提升輪胎的使用性能和裝配性能，同時也可以提升胎側(cè)的支撐性。

輪胎與輪輞的裝配為過盈配合，將輪胎裝在輪輞上時胎圈部位會產(chǎn)生特定的“內(nèi)收”位移并產(chǎn)生與輪輞的“緊箍”作用相抵抗的反向作用力。合理的胎圈著合寬度設(shè)計不僅有利于胎圈部位曲線設(shè)計及材料分布優(yōu)化、改善低斷面輪胎的硫化加工性能，而且對于改善輪胎存儲及運輸過程中因擠壓造成的并口問題也有顯著的作用[4]。

不同胎圈著合寬度的輪胎裝配在標(biāo)準(zhǔn)輪輞上，在充氣狀態(tài)下胎圈部位的預(yù)應(yīng)力存在明顯的差別，這會影響輪胎的使用性能。本工作研究7.00R16LT全鋼輕型載重子午線輪胎胎圈著合寬度對輪胎接地壓力分布、外緣尺寸及耐久性能等的影響。

1 輪廓設(shè)計

胎圈著合直徑和著合寬度影響輪胎與輪輞的配合強(qiáng)度，設(shè)計時應(yīng)同時滿足輪胎裝卸方便和著合緊密的要求，過盈量太大，會導(dǎo)致胎圈所受過盈應(yīng)力過大，增大胎圈失效風(fēng)險的同時造成輪胎裝配困難。過盈量太小，輪胎不能與輪輞緊密配合，造成無內(nèi)胎輪胎漏氣，且輪胎在切向牽引力的作用下易與輪輞產(chǎn)生位移[2]。

本研究以7.00R16LT全鋼輕型載重子午線輪胎作為研究對象，固定胎圈著合直徑為404.5 mm，分別設(shè)計兩種著合寬度：139.7（方案一：標(biāo)準(zhǔn)輪輞寬度設(shè)計）和152.4 mm（方案二：寬半寸設(shè)計），兩個輪廓分型面以上保持不變，分型面以下根據(jù)著合寬度分別進(jìn)行胎側(cè)曲線設(shè)計，輪胎輪廓對比如圖1所示。

圖1 不同胎圈著合寬度設(shè)計輪胎輪廓對比

2 力學(xué)仿真模擬分析

輪胎輪廓和材料分布設(shè)計階段采用公司自主開發(fā)的輪胎力學(xué)仿真分析系統(tǒng)對產(chǎn)品的性能進(jìn)行分析和評估，結(jié)果如圖2—5所示。

圖2 胎面接地壓力分布對比

圖3 胎肩部位剪切應(yīng)變分布對比

圖4 胎圈部位剪切應(yīng)變分布對比

圖5 胎圈部位應(yīng)變能密度分布對比

力學(xué)分析顯示：胎肩部位可能的破壞位置為1#與2#帶束層的分界線，2#帶束層端點處方案一和方案二輪胎剪切應(yīng)變最大值分別為1.186和1.282；胎圈部位可能的破壞位置為加強(qiáng)層端點，方案一和方案二輪胎的拉伸應(yīng)變分別為0.310和0.301，應(yīng)變能密度分別為0.322和0.286 mJ·mm-3。

方案二因胎圈著合寬度設(shè)計超過標(biāo)準(zhǔn)輪輞尺寸，因此安裝過程中胎圈被動內(nèi)收，充氣后胎圈部位被施加預(yù)應(yīng)力。同時由于胎圈外緣曲線與輪輞基座不能完全自然地密合，因此無論哪種方案輪胎與輪輞的裝配過程都會造成胎圈部位接觸變形，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力分布不均勻的現(xiàn)象。方案二輪胎充氣后斷面水平軸略微上移，從而可平衡胎肩與胎圈的應(yīng)力分布，因此胎圈部位應(yīng)力集中現(xiàn)象相對減弱。

3 成品輪胎室內(nèi)性能

分別對方案一和方案二進(jìn)行輪胎試制，除胎側(cè)曲線及胎圈著合寬度設(shè)計不同外，其余半成品及施工設(shè)計相同。成品輪胎都安裝在5.50×16標(biāo)準(zhǔn)輪輞上進(jìn)行性能測試。

按照GB/T 4501—2016進(jìn)行輪胎充氣外緣尺寸測量和靜負(fù)荷測試，測試條件為：充氣壓力770 kPa，負(fù)荷 1 320 kg。測試結(jié)果如表1所示。

表1 輪胎充氣外緣尺寸和靜負(fù)荷測試結(jié)果

兩方案輪胎的設(shè)計外直徑相同，方案二胎圈著合寬度采用寬半寸設(shè)計，輪胎在標(biāo)準(zhǔn)輪輞上進(jìn)行安裝的過程中胎圈部位被收緊，胎側(cè)及胎肩部位也隨之收緊而產(chǎn)生橫向和徑向應(yīng)力拉伸，斷面寬度縮小，外直徑相對增大。

靜負(fù)荷測試結(jié)果顯示，在負(fù)荷和充氣壓力相同的情況下兩方案輪胎的下沉率相同，方案二輪胎的接地面積略大于方案一輪胎。

按照GB/T 4501—2016進(jìn)行輪胎耐久性試驗，達(dá)到47 h后按照每10 h增大負(fù)荷10%繼續(xù)進(jìn)行試驗至輪胎損壞，試驗條件為：環(huán)境溫度 （38±3） ℃，額定負(fù)荷 1 320 kg，充氣壓力 770 kPa，試驗速度 65 km·h-1。

方案一輪胎累計行駛至168.65 h胎圈龜裂，方案二輪胎累計行駛至182 h未壞，其耐久性能較方案一輪胎提升8%。

4 裝配性能

輪胎的裝配性能差主要體現(xiàn)在裝胎和充氣困難兩方面。裝胎過程中出現(xiàn)的胎圈卡在輪輞邊緣而不能裝進(jìn)輪輞槽的現(xiàn)象（俗稱裝胎卡死）稱為裝胎困難。充氣困難主要是指輪胎與輪輞組裝完成后，輪胎充氣機(jī)進(jìn)行充氣時出現(xiàn)的一種氣體從輪胎唇口與輪輞結(jié)合處以及輪胎總成與托盤間縫隙逸出，造成充氣漏氣甚至充氣失敗的現(xiàn)象[5-6]。

與替換輪胎市場不同，整車廠對輪胎與輪輞的組裝采取的是流水線操作，輪胎的裝配性能會直接影響組裝的質(zhì)量與效率，因此很多在替換輪胎市場未出現(xiàn)的裝胎問題在整車廠會明顯暴露出來，這對配套輪胎從設(shè)計和工藝上都提出了更高的要求。

通過后期的整車裝配及市場跟蹤確認(rèn)，本設(shè)計的兩種方案輪胎在標(biāo)準(zhǔn)輪輞上的裝配性能優(yōu)異，無裝胎及充氣困難的現(xiàn)象。

目前，國內(nèi)輪胎市場使用的輪輞存在與標(biāo)準(zhǔn)輪輞有所差異的現(xiàn)象，為了進(jìn)一步提升輪胎的裝配和使用性能，避免運輸和存放過程中對胎圈部位的擠壓并口問題，建議輪胎設(shè)計階段在確保產(chǎn)品性能的同時充分考慮提升產(chǎn)品的裝配適用性[7-10]。

5 結(jié)論

分別采用標(biāo)準(zhǔn)輪輞寬度及寬半寸設(shè)計，研究不同胎圈著合寬度對7.00R16LT全鋼輕型載重子午線輪胎在標(biāo)準(zhǔn)輪輞上裝配的產(chǎn)品性能的影響，得到如下結(jié)論。

（1）寬半寸設(shè)計輪胎在標(biāo)準(zhǔn)輪輞上裝配后胎圈部位內(nèi)收位移增大，胎圈部位與胎肩部位的應(yīng)力分布得到平衡，胎肩部位接地壓力分布得到較大改善。

（2）寬半寸設(shè)計輪胎的耐久性能比標(biāo)準(zhǔn)輪輞寬度設(shè)計輪胎提升8%。

（3）兩種方案輪胎在標(biāo)準(zhǔn)輪輞上的裝配性能均良好。