三角膠高度對轎車子午線輪胎接地特性的影響

陳建國，官聲欣

（萬力輪胎股份有限公司，廣東 廣州 510940）

輪胎作為車輛與地面的接觸部件，其接地特性涉及到車輛的穩(wěn)定性、舒適性及噪聲等性能，且輪胎直接影響駕駛安全性，輪胎性能的重要性顯而易見[1]。車輛在行駛中會受到阻力，除了約80%的空氣阻力外，其余約20%為輪胎滾動阻力，滾動阻力增大會提高車輛的燃油消耗，增加二氧化碳氣體的排放量，不利于環(huán)境保護。研究表明，滾動阻力每下降10%，乘用車的燃油消耗量可降低1%～2%[2]。三角膠作為子午線輪胎胎圈部位重要的硬質(zhì)純膠部件，用于填充鋼絲圈上部與胎側(cè)膠、胎體的空隙，防止胎坯成型時空氣殘留，同時減緩胎圈沖擊，增強胎圈部位剛性。三角膠高度對輪胎性能具有一定的影響，較高的三角膠高度可提升胎圈部位的剛性，在一定程度上有利于輪胎的操縱穩(wěn)定性、啟動/制動及轉(zhuǎn)向性能等，同時，較高剛性的胎側(cè)對于輪胎的舒適性和滾動阻力性能等有一定程度的負面影響，因此設(shè)計合適的三角膠高度，對轎車子午線輪胎的性能匹配至關(guān)重要。輪胎的接地特性包括接地印痕的幾何尺寸（形狀）及接地壓力分布信息，研究方法主要為接地印痕試驗、靜負荷試驗及有限元仿真分析[3]。

本工作研究三角膠高度對轎車子午線輪胎接地特性、剛性和滾動阻力的影響。

1 實驗

1.1 試驗條件

試驗條件為：環(huán)境溫度 （25±5） ℃，標準充氣壓力 250 kPa。試驗前清理輪胎表面的泥土、石子、碎屑等污染物，并將輪胎裝配于輪輞上，充氣后在室溫下停放24 h以上。試驗時將待測輪胎組合體豎直固定在試驗機上。

1.2 方案設(shè)計

本工作以205/55R16和235/60R18兩種斷面高寬比轎車子午線輪胎為研究對象，通過調(diào)整三角膠高度，研究輪胎的接地特性、剛性和滾動阻力的變化。205/55R16輪胎的三角膠高度分別設(shè)為a和a－5 mm，為方案A1和A2；235/60R18輪胎三角膠高度分別設(shè)為b和b－5 mm，為方案B1和B2，a和b分別為兩個規(guī)格輪胎三角膠的原始基準高度。由于兩種輪胎的花紋、結(jié)構(gòu)、配方特性不同，測試數(shù)據(jù)僅用于橫向?qū)Ρ取?/p>

1.3 性能測試

（1）接地印痕。采用Tirescan壓力毯進行測試，主要試驗步驟如下：①按照胎側(cè)標出的試驗點施加標準負荷進行測試；②在輪胎與試驗平臺間放置壓力毯，以50 mm·min-1的速度施加徑向負荷，確保壓力毯受壓部位不起皺，加載完畢保持2 min以上，記錄該負荷下的輪胎下沉量、接地印痕形狀及接地壓力分布；③將輪胎以90°等間隔劃分為4個區(qū)域，分別對4個區(qū)域進行接地印痕試驗，記錄輪胎下沉量、接地印痕形狀及接地壓力分布；④使用Tirescan軟件分析輪胎接地壓力分布特征，取每條輪胎4次試驗結(jié)果的平均值。

（2）剛性。采用汕頭市浩大輪胎測試裝備有限公司生產(chǎn)的五剛試驗機，按照GB/T 23663—2020進行縱向剛性和橫向剛性測試。

（3）滾動阻力。采用STL型滾動阻力試驗機，按照ISO 28580：2018進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 接地印痕

輪胎的結(jié)構(gòu)參數(shù)對接地印痕、輪胎剛性等靜態(tài)性能有較大的影響，起支撐作用的三角膠參數(shù)調(diào)整，通過胎側(cè)傳遞到胎面接地區(qū)域的力也隨之發(fā)生變化，從而對輪胎接地特性產(chǎn)生影響。輪胎接地印痕的部分參數(shù)如圖1所示。

圖1 輪胎接地印痕部分參數(shù)示意

（1）接地面積為充氣輪胎在垂直加載力的作用下與剛性地面或試驗臺接觸的印痕的面積。（2）接地長度為接地印痕中間位置沿車輛行駛方向的縱軸長度。（3）接地寬度為接地印痕中間垂直于車輛行駛方向的橫軸長度。（4）胎肩接地長度為胎肩花紋塊接地印痕中間位置沿車輛行駛方向的縱軸長度（取左右胎肩接地長度的平均值）。（5）下沉量為無負荷時充氣輪胎斷面高度與負荷下充氣輪胎斷面高度之差。

不同三角膠高度方案輪胎的接地印痕如圖2所示，接地特性參數(shù)測試結(jié)果如表1所示。

表1 不同方案輪胎的接地特性參數(shù)

圖2 不同方案輪胎的接地印痕

從圖2可以看出，不同三角膠高度、相同規(guī)格輪胎的整體接地印痕形狀接近，接地壓力分布均勻，局部形狀略有差異。

從表1可以看出：隨著三角膠高度的減小，兩個規(guī)格輪胎的接地面積均有增大趨勢，下沉量也隨之有不同程度的增大；接地長度和接地寬度的變化趨勢略有不同，205/55R16輪胎的接地長度和接地寬度無變化，但胎肩接地長度增大3 mm，導(dǎo)致接地面積增大，而235/60R18輪胎的接地長度略有增大，接地寬度無變化，胎肩接地長度變化較小，接地長度的變化導(dǎo)致接地面積增大?？梢娙悄z高度減小對不同規(guī)格輪胎接地面積的影響存在一定的差異。

2.2 剛性

不同三角膠高度方案輪胎的剛性試驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同三角膠方案輪胎的剛性試驗結(jié)果 N·mm-1

從表2可以看出，隨著三角膠高度的減小，兩個規(guī)格輪胎的縱向剛性和橫向剛性均有不同程度的下降，變化趨勢相同。這與三角膠高度減小導(dǎo)致胎側(cè)整體剛性減小有關(guān)。

2.3 滾動阻力

輪胎滾動阻力計算公式為

式中，R為滾動阻力，Ui為單位體積膠料的應(yīng)變能，Vi為膠料單元體積，tanδi為能量損耗因子。

由此可見，輪胎滾動阻力除涉及輪胎膠料的自身特性（tanδ）外，同時與輪胎各部件單位體積膠料的應(yīng)變能和體積，即輪胎的接地特性和各部位剛度特性也有較大關(guān)系[2]。

方案A1，A2，B1和B2輪胎的滾動阻力系數(shù)測試結(jié)果分別為7.0，6.9，7.2和7.0 N·kN-1。

由此可見，兩個規(guī)格輪胎的滾動阻力系數(shù)均隨著三角膠高度的減小而減小。這是因為輪胎受壓變形存在一定的差異，結(jié)合輪胎剛性數(shù)據(jù)分析，胎側(cè)剛性減小，胎側(cè)變形增大，因此滾動阻力系數(shù)有不同程度的減小。

3 結(jié)論

（1）三角膠高度減小，輪胎接地面積呈增大趨勢，兩個規(guī)格輪胎的接地長度與胎肩接地長度的變化規(guī)律略有不同，整體上呈增大趨勢。

（2）三角膠高度減小，輪胎的縱向剛性和橫向剛性呈降低趨勢。

（3）三角膠高度減小，輪胎的滾動阻力系數(shù)有不同程度的減小。