冠帶條纏繞方式對(duì)輪胎均勻性的影響分析

陳衛(wèi)勇，李紅衛(wèi)，劉 超，吳長(zhǎng)輝，路紹軍

[特拓（青島）輪胎技術(shù)有限公司，山東 青島 266061]

輪胎的均勻性直接影響汽車的操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性、安全性、燃油經(jīng)濟(jì)性和使用壽命，是非常重要的輪胎性能指標(biāo)[1]。

本工作從冠帶條的貼合方式、設(shè)定方法和接頭定位方面，研究冠帶條纏繞方式對(duì)輪胎均勻性的影響[2-4]，總結(jié)出均衡方法，并進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，特別對(duì)提升側(cè)向力波動(dòng)指標(biāo)的案例進(jìn)行分析。

1 輪胎均勻性檢測(cè)指標(biāo)及其對(duì)車輛行駛的影響

1.1 輪胎均勻性檢測(cè)指標(biāo)

輪胎均勻性主要分為剛性、尺寸和質(zhì)量三方面，且相互影響。造成輪胎均勻性不良的情況包括胎體接頭大，接頭部位的材料多，周向質(zhì)量分布不均勻，平衡不好；接頭部位搭接，局部層數(shù)多，周向強(qiáng)度不均勻，造成徑向力波動(dòng)大；接頭部位強(qiáng)度大，輪胎充氣后有凹陷現(xiàn)象，尺寸不均勻。

剛性不均勻指標(biāo)包括徑向力波動(dòng)（RFV）、徑向力偏差一次諧波（RFH1）、側(cè)向力波動(dòng)（LFV）和錐度效應(yīng)（CON）。

尺寸偏差指標(biāo)包括冠部徑向尺寸偏差（RROC）和側(cè)向尺寸偏差（LRO）。

質(zhì)量不均勻指標(biāo)包括動(dòng)不平衡量（DB）、靜不平衡量（SB）和力偶不平衡量（CP）。

1.2 輪胎均勻性指標(biāo)對(duì)車輛行駛的影響

RFV/RFH1/RROC指標(biāo)反映胎冠的跳動(dòng)，過(guò)大會(huì)使汽車在行駛時(shí)顛簸、乘坐舒適性差，影響操縱性能。

LFV/LRO指標(biāo)反映輪胎的擺動(dòng)性，過(guò)大會(huì)使汽車在行駛過(guò)程中搖擺不定，影響操縱性能。

CON指標(biāo)主要反映輪胎兩肩剛性的差異，過(guò)大會(huì)使汽車行駛時(shí)偏向一側(cè)，直向行駛性變差，俗稱跑偏，操縱性能變差。

DB/SB/CP指標(biāo)過(guò)大會(huì)造成車輪跳動(dòng)、偏擺和抖動(dòng)。

2 冠帶條纏繞方式對(duì)輪胎均勻性的影響

冠帶條在輪胎中起束縛帶束層伸張、減小輪胎變形的作用，如圖1所示。

圖1 輪胎結(jié)構(gòu)示意

目前輪胎制造過(guò)程中普遍采用的冠帶條貼合方式為螺旋纏繞方式。

2.1 冠帶條排列形式

冠帶條纏繞的主要排列形式如圖2所示，其中A為冠帶條纏繞總寬度，a為冠帶條條間間距，B為冠帶條纏繞螺距，C為雙層搭接寬度，D為冠帶條單條寬度，箭頭表示纏繞方向。

圖2 冠帶條的排列形式

2.2 冠帶條纏繞特點(diǎn)

螺旋纏繞的冠帶條在邊部需有一圈鎖邊，以保證冠帶條纏繞后整周總寬度的一致性，但同時(shí)造成冠帶條材料在兩邊部不均勻，即部分區(qū)域單層、部分區(qū)域雙層，且雙層區(qū)域的寬度也不相同，單邊材料體積有按照纏繞方向遞加或遞減的規(guī)律，如圖3所示，洋紅色區(qū)域?yàn)殡p層區(qū)域。

圖3 冠帶條的排列形式

2.3 冠帶條纏繞方式

以最簡(jiǎn)單的單層平鋪型纏繞形式介紹冠帶條纏繞方式，施工步驟如下。

步驟一：在距離中心左側(cè)（A/2－D/2）處開(kāi)始定位冠帶條起始位置，在原地纏繞一圈（360°）。

步驟二：以每圈螺旋行程（B）向右開(kāi)始平鋪纏繞至冠帶條總寬的右邊緣，纏繞螺旋角度為[（AD）/B]×360°。

步驟三：在距離中心右側(cè)（A/2－D/2）處定位冠帶條起始位置，在原地纏繞一圈（360°）。

2.4 冠帶條纏繞效果分析

以上述設(shè)定方法進(jìn)行纏繞后的冠帶條總寬度周向一致、左右對(duì)稱，但材料體積在周向及左右對(duì)稱位置分布不均勻，冠帶條起始和結(jié)束的相對(duì)位置不固定。本研究以冠帶條頭尾平齊定位和頭尾相差180°定位兩種典型形式分析纏繞效果。

2.4.1 冠帶條頭尾平齊定位

冠帶條頭尾平齊定位的纏繞效果如圖4所示，平面展開(kāi)圖左側(cè)180°為冠帶條纏繞起始頭部定位的位置，右側(cè)180°是纏繞結(jié)束冠帶條尾部定位的位置。由于螺旋纏繞的特點(diǎn)，纏繞完成后，洋紅色區(qū)域?yàn)殡p層區(qū)域，橙色/青色區(qū)域?yàn)閱螌訁^(qū)域。

圖4 冠帶條頭尾平齊定位的纏繞效果

冠帶條纏繞造成周向和左右對(duì)稱方向上材料體積差異，胎坯硫化時(shí)膠料流動(dòng)很小，特別是骨架材料更不會(huì)變化，因此冠帶條體積分布的不均勻和不對(duì)稱造成成品輪胎在剛性、尺寸和質(zhì)量上的不均勻，強(qiáng)弱分布如圖5所示，左右兩側(cè)肩部冠帶條的剛性和質(zhì)量在圓周上的分布趨勢(shì)如圖中紅色區(qū)域所示（線條由細(xì)到粗表示纏繞由弱到強(qiáng)），左側(cè)的剛性和質(zhì)量在180°后逐步減弱，右側(cè)則在180°后逐步增強(qiáng)。

圖5 冠帶條頭尾平齊定位纏繞強(qiáng)弱分布示意

冠帶條頭尾平齊定位纏繞對(duì)均勻性各項(xiàng)指標(biāo)的影響分析如下。

RFV/RFH1指標(biāo)：冠帶條整體圓周方向的體積相同，對(duì)徑向力的影響較小。

LFV指標(biāo)：冠帶條在左右兩側(cè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)上的體積差異大，輪胎以180°為起點(diǎn)旋轉(zhuǎn)時(shí)左側(cè)逐步減弱，右側(cè)逐步增強(qiáng)，形成棱形的變化趨勢(shì)，造成側(cè)向力波動(dòng)大。在輪胎連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，車輛會(huì)產(chǎn)生左右偏擺、抖動(dòng)的現(xiàn)象。

CON指標(biāo)：冠帶條的分布左右整周基本一致，對(duì)CON指標(biāo)影響不大，但冠帶條纏繞方向（從左至右或從右至左）不同會(huì)對(duì)CON指標(biāo)產(chǎn)生一定的影響。

DB/SB指標(biāo)：質(zhì)量方面整周周向分布一致，但在軸向分布上，雙層冠帶條區(qū)域左右差異大，輪胎充氣后的外緣尺寸也會(huì)有變化，對(duì)DB/SB指標(biāo)有一定的影響，由于冠帶條的質(zhì)量較小，影響不大。

CP指標(biāo)：冠帶條在90°和270°位置形成明顯的一對(duì)力偶，影響CP指標(biāo)值。

2.4.2 冠帶條頭尾180°定位

冠帶條頭尾180°定位的纏繞效果如圖6所示，成品輪胎在剛性、尺寸和質(zhì)量上的不均勻和強(qiáng)弱分布如圖7所示。

圖6 冠帶條頭尾180°定位的纏繞效果

圖7 冠帶條頭尾180°定位纏繞強(qiáng)弱分布示意

冠帶條頭尾180°定位纏繞對(duì)均勻性各項(xiàng)指標(biāo)的影響分析如下。

RFV/RFH1指標(biāo)：左右兩側(cè)冠帶條下半圓的體積和強(qiáng)度大，在180°位置形成一個(gè)相對(duì)高點(diǎn)，在0°位置形成一個(gè)相對(duì)低點(diǎn)，如圖8所示，對(duì)徑向力影響較大。

圖8 冠帶條形成高低點(diǎn)示意

LFV指標(biāo)：冠帶條在左右兩側(cè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)上的體積差異小，LFV指標(biāo)的波動(dòng)相對(duì)較小。

CON指標(biāo)：與頭尾平齊纏繞方式相當(dāng)。

SB指標(biāo)：冠帶條左右兩側(cè)材料主要集中在以180°為中心的下半圓，趨勢(shì)同圖8所示，SB指標(biāo)影響相對(duì)較大。

CP指標(biāo)：無(wú)明顯力偶形成，影響較小。

綜上所述，不同的冠帶條纏繞頭尾定位方式形成不同的材料分布效果，對(duì)輪胎的均勻性有一定的影響，有明確的規(guī)律可循，可以細(xì)化到均勻性的單個(gè)指標(biāo)。冠帶條接頭平齊的纏繞方式使LFV和CP指標(biāo)增大；頭尾180°分布的纏繞方式使RFV/RFH1和SB指標(biāo)增大。

3 均勻性改善案例分析

驗(yàn)證輪胎規(guī)格為225/70R16，冠帶條排列形式為單層平鋪型，檢測(cè)條件為：充氣壓力 200 kPa，負(fù)荷 7 230 N。

3.1 試驗(yàn)一

設(shè)計(jì)兩個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。選取同一批、中段均勻的半制品部件，在同一臺(tái)成型機(jī)（VMI EXXIUM機(jī)型）上連續(xù)成型8條胎坯。

3.1.1 方案設(shè)計(jì)

（1）方案一：冠帶條頭尾平齊，成型4條胎坯（編號(hào)為1#—4#）。

冠帶條纏繞設(shè)定參數(shù)（成型機(jī)實(shí)際設(shè)定參數(shù)，下同）如下：冠帶條纏繞步驟一和二纏繞角度分別為360°和2 160°，輪廓進(jìn)度分別為0和15.167 mm。接頭定位角度如圖9所示。

圖9 方案一接頭定位角度

（2）方案二：冠帶條頭尾180°，成型4條胎坯（編號(hào)為5#—8#）。

冠帶條纏繞設(shè)定參數(shù)如下：冠帶條纏繞步驟一和二纏繞角度分別為360°和2 070°，輪廓進(jìn)度分別為0和15.862 mm。接頭定位角度如圖10所示。

圖10 方案二接頭定位角度

3.1.2 檢測(cè)結(jié)果與分析

胎坯成型后，在同一臺(tái)硫化機(jī)、同一副模具、同一角度入模硫化，且在同一臺(tái)均勻性試驗(yàn)機(jī)上檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。

表1 方案一和方案二輪胎均勻性檢測(cè)結(jié)果

從表1可以看出，相對(duì)方案一輪胎，方案二輪胎的均勻性檢測(cè)結(jié)果（平均值）的變化趨勢(shì)與前面的分析結(jié)果一致。

在第一輪驗(yàn)證中，方案二輪胎的LFV指標(biāo)值減小，但RFV指標(biāo)明顯惡化，利用向量分割法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如表2和3所示。表2和3中的數(shù)據(jù)是向量計(jì)算的過(guò)程數(shù)據(jù)，通過(guò)檢測(cè)到的方案一和方案二的最強(qiáng)點(diǎn)力值，分別分解計(jì)算出分力F，然后將兩個(gè)方案的F值進(jìn)行匹配，使兩個(gè)力相互補(bǔ)償，達(dá)到減小力值差的效果。計(jì)算得到兩個(gè)方案匹配需要調(diào)整的角度為189.87°。

表2 向量分割法分析結(jié)果

表3 向量分割法F計(jì)算結(jié)果

3.2 試驗(yàn)二

根據(jù)試驗(yàn)一的分析結(jié)果，采用冠帶條頭尾180°分布，調(diào)整冠帶條起始定位角度進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2.1 方案設(shè)計(jì)

（1）方案三：冠帶條起始定位270°，成型4條胎坯（編號(hào)為9#—12#）。接頭定位角度同方案二。

（2）方案四：冠帶條起始定位90°，成型4條胎坯（編號(hào)為13#—16#）。接頭定位角度如圖11所示。

圖11 方案四接頭定位角度

3.2.2 檢測(cè)結(jié)果與分析

按照試驗(yàn)一的方法進(jìn)行硫化和檢測(cè)，結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，相對(duì)方案三輪胎，方案四輪胎均勻性檢測(cè)結(jié)果（平均值）均呈減小趨勢(shì)。在LFV指標(biāo)保持低值的情況下，其他性能指標(biāo)也得到了明顯改善。周向質(zhì)量不均勻的冠帶條可以作為平衡RFH1及SB指標(biāo)的一個(gè)因子，在明顯提升LFV指標(biāo)性能的基礎(chǔ)上，配合其他因子進(jìn)行均衡，使整體均勻性得到提升。

表4 方案三和方案四輪胎均勻性檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)冠帶條的材料分布進(jìn)行細(xì)化調(diào)整，定向提升輪胎均勻性LFV指標(biāo)，利用向量分割法對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，均衡周向應(yīng)力，使輪胎整體均勻性得到提升。輪胎均勻性的提升是一項(xiàng)繁雜的工程，影響因子眾多，需要對(duì)每一個(gè)因子進(jìn)行基礎(chǔ)研究、建模分析和優(yōu)化，以促進(jìn)輪胎整體均勻性提升。輪胎均勻性提高，車輛的操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性、安全性、燃油經(jīng)濟(jì)性和使用壽命都會(huì)得到提升，同時(shí)降低能耗，取得較好的社會(huì)效益。