半鋼子午線輪胎結構設計對滾動阻力的影響分析

孫奇濤，孫 巍，王 林，陳 敏

[倍耐力輪胎（焦作）有限公司，河南 焦作 454000]

隨著汽車工業的不斷發展，汽車廠商對輪胎品質的要求不斷提高，輪胎性能越來越受到關注[1-2]。滾動阻力是輪胎的重要性能指標之一，減小輪胎滾動阻力可以改善車輛動力性能和燃料經濟性，同時延長車輛的使用壽命[3-4]。

由于不同客戶對輪胎性能有著不同的要求，輪胎企業會根據客戶需求研發輪胎。本工作以215/45R17輪胎為研究對象，在不考慮胎面膠配方和花紋類型設計的前提下，探討半鋼子午線輪胎結構設計對輪胎滾動阻力的影響，并提出了改進措施。

1 胎面尺寸設計

滾動阻力主要源于輪胎和路面的變形及輪胎在路面上的附著，其大小取決于輪胎結構和膠料性能以及道路狀況。胎面是輪胎與路面的接觸部分，合理的胎面尺寸設計對降低輪胎滾動阻力有著很大的作用。

1.1 滾動阻力分析

胎面尺寸設計不合理，如胎面總厚度偏大（見圖1）或肩部厚度偏大（見圖2），輪胎旋轉時需要克服的阻力增大，導致輪胎滾動阻力增大。

圖1 胎面總厚度偏大

圖2 肩部厚度偏大

1.2 改進措施

在輪胎斷面尺寸符合標準和接地壓力分布合理的情況下，胎面厚度越小，其質量越小，輪胎滾動阻力也越小。調整胎面厚度后，接地壓力分布變化明顯。若花紋塊厚度過小，接地壓力分布圖上會出現花紋處受力凹陷，俗稱“蝴蝶圖”，如圖3所示，花紋塊厚度增大后即可改善。

圖3 胎面接地壓力分布不良

本工作通過調整肩部厚度改善了215/45R17輪胎滾動阻力，肩部厚度調整前后的輪胎接地壓力對比如圖4所示。從圖4可以看出，肩部厚度調整后，接地壓力減小，接地壓力分布明顯改善。

圖4 肩部厚度調整前后的接地壓力分布對比

試驗表明：肩部厚度減小0.3 mm，輪胎滾動阻力系數降低0.2 N·kN-1左右；在斷面尺寸符合標準和接地壓力分布良好的條件下，胎面質量每降低100 g，輪胎滾動阻力系數降低0.1～0.3 N·kN-1。

部分高寬比小于45的輪胎，調整胎面厚度后，輪胎滾動阻力降低，但對于錐度均勻性影響較大，易出現錐度均勻性不良的問題。針對這種情況，需要根據錐度效應的正負情況來調整胎面左右兩側的面積比值。

2 冠帶條纏繞形式及材料選取

2.1 滾動阻力分析

在輪胎滾動過程中，由于變形，其應力和應變存在相位差（滯后損失），輪胎每旋轉一周均會產生滯后損失，該損失是滾動阻力的主要組成。在不考慮胎面膠彈性的情況下，為了降低輪胎的滯后損失，可以選取合理的冠帶條纏繞形式（見圖5）及材料，從而降低輪胎滾動阻力。

圖5 冠帶條纏繞形式

2.2 改進措施

在滿足高速試驗和耐久性試驗標準的情況下，冠帶層材料由強換弱（如錦綸換為混紡），冠帶條纏繞形式由雙層變為單層，即冠帶條全部雙層纏繞改為冠帶條全部單層纏繞或肩部單條冠帶雙層纏繞、中間全部單層纏繞的結構，可有效降低輪胎滾動阻力。試驗表明，經過上述調整，滾動阻力系數可降低0.1～0.3 N·kN-1。冠帶條雙層纏繞改為單層纏繞也有利于改善輪胎高速性能，但也要考慮強度試驗問題，尤其是高寬比小于45的輪胎的強度試驗。

3 帶束層角度及帶束層材料選取

3.1 滾動阻力分析

由于輪胎變形中存在滯后損失，調整帶束層角度及材料可以改變帶束層彎曲剛度，對輪胎接地摩擦性能影響較大，合理選取帶束層角度及帶束層材料可以減小輪胎滾動阻力。

3.2 改進措施

在滿足高速和強度試驗國家標準或企業標準的前提下，采取帶束層角度由小變大（如27°改為30°）、帶束層材料強度由強換弱等方法，均可有效降低輪胎滾動阻力。試驗表明，在帶束層角度和帶束層材料調整后，滾動阻力系數可降低0.2～0.5 N·kN-1。

需要注意，高寬比越大的輪胎，調整帶束層角度時越易出現耐久性和強度性能不良的問題。因此，在調整帶束層角度時，部分高寬比大于60的輪胎需要綜合考慮輪胎耐久性和強度試驗結果。

4 原材料選擇

輪胎滾動阻力還與胎面膠配方、胎體簾布材料和簾布層數等因素有關。胎面膠使用白炭黑和高芳烴油可有效降低輪胎滾動阻力。采用不同纖維簾線的輪胎滾動阻力有明顯差異，如芳綸簾線輪胎的滾動阻力小于普通聚酯簾線輪胎。通過相應的材料及結構調整，均可有效降低輪胎滾動阻力。

5 結語

通過調整胎面總厚度、冠帶條纏繞形式由雙層變為單層、增大帶束層角度、選擇合適的冠帶層和帶束層材料等措施，可有效降低輪胎滾動阻力，如215/45R17輪胎結構設計方案調整后，其滾動阻力系數可降低0.5 N·kN-1以上，從而提高輪胎的燃油經濟性，延長輪胎的使用壽命。