缺氣保用輪胎構造與性能相關性研究

楊德建，朱麗艷，陳 東，楊才欣

（山東玲瓏輪胎股份有限公司，山東 招遠 265400）

由于當前道路建設與汽車數量的增加不在同一等級上，造成了嚴重的汽車安全問題，因此汽車安全性的研究成為重要課題。在汽車行駛過程中，輪胎通過與地面接觸為汽車提供摩擦力，輪胎安全性對汽車安全性有重要影響[1-2]。

隨著人們生活水平的提高和安全意識的不斷增強，安全輪胎市場需求日益擴大。與此同時，輪胎壓力監(jiān)測系統（TPMS）的普及也對安全輪胎的使用起到推進作用，整車廠不斷增大安全輪胎在配套輪胎中所占的份額，各大輪胎廠也紛紛投入到安全輪胎的研究中。市場上已有的安全輪胎主要有自體支撐型、輔助支撐型及自愈合型輪胎，其中自體支撐型缺氣保用輪胎已成為安全輪胎市場的主流[3-5]。

我公司開發(fā)的自體支撐型缺氣保用輪胎是一種在缺氣狀況下能夠支撐車體的充氣輪胎，并且能夠維持車輛以80 km·h-1的速度繼續(xù)行駛至少80 km的距離，嚴苛的失壓行駛條件對輪胎的構造和材料提出更高的要求。本工作主要研究缺氣保用輪胎的構造（輪廓、支撐膠、三角膠）對其性能的影響。

1 輪廓設計

對于普通輪胎，方形輪廓可以給輪胎提供更大的接地面積，能夠得到更好的制動或行駛穩(wěn)定性，這也適用于正常胎壓條件下的缺氣保用輪胎；但方形輪廓不利于胎側受力的分散，對車輛的乘坐舒適性及零氣壓耐久性能產生不利影響。由于胎側支撐膠的支撐作用，方形輪廓使輪胎接地壓力無法平緩過渡，極易在胎肩部形成局部應力集中，可以通過調整肩部輪廓形狀（見圖1）來驗證輪廓對缺氣保用輪胎的影響。兩種輪廓輪胎受力的有限元分析結果見圖2和3。由分析結果可見，方形輪廓輪胎在失壓條件下肩部受力明顯有突兀。

圖1 偏圓形輪廓和方形輪廓示意

圖2 圓形輪廓輪胎受力有限元分析結果

圖3 方形輪廓輪胎受力有限元分析結果

通過輪胎零氣壓耐久性能評測可知，在其他半部件設計均相同的條件下，方形輪廓輪胎的零氣壓耐久性能比圓形輪廓輪胎下降約18%。

2 支撐膠設計

支撐膠是缺氣保用輪胎失壓繼續(xù)行駛的關鍵部件，除了要滿足零氣壓繼續(xù)行駛外，車輛的乘坐舒適性是缺氣保用輪胎無法避免的設計難點。隨著橡膠行業(yè)的發(fā)展，原材料性能不斷提升，但對于支撐膠而言，輪胎失壓后車輛只能依靠支撐膠的強度來維持繼續(xù)行駛，缺氣保用輪胎與普通輪胎胎側剛度對比如表1所示。

表1 缺氣保用輪胎與普通輪胎胎側剛度對比 N·mm-1

從表1可以看出，缺氣保用輪胎的胎側垂直剛度和橫向剛度分別比普通輪胎提高21%和56%，這對乘坐舒適性不利，因此需要在滿足輪胎零氣壓繼續(xù)行駛的基礎上，盡可能地減小胎側剛度。支撐膠的厚度也是影響胎側剛度的關鍵因素之一，支撐膠厚度越小，輪胎胎側剛度越小，輪胎乘坐舒適性也越好。支撐膠厚度見圖4，充氣條件下不同支撐膠厚度的缺氣保用輪胎接地印痕如圖5所示。

圖4 支撐膠厚度示意

圖5 充氣條件下不同支撐膠厚度的缺氣保用輪胎接地印痕

從圖5可以看出，隨著支撐膠厚度的增大，缺氣保用輪胎接地壓力分布向輪胎肩部轉移，接地壓力分布不均勻，對輪胎的整體性能產生不利影響。因此缺氣保用輪胎在滿足零氣壓繼續(xù)行駛的條件下應盡可能地減小支撐膠厚度，這也符合輪胎輕量化設計理念。

3 三角膠設計

三角膠設計對缺氣保用輪胎零氣壓耐久性能起到關鍵作用，如果三角膠強度設計不足，胎圈部位無法提供穩(wěn)定的支撐能力，同時會惡化胎圈部位的變形蠕動，導致各個部件之間分離鼓包，如圖6和7所示。

圖6 薄三角膠破壞示意

圖7 厚三角膠破壞示意

從破壞模式看，只有三角膠能夠充分起到對胎圈部位的支撐作用，才能避免胎圈部位破壞。由于胎圈部位材料分布多，應力集中下極易出現材料間的分離[6]，對輪胎耐久性能不利，因此理想狀態(tài)下，缺氣保用輪胎零氣壓耐久破壞模式是支撐膠斷裂，不出現材料間的分離鼓包。

4 結論

（1）方形輪廓對缺氣保用輪胎的零氣壓耐久性能及實車性能均產生不利影響，可以利用有限元方法進行應力分布分析以優(yōu)化輪廓設計。

（2）應在滿足缺氣保用輪胎零氣壓行駛性能的基礎上盡可能地減小支撐膠厚度，以提升輪胎的整體性能。

（3）三角膠應具有足夠強度，與支撐膠一起提供失壓支撐性能，從而提高缺氣保用輪胎的零氣壓耐久性能。