7.00R16LT輕型載重子午線輪胎帶束層結構與性能的相關性研究

孫寶余，孫佳佳，聶本梁

（三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

對載重子午線輪胎來說帶束層具有箍緊胎體、緩和沖擊的作用，是輪胎的主要受力部件，在很大程度上決定了輪胎的整體形狀和接地壓力分布。帶束層結構參數主要包括簾布角度、寬度、厚度、長度、方向以及所采用的簾線類型和帶束層整體的結構。

帶束層結構對帶束層整體的箍緊力及胎冠部位的應力分布有直接的影響[1-2]。本工作通過對7.00R16LT輕型載重子午線輪胎不同的帶束層結構設計方式探討帶束層結構對輪胎性能，尤其是輪胎滾動阻力和剛度的影響。

1 試驗方案

本次試驗采用3種帶束層結構，定義為方案一—三，3個方案除帶束層結構不同外其余施工設計保持不變。

方案一采用2層鋼絲帶束層結構，1#和2#帶束層均采用0.365＋6×0.35HT鋼絲簾線；方案二采用2層鋼絲帶束層＋1層錦綸冠帶層結構，1#和2#帶束層均采用0.365＋6×0.35HT鋼絲簾線；方案三采用3層鋼絲帶束層結構，1#和2#帶束層均采用0.365＋6×0.35HT鋼絲簾線，3#帶束層采用5×0.30HI鋼絲簾線。

按照770 kPa輪胎充氣壓力計算，方案一—三輪胎帶束層安全倍數分別為7.4，7.9和7.5。

2 輪胎性能對比

2.1 外緣尺寸

按照GB/T 4501—2016進行輪胎外緣尺寸測量，充氣壓力為770 kPa，測量結果如表1所示。

表1 輪胎外緣尺寸測量結果 mm

方案一—三帶束層的結構和層數存在明顯的區別，總體來說方案三帶束層采用3層結構，整體模量最大，方案二采用2層帶束層＋1層冠帶層結構，整體模量與方案一相差不大。從表1可以看出，帶束層模量越大，充氣外直徑越小。

2.2 滾動阻力

隨著綠色輪胎發展理念的提出，汽車市場對輪胎的滾動阻力性能要求越來越高。對載重輪胎來說，輪胎滾動過程損失的能量可以達到汽車整體燃油消耗的10%～30%[3-4]。輪胎滾動阻力每降低7%，汽車燃油消耗降低1%[5]，因此，在輪胎設計和使用過程中充分考慮降低輪胎滾動阻力對提高汽車燃油經濟性，減少能源損耗具有重要意義。

本試驗采用我公司國家工程實驗室的TSⅡ-001型滾動阻力試驗機，按照ISO 28580：2009進行輪胎滾動阻力測試，負荷為1 320 kg，充氣壓力為770 kPa，方案一—三輪胎的滾動阻力系數測試結果分別為6.561，6.441和6.142 N·kN-1。

根據試驗結果發現，3層帶束層結構輪胎滾動阻力最小，2層帶束層＋1層冠帶層與2層帶束層結構輪胎滾動阻力相差不大。由此可見，帶束層的整體剛度越大，輪胎滾動阻力越小。

輪胎滾動阻力的產生原因較多，包括輪胎滾動周期性變形過程中克服粘彈性材料應變滯后所消耗的內摩擦功、輪胎與地面接觸消耗的外摩擦功、輪胎滾動時攪動空氣引起流體阻力所消耗的功以及輪胎花紋塊拍擊地面發聲所消耗的功等[6]，這幾種由于車輪滾動而損失的能量構成了車輪行駛過程中的滾動阻力。輪胎與路面接觸時因承載而產生變形，進而生熱。帶束層的整體剛度越大，負荷下胎冠變形越小，橡膠粘彈性造成的滯后損失越小，滾動阻力系數也就越小。

2.3 剛度

輪胎是底盤的核心，也是車輛行駛過程中最主要的減震部件，輪胎不僅承載整個車輛的負荷，而且通過與懸掛系統配合起到減震和抗沖擊的作用[7]。

輪胎的動力學特性對汽車的操縱穩定性、制動安全性、乘坐舒適性及噪聲、振動與聲振粗糙度等性能都有重要的影響。剛度是描述輪胎動力學特性的主要參數之一，對輪胎剛度非線性特性進行研究具有重要意義[8]。剛度試驗條件為：負荷1 320 kg，充氣壓力 770 kPa。3個方案輪胎橫向剛度、縱向剛度和徑向剛度測試結果如圖1所示。

橫向剛度對輪胎在高速轉彎狀態下的操縱穩定性有重要的影響，橫向剛度越大，輪胎在急轉彎過程中越不易發生側偏，且更容易自動回正，但橫向剛度過大會影響輪胎的整體舒適性。從圖1（a）可以看出，方案三輪胎橫向剛度最大，方案二和方案一輪胎依次減小。這是因為方案三帶束層的總體模量最大，而增加冠帶層可以更好地箍緊輪胎，有效減小輪胎徑向變形，從而使橫向剛度增大。

圖1 輪胎剛度測試結果

縱向剛度是輪胎周向的剛度。從圖1（b）可以看出，方案三輪胎的縱向剛度最大，方案一與方案二輪胎的縱向剛度相差不大。對比滾動阻力測試結果可知，方案三輪胎的滾動阻力系數最小，而方案一和方案二輪胎的滾動阻力系數相差不大。由此可見，縱向剛度越大，滾動阻力系數越小。

徑向剛度指輪胎的徑向力與徑向位移的比值，是輪胎的主要力學特性之一，對車輛振動分析結果起關鍵作用。徑向剛度大，輪胎對地面障礙物的沖擊過濾性能會下降，造成駕駛舒適性降低。從圖1（c）可以看出，3個方案的徑向剛度相差不大，說明輪胎胎冠部位結構對徑向剛度的影響不是很明顯，推測胎圈三角膠的高度及結構對輪胎徑向剛度影響較大。

2.4 靜負荷分析

對3個方案輪胎分別進行靜負荷測試，測試條件為：靜負荷 12 936 N，充氣壓力 770 kPa。試驗結果如表2所示。

表2 輪胎靜負荷測試結果

不同結構帶束層通過自身的剛度和模量及與充氣壓力配合使輪胎呈現出不同的接地壓力分布。從表2可以看出：隨著帶束層模量的增大，輪胎下沉量減小；方案三輪胎接地面積最大，方案二輪胎接地面積最小。

3 結論

（1）帶束層的整體剛度越大，輪胎的滾動阻力系數越小。

（2）帶束層的總體模量越大，輪胎的橫向剛度越大。增加冠帶層可以更好地箍緊輪胎，有效減小輪胎的徑向變形，從而使橫向剛度增大。

（3）輪胎縱向剛度越大，滾動阻力系數越小。

（4）在負荷和充氣壓力相同的情況下，帶束層模量增大，輪胎下沉量減小。