胎面基部膠厚度對輪胎性能的影響

孫曉峰，張凱凱，王龍慶，李慧敏，李 帥

（青島森麒麟輪胎股份有限公司，山東 青島 266229）

隨著經濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，汽車行業(yè)迅速發(fā)展，輪胎作為汽車與地面接觸的唯一零部件，對汽車的操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性有關鍵影響，輪胎與懸架相互耦合作用，支配著整個車輛的運動形態(tài)。

隨著市場競爭逐漸激烈，主機廠也對輪胎的性能提出了更高的要求。輪胎基本部件有7個，而且輪胎結構也在工程師的探索中逐漸固定，因此進一步細致地研究輪胎結構對輪胎性能的影響已是趨勢。車輛通過輪胎與地面接觸，輪胎通過胎面與地面接觸，因此胎面部位的結構對輪胎性能的影響至關重要。

胎面主要由胎冠膠、基部膠和翼膠組成。胎面需要提供驅動、制動和轉向必需的抓著力或牽引力，是與地面直接接觸的部分，基部膠位于胎面膠底部，可以用于改善滾動阻力，也可以進行平順性、噪聲和操縱性能的精細化調整[1-2]。本工作通過控制胎面擠出過程，調整基部膠厚度占胎面總厚度的比例（以下簡稱基部膠厚度占比），研究基部膠厚度占比對輪胎性能的影響，以期為改進輪胎胎面結構設計，提高輪胎性能提供參考。

1 實驗

1.1 試驗設備

高速耐久試驗機和TMT-2 PCR型輪胎綜合試驗機，汕頭市浩大輪胎測試裝備有限公司產品；輪胎高速均勻性和滾動阻力試驗機，德國采埃孚集團公司產品；MTS Flat-Trac CT Plus型六分力試驗機，美國MTS系統(tǒng)公司產品。

1.2 試驗設計

胎面結構如圖1所示，H為胎面總厚度，h為基部膠厚度。

保持胎面總厚度相同，基部膠厚度占比分別為20%，35%和50%，3個方案編號為方案一、二、三。其余擠出參數保持一致。

選取225/55R17 101/XL W規(guī)格輪胎進行安全性、操縱性能和舒適性的相關試驗，輪胎最大充氣壓力為340 kPa，最大單胎負荷為825 kg。驗證過程只更換胎面，其余部件相同。

2 結果與討論

2.1 安全性試驗

輪胎傾角高速試驗條件和結果分別如表1和2所示[3]。

表1 輪胎傾角高速試驗條件

從表2可以看出，隨著基部膠厚度占比的增大，傾角高速試驗時間呈現先縮短后延長的趨勢。整體分析，基部膠厚度占比增大，傾角高速試驗結果變差。

表2 輪胎傾角高速試驗結果

低充氣壓力耐久性試驗條件和結果分別如表3和4所示。

表3 輪胎低充氣壓力耐久性試驗條件

從表4可以看出，隨著基部膠厚度占比的增大，低充氣壓力耐久性試驗時間呈現先延長后縮短的趨勢。整體分析，基部膠厚度占比增大，低充氣壓力耐久性試驗結果變好，與傾角高速試驗結果恰好相反。

表4 輪胎低充氣壓力耐久性試驗結果

2.2 剛性和印痕試驗

參考GB/T 23663—2009，分別進行80%，100%和120%負荷率下的輪胎剛性試驗[4]。100%負荷率下輪胎剛性試驗結果如表5所示。

從表5可以看出，不同剛性隨基部膠厚度占比的變化趨勢是不一樣的，徑向剛性、橫向剛性和扭轉剛性隨著基部膠厚度占比的增大，呈現先增大后減小的趨勢，基部膠厚度占比為35%時達到極大值；而縱向剛性和包絡剛性隨著基部膠厚度占比的增大而呈現近似線性增大的趨勢。另外，進一步比較剛性的變化幅度，基部膠厚度占比對橫向剛性的影響最大，對徑向剛性的影響最小。

表5 100%負荷率下輪胎剛性試驗結果

在250 kPa充氣壓力、100%負荷率下進行輪胎印痕試驗，印痕關鍵參數如表6所示。

從表6可以看出，4個指標均隨基部膠厚度占比的增大呈現先減小后增大的趨勢。基部膠厚度占比增大到50%時，接地面積大幅增大，而且接地長度比值增大，印痕形狀更接近長橢圓形；接地系數增大，說明中間接地長度增大更為明顯，接地長度和接地面積增大可以提高輪胎的抓著性能和乘坐舒適性[5]。

表6 100%負荷率下輪胎印痕的關鍵參數

2.3 動態(tài)沖擊試驗

通過高速均勻性試驗機進行動態(tài)沖擊試驗，障礙物（cleat條）尺寸選用20 mm×20 mm，負荷選用最大單胎負荷的80%，測試速度為60 km·h-1。輪胎過cleat條后徑向力和縱向力的變化曲線分別如圖2和3所示，第1，2，3波峰、波谷的數值如表7所示，第1，2，3波峰、波谷的差值，即波動幅度如表8所示，第1，2，3波峰依次相減的數值如表9所示，其代表了衰減速度。

表7 第1，2，3波峰、波谷的數值 N

表8 第1，2，3波峰、波谷的差值 N

表9 第1，2，3波峰依次相減的數值 N

徑向力結果表明，隨著基部膠厚度占比的增大，初始徑向沖擊力（波動1）呈現逐漸減小的趨勢，基部膠厚度占比為50%時，初始徑向沖擊力最小，基部膠厚度占比為35%時，徑向沖擊力衰減 最慢。

縱向力結果表明，隨著基部膠厚度占比的增大，初始縱向沖擊力（波動1）呈現先減小后增大的趨勢，基部膠厚度占比為35%時，初始縱向沖擊力最小，縱向力衰減最慢。

總體來看，基部膠厚度占比增大會減小徑向和縱向沖擊力，有利于降低過坎的沖擊感，綜合考慮初始徑向和縱向沖擊力，基部膠厚度占比為35%時，乘坐舒適性有所改善，繼續(xù)增大基部膠厚度占比，雖然初始縱向沖擊力增大，但初始徑向沖擊力會進一步減小，而且徑向力和縱向力衰減加快，整體乘坐舒適性得到提高。

2.4 六分力試驗

在250 kPa充氣壓力、80%負荷率下進行純側偏和純縱滑試驗，對數據進行歸一化處理[6]。對2°側偏角下的側向力相對值（相對于負荷，后同）和2%滑移率下的縱向力相對值分別進行計算，結果如表10所示。

表10 2°側偏角下的側向力相對值和2%滑移率下的縱向力相對值

從表10可以看出，隨著基部膠厚度占比的增大，側向力逐漸增大，然后趨近飽和，縱向力則呈現先增大后減小的趨勢。由此可見，適當增大基部膠厚度占比可以增大輪胎側向力，提高車輛操縱性能，基部膠厚度占比為35%時，縱向力比較大，有利于提高車輛制動性能。

2.5 滾動阻力試驗

按照ISO 28580：2018進行滾動阻力試驗[7-10]，充氣壓力為250 kPa。方案一、二、三輪胎滾動阻力系數分別為6.56，6.41和6.40 N·kN-1?？梢钥闯?，隨著基部膠厚度占比的增大，滾動阻力系數減小，基部膠厚度占比達到35%后變化趨勢漸緩。總體來說，基部膠厚度占比對滾動阻力性能有比較大的影響，提高基部膠厚度占比可以減小輪胎滾動阻力，提高車輛的燃油經濟性。

3 結論

通過控制胎面擠出過程，調整基部膠厚度占比，研究基部膠厚度占比對輪胎性能的影響，可以得出以下結論。

（1）安全性能：基部膠厚度占比增大，輪胎傾角高速性能有所下降，低充氣壓力耐久性能有所提高；基部膠厚度占比為35%時，傾角高速性能最差，耐久性能最好。

（2）剛性和印痕：基部膠厚度占比對橫向剛性影響最大，對徑向剛性影響最?。浑S基部膠厚度占比增大，接地長度和接地面積均增大，可以提高輪胎的抓著性能和乘坐舒適性。

（3）動態(tài)沖擊性能：基部膠厚度占比增大，過cleat條初始徑向沖擊力減小，基部膠厚度占比為50%時，縱向沖擊阻尼明顯增大，振動衰減加快，整體乘坐舒適性有所提高。

（4）六分力：適當增大基部膠厚度占比可以增大輪胎側向力，提高車輛操縱性能，基部膠厚度占比為35%時，縱向力比較大，有利于提高車輛制動性能。

（5）滾動阻力：基部膠厚度占比對輪胎滾動阻力有比較大的影響，增大基部膠厚度占比可以減小滾動阻力系數，提高車輛的燃油經濟性。

整體分析，適當增大基部膠厚度占比可以提高輪胎耐久性能，減小輪胎過坎沖擊力，提高乘坐舒適性，增大側向力，提高操縱性能，增大縱向力和接地面積，提高抓著性能和制動性能，并且降低滾動阻力系數，提高燃油經濟性。