胎體結構對輪胎耐撞擊性能的影響研究

金漢杰，肖凌云*，王 琰，周曉琴

[1.國家市場監督管理總局缺陷產品管理中心，北京 100101；2.國家市場監管重點實驗室（產品缺陷與安全），北京100101]

近年來，汽車輪胎質量投訴中，鼓包是反映強烈的問題之一。2019和2020年我中心收到輪胎鼓包與爆胎合計投訴分別為59和197例，位居輪胎質量投訴排行榜前列。車質網[1-2]輪胎投訴數據顯示，2019和2020年輪胎鼓包投訴問題分別以476和245例的投訴量成為排列第2和第3位的輪胎投訴故障點，爆胎投訴分別為192和161例，成為第4大輪胎投訴故障點。更值得關注的是，爆胎與輪胎鼓包有著密切的聯系，鼓包如果沒有被及時發現，會逐步造成部件間脫層乃至爆胎，成為消費者日常行車安全的隱患。

1 國內外輪胎耐撞擊性能研究現狀

輪胎鼓包關聯因素眾多，國內外采用不同的試驗方法開展了較多有關輪胎耐撞擊性能以及輪胎鼓包的試驗研究，美國汽車工程師學會（SAE）開展了輪胎撞擊測試并制定了撞擊測試方法[3]。美國高速公路安全管理局（NHTSA）開展了路牙石撞擊試驗（on-vehicle curbimpact test）、路面障礙沖擊測試（road hazard impact test）等實車試驗，并將試驗結果與對應輪胎的實驗室擺錘跌落試驗進行比較，得出擺錘從100°角度跌落的撞擊力大致相當于55系列輪胎以28.98 km·h-1（18 mile·h-1）、65系列輪胎以35.42 km·h-1（22 mile·h-1）、75系列輪胎以48.30 km·h-1（30 mile·h-1）的速度撞擊路緣的結論[4]。此外，德國汽車工業聯合會（VDA）開展了室內鐘擺法輪胎耐撞擊性能測試。國內研究了與室內擺錘法測試輪胎耐撞擊性能相關的設備及試驗方法，并于2013年頒布了GB/T 30195—2013《汽車輪胎耐撞擊性能試驗方法》[5]。李小龍[6]在輪胎沖擊性能的數值分析方法與研究中提出，輪胎沖擊強度的高低可認為是輪胎受到外力沖擊后產生振動變形從而吸收能量的能力強弱。丁家翔等[7]對子午線輪胎鼓包問題進行了研究，認為合理選擇輪胎斷面高度、胎體采用雙層簾布可以提高輪胎抗鼓包能力。國家橡膠輪胎質量監督檢驗中心[8]的輪胎撞擊鼓包測試分析報告認為，同等條件下扁平率低的輪胎更容易鼓包。賈永輝[9]在淺析輪胎鼓包產生原因及預防措施時認為，車輛行駛過程中，輪胎受到強烈的擠壓會造成輪胎簾線斷裂而鼓包。

胎體是輪胎的主要受力部件之一，其作用是承載、耐撞擊、耐屈撓。胎體結構決定胎面形狀，從而決定與胎面形狀直接相關的各項輪胎性能。胎體結構還直接決定胎體本身性能，這些性能主要為胎冠中心線的周向一致性、胎側剛性等[10]。輪胎結構除對輪胎自身性能具有一定影響外，還對汽車使用性能具有一定影響[11-12]。輪胎屬于大變形部件，因此需要研究輪胎撞擊特性[13]?？紤]汽車行駛時的實際路況，可采用擺錘法沖擊試驗模擬車輪輪胎總成的路障沖擊[14]。

本工作在上述對輪胎耐撞擊性能以及鼓包研究的基礎上，采用區別于上述研究的方法，具體選取了某品牌的兩種同規格不同胎體結構的轎車子午線輪胎，開展實驗室對比試驗，比較兩者之間耐撞擊性能的差異，以研究胎體結構與耐撞擊性能之間的關系。

2 輪胎耐撞擊試驗

2.1 試驗對象

采用某品牌的兩種胎體結構（見圖1）的215/50R17 91V轎車子午線輪胎開展耐撞擊性能試驗，其中圖1（a）為單層簾布高反包胎體結構，圖1（b）為雙層簾布低反包胎體結構，兩種結構均為目前市場上轎車輪胎常見胎體結構。樣品輪胎其他信息為：輪胎結構 胎側部位兩層聚酯簾布，胎冠部位兩層聚酯簾布＋2層鋼絲簾布＋1層錦綸簾布；測試數量 5條。

圖1 兩種胎體結構示意Fig.1 Two carcass structures

2.2 試驗設備

采用輪胎撞擊測試機（見圖2）模擬輪胎受到外力瞬間撞擊時的狀況。通過不同形式的撞擊頭在不同高度落下，模擬不同障礙物和不同車速對輪胎的撞擊破壞過程。

圖2 輪胎撞擊測試機Fig.2 Tire impact tester

2.3 試驗條件和試驗過程

將測試輪胎牢固安裝在輪胎撞擊測試機上，調整好位置，撞擊錘角度設置為外傾角6°，側偏角0°，偏差±0.5°。將測試輪胎氣壓調整到標準要求的200 kPa。啟動測試設備，使擺桿和擺錘在達到預定的撞擊高度和撞擊角度位置以獲得需要的撞擊動能，然后讓擺桿和擺錘從鎖定位置自由下落，撞擊試驗輪胎。每個試驗點撞擊3 min后，逐個檢查輪胎撞擊點及附近，記錄鼓包高度并檢查輪胎氣壓[15]。

3 試驗數據

3.1 單層簾布高反包胎體結構

對單層簾布高反包胎體結構輪胎進行了25次有效撞擊試驗，試驗數據如下。

（1）有4個測試點出現鼓包臨界點（鼓包高度不大于0.5 mm），這些鼓包為不明顯鼓包。試驗數據見表1。

表1 未產生明顯鼓包的測試點試驗數據（Ⅰ）Tab.1 Test data of test points without obvious bulges（Ⅰ）

（2）有6個測試點產生了高度為0.5～1 mm的鼓包，試驗數據見表2。

表2 鼓包高度0.5～1 mm的測試點試驗數據Tab.2 Test data of test points with bulge heights of 0.5～1 mm

（3）有13個測試點產生了高度大于1 mm的鼓包，試驗數據見表3，典型胎側鼓包情況見圖3。

圖3 典型胎側鼓包Fig.3 Typical sidewall bulge

表3 鼓包高度大于1 mm的測試點試驗數據Tab.3 Test data of test points with bulge heights greater than 1 mm

（4）有2個測試點出現輪胎破裂、漏氣現象，試驗數據見表4，胎側破裂情況見圖4。

圖4 胎側破裂Fig.4 Sidewall rupture

表4 破裂和漏氣的測試點試驗數據（Ⅰ）Tab.4 Test data of test points of rupture and air leakage（Ⅰ）

3.2 雙層簾布低反包胎體結構

對雙層簾布低反包胎體結構輪胎進行了25次有效撞擊試驗，試驗結果如下。

（1）有21個測試點出現鼓包臨界點，這些鼓包為不明顯鼓包，試驗數據見表5。

表5 未產生明顯鼓包的測試點試驗數據（Ⅱ）Tab.5 Test data of test points without obvious bulges（Ⅱ）

（2）有1個測試點產生了高度為0.5～1 mm的鼓包，試驗數據為：撞擊動能 1 242 J，鼓包高度0.92 mm，氣壓 200 kPa。

（3）有1個測試點產生了高度大于1 mm的鼓包，試驗數據為：撞擊動能 1 293 J，鼓包高度1.40 mm，氣壓 200 kPa。

（4）有2個測試點出現輪胎破裂、漏氣現象，試驗數據如表6所示，胎側破裂、漏氣情況如圖5所示。

圖5 胎側破裂和漏氣Fig.5 Sidewall rupture and air leakage

表6 破裂和漏氣的測試點試驗數據（Ⅱ）Tab.6 Test data of test points of rupture and air leakage（Ⅱ）

4 結果與討論

結合單層簾布高反包結構和雙層簾布低反包結構兩種胎體結構輪胎受到撞擊后的狀態和相關試驗數據，做出如下分析。

4.1 輪胎撞擊后狀態對比

兩種胎體結構輪胎撞擊后鼓包、破裂狀態見表7。

從表7可以看出：撞擊試驗后，雙層簾布低反包結構輪胎未產生明顯鼓包的次數和占比分別為21和84%，遠大于單層簾布高反包胎體結構輪胎未產生明顯鼓包的次數和占比4和16%，鼓包發生率較低。

表7 同規格不同胎體結構輪胎撞擊后形態分布Tab.7 Status of tires with same specification and different carcass structures after impact

4.2 輪胎耐撞擊性能對比

按照GB/T 38528—2020《轎車輪胎耐撞擊性能評價》的規定，鼓包高度為0～1 mm的輪胎通過試驗，認定為未鼓包；鼓包高度大于1 mm以及破裂的輪胎不能通過試驗，認定為鼓包。所以，在比較耐撞擊動能時，通過試驗的輪胎比較最大撞擊動能，未通過試驗的輪胎比較最小撞擊動能，對比數據見表8。

表8 同規格不同胎體結構輪胎的耐撞擊性能對比Tab.8 Comparison of impact resistances of tires with same specification and different carcass structures

從表8可以看出，雙層簾布低反包胎體結構輪胎未產生明顯鼓包時最大撞擊動能和產生鼓包或輪胎破裂時最小撞擊動能均明顯大于單層簾布高反包胎體結構輪胎。

5 結論

（1）單層簾布高反包胎體結構輪胎鼓包發生率遠大于雙層簾布低反包胎體結構輪胎。

（2）單層簾布高反包胎體結構輪胎產生明顯鼓包以及輪胎破裂時最小撞擊動能明顯小于雙層簾布低反包胎體結構輪胎，即前者耐撞擊性能明顯較差。

（3）胎體結構對輪胎耐撞擊性能具有重要影響。