帶束層鋼絲簾線對半鋼子午線輪胎性能的影響

孫緒利，張凱凱，王龍慶，邢玉偉，李慧敏

（青島森麒麟輪胎股份有限公司，山東 青島 266229）

半鋼子午線輪胎是由橡膠、鋼絲簾線和纖維簾線等材料組成的復合制品[1-2]。輪胎各部件具有獨特的性能，如內(nèi)襯層可以防止輪胎漏氣、冠帶層可以約束輪胎高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的膨脹，胎面、胎側(cè)、胎圈、胎體、帶束層、冠帶層和內(nèi)襯層等通過特定設備和工藝緊密結(jié)合成整體，共同實現(xiàn)輪胎的功能[3]。

帶束層是輪胎的主要受力部件，能夠緩和路面沖擊傳遞給車輛的能量，對汽車行駛的高速性能、平穩(wěn)性和舒適性有重要作用[4-6]。帶束層以一定角度交叉貼合在胎體上方、冠帶層下方，沿胎面中心線圓周方向箍緊胎體，可以保持輪胎充氣后的形狀。

本工作通過成品輪胎室內(nèi)試驗及滾動阻力、靜態(tài)剛性、接地印痕、六分力和動態(tài)沖擊特性試驗，探討帶束層鋼絲簾線對半鋼子午線輪胎性能的影響。

1 實驗

1.1 試驗材料

選用目前常用于半鋼子午線輪胎的3種鋼絲簾線作為帶束層材料，其基本性能指標如表1所示。

從表1可以看出，3種鋼絲簾線的線密度、破斷力和相應的輪胎安全倍數(shù)逐漸增大。

1.2 試驗方案

采用單變量分析方法，分別使用鋼絲簾線1—3，設計A—C三種試驗方案，每種方案均生產(chǎn)15條215/55R17 98W規(guī)格半鋼子午線輪胎，進行成品輪胎室內(nèi)試驗及滾動阻力、靜態(tài)剛性、接地印痕、六分力和動態(tài)沖擊特性試驗，不同方案輪胎試驗條件均一致。為減小輪胎之間的差異，除帶束層鋼絲簾線外，輪胎其他部件均為同一批次且由同一成型機、同一硫化機和同一組操作人員生產(chǎn)。

1.3 主要設備和儀器

滾動阻力試驗機、高速均勻性試驗機，德國采埃孚集團公司產(chǎn)品；輪胎綜合性能試驗機，汕頭市浩大輪胎測試裝備有限公司產(chǎn)品；六分力試驗機，美國MTS公司產(chǎn)品。

2 結(jié)果與討論

2.1 充氣外緣尺寸

按照GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測量方法》，將成品輪胎安裝在標準輪輞上，在標準充氣壓力下測量輪胎的外直徑及斷面寬。3種方案輪胎的充氣外緣尺寸如表2所示。

表2 3種方案輪胎的充氣外緣尺寸 mm

從表2可以看出，3種方案輪胎的外直徑及斷面寬均符合國家標準要求（外直徑 660.9～675.1 mm，斷面寬 217.0～235.0 mm）。

2.2 強度性能

按照GB/T 4502—2016測試成品輪胎的強度性能，試驗條件為：充氣壓力 220 kPa，壓頭直徑19 mm。

3種方案輪胎的強度性能試驗結(jié)果如表3所示。

表3 3種方案輪胎的強度性能試驗結(jié)果

從表3可以看出，3種方案輪胎的強度性能均符合國家標準要求（標準破壞能為585 J）。

2.3 脫圈阻力

按照GB/T 4502—2016測試成品輪胎的脫圈阻力，試驗條件為：充氣壓力 220 kPa，壓塊水平距離 305 mm。

3種方案輪胎的脫圈阻力試驗結(jié)果如表4所示。

表4 3種方案輪胎的脫圈阻力試驗結(jié)果

從表4可以看出，3種方案輪胎的脫圈阻力均符合國家標準要求（標準脫圈阻力為11 120 N）。

2.4 高速性能

按照GB/T 4502—2016測試成品輪胎的高速性能，試驗條件為：充氣壓力 360 kPa，試驗負荷標準負荷的68%，速度級別 W。

當輪胎行駛速度達到270 km·h-1并運行10 min時，輪胎未損壞，每10 min速度再遞增10 km·h-1，直至輪胎損壞。

3種方案輪胎的高速性能試驗結(jié)果見表5。

表5 3種方案輪胎的高速性能試驗結(jié)果

從表5可以看出，3種方案輪胎的高速性能均滿足國家標準要求。

2.5 耐久性能

按照GB/T 4502—2016測試成品輪胎的耐久性能，試驗條件為：耐久充氣壓力 220 kPa，低氣壓充氣壓力 160 kPa。

低氣壓耐久試驗步驟如表6所示。國家標準要求完成第4階段，本次試驗至第7階段結(jié)束（從第4階段開始為低氣壓試驗部分）。

表6 低氣壓耐久試驗步驟

試驗結(jié)束時，3種方案輪胎在耐久階段行駛34 h均未損壞，在低氣壓階段累計行駛時間均為6 h，符合標準要求。

2.6 滾動阻力

按照ISO 28580—2018《輪胎滾動阻力測試方法》測試成品輪胎的滾動阻力。試驗條件為：充氣壓力 250 kPa，負荷 600 kg。

3種方案輪胎的滾動阻力試驗結(jié)果見表7。

表7 3種方案輪胎的滾動阻力試驗結(jié)果

從表7可以看出，隨著輪胎質(zhì)量的逐漸增大，輪胎的滾動阻力提高，其中方案C的滾動阻力系數(shù)最大，方案A的滾動阻力系數(shù)最小，因此，輪胎滾動阻力與質(zhì)量密切相關。由于3種方案輪胎的安全倍數(shù)均符合企業(yè)標準要求，在滿足安全性能的前提下，使用更輕量化的帶束層鋼絲簾線（如材料1）既能降低成本，又有利于降低輪胎的滾動阻力。

2.7 靜態(tài)剛性

靜態(tài)剛性是輪胎在靜載條件下的基礎性指標，主要包括徑向剛性、縱向剛性、橫向剛性、扭轉(zhuǎn)剛性和包絡剛性。在規(guī)定的徑向負荷下，輪胎徑向力變化量與其徑向位移的比值為徑向剛性，可以反映輪胎徑向承載能力和振動緩沖能力；輪胎縱向力變化量與其縱向位移的比值為縱向剛性，可以反映輪胎的制動能力；輪胎橫向力變化量與其橫向位移的比值為橫向剛性，可以反映輪胎的操控能力；輪胎扭矩與輪胎角位移的比值為扭轉(zhuǎn)剛性；輪胎包絡力變化量與包絡位移的比值為包絡剛性。

GB/T 23663—2020規(guī)定了輪胎縱向剛性和橫向剛性的試驗方法，本工作在GB/T 23663—2020的基礎上增加了徑向剛性、扭轉(zhuǎn)剛性和包絡剛性試驗。試驗設備為輪胎綜合性能試驗機，試驗條件為：充氣壓力 220 kPa，負荷 460 kg。

3種方案輪胎的靜態(tài)剛性試驗結(jié)果見表8。

表8 3種方案輪胎的靜態(tài)剛性試驗結(jié)果

從表8可以看出，輪胎的徑向剛性、縱向剛性、橫向剛性、扭轉(zhuǎn)剛性和包絡剛性受輪胎帶束層鋼絲簾線的影響較小，基本未發(fā)生大的變化，但值得注意的是方案C輪胎的縱向剛性和橫向剛性相對較小。

2.8 接地印痕

輪胎作為車輛與路面接觸的唯一部位，其接地區(qū)域直接影響輪胎與路面間作用力的傳遞，接地面積大有利于輪胎抓著性能，接地壓力分布均勻有利于輪胎的磨耗性能等[7-8]。

使用輪胎綜合性能試驗機，采用壓力傳感器法，按照GB/T 22038—2018進行接地特性測試。試驗條件為：充氣壓力 220 kPa，負荷 460 kg。

3種方案輪胎的接地印痕如圖1所示，接地特性參數(shù)如表9所示。其中內(nèi)、外側(cè)胎肩接地長度為80%接地印痕寬度處對應胎肩位置的接地長度。硬度系數(shù)＝負荷/（接地印痕面積×輪胎充氣壓力），該參數(shù)等于1說明輪胎的充氣壓力剛好承受全部負荷，為理想狀態(tài)；大于1說明充氣壓力不能承受全部負荷（胎體骨架承受過多負荷）；小于1說明充氣壓力承受全部負荷后還有富余。接地印痕矩形比＝2×接地印痕中間長度/（內(nèi)側(cè)胎肩接地長度＋外側(cè)胎肩接地長度），可以表征接地印痕形狀，數(shù)值越大（＞1），接地印痕形狀越趨向橢圓形；越接近1，接地印痕形狀越趨向矩形。

圖1 3種方案輪胎的接地印痕

表9 3種方案輪胎的接地特性參數(shù)

從表9可以看出：方案C輪胎的接地印痕矩形比最小，接地印痕形狀更趨向矩形，理論上操縱性能較其他兩種方案輪胎更優(yōu)，但平均接地壓力更大；方案B輪胎的接地印痕中間長度和平均接地壓力均最小，接地區(qū)域受力更加均勻；方案A輪胎的接地印痕矩形比最大，接地印痕形狀更趨向橢圓形，其舒適性應較另兩種方案輪胎略好。

2.9 六分力

六分力為路面作用于輪胎上的垂向力、側(cè)向力、縱向力3個力和滾動阻力矩、側(cè)傾力矩、回正力矩3個力矩的總稱。六分力是研究輪胎力學性能和車輛動力學的基礎課題，特別是輪胎的側(cè)偏特性，它是指輪胎產(chǎn)生側(cè)偏角時側(cè)偏力、回正力矩與側(cè)偏角的關系，主要影響車輛的操縱穩(wěn)定性。

按照公司六分力試驗標準在六分力試驗機上進行輪胎側(cè)偏試驗，試驗條件為：充氣壓力 220 kPa，負荷 460 kg。

3種方案輪胎的六分力特性參數(shù)如表10所示，其中側(cè)偏剛度為±2°側(cè)偏角內(nèi)輪胎側(cè)偏力與側(cè)偏角關系直線的斜率，回正剛度為±2°側(cè)偏角內(nèi)回正力矩與側(cè)偏角關系直線的斜率。

表10 3種方案輪胎的六分力特性參數(shù)

從表10可以看出：隨著帶束層鋼絲簾線強度的增大，3種方案輪胎的側(cè)偏剛度、回正剛度逐漸減小，但變化幅度較?。?種方案輪胎的側(cè)向摩擦因數(shù)基本一致。

2.10 動態(tài)沖擊特性

輪胎能夠傳遞和過濾路面激勵對車輛的沖擊，輪胎動態(tài)沖擊特性對車輛平順性研究有重要指導意義[9-10]。在高速均勻性試驗機上進行沖擊特性試驗，根據(jù)沖擊塊的安裝形式又可分為橫置安裝（90°）及斜置安裝（45°），本工作主要研究3種方案輪胎在沖擊塊橫置安裝時的動態(tài)沖擊特性。

選取尺寸為15 mm×15 mm的沖擊塊在速度60 km·h-1下進行輪胎動態(tài)沖擊特性試驗，試驗條件為：充氣壓力 220 kPa，負荷 460 kg，采樣頻率為1 000 Hz，記錄輪胎在不同速度下通過沖擊塊的徑向力、縱向力和側(cè)向力。由于本試驗沖擊塊橫置安裝，僅針對徑向力和縱向力進行分析，同時通過傅里葉轉(zhuǎn)換將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，研究帶束層鋼絲簾線在頻域內(nèi)對輪胎動態(tài)沖擊特性的影響。

3種方案輪胎的徑向力和縱向力在時域和頻域內(nèi)的變化曲線分別如圖2和3所示，典型值分別如表11和12所示。

圖2 3種方案輪胎的徑向力在時域和頻域內(nèi)的變化曲線

圖3 3種方案輪胎的縱向力在時域和頻域內(nèi)的變化曲線

表11 3種方案輪胎的徑向力在時域和頻域內(nèi)的典型值

表12 3種方案輪胎的縱向力在時域和頻域內(nèi)的典型值

從圖2和3、表11和12可以看出：時域內(nèi)3種方案輪胎的首個波峰徑向力差異較小，但方案A輪胎的首個波谷徑向力最小，波峰與波谷徑向力的極差最小，因此，方案A輪胎的沖擊特性略優(yōu)于方案B，C輪胎；3種方案輪胎沖擊曲線形態(tài)上未發(fā)生大的變化，但隨著帶束層鋼絲簾線強度的增大，沖擊曲線后期衰減對應峰的位置發(fā)生變化，方案A輪胎沖擊峰前移；頻域內(nèi)3種方案輪胎的徑向一階固有頻率不同，其中方案A輪胎頻率最小，方案C輪胎頻率最大，但3種方案輪胎的頻率差異較小，徑向力峰值隨帶束層鋼絲簾線強度增大而逐漸減??；方案A輪胎的波峰與波谷縱向力的極差最大；頻域內(nèi)3種方案輪胎的縱向一階固有頻率差異較小，縱向力峰值隨帶束層鋼絲簾線強度的增大而逐漸增大。

3 結(jié)論

本工作從成品輪胎室內(nèi)試驗性能、滾動阻力、靜態(tài)剛性、接地印痕、六分力、動態(tài)沖擊特性方面進行分析，研究了3種帶束層鋼絲簾線對輪胎性能的影響，結(jié)論如下。

（1）3種帶束層鋼絲簾線輪胎的充氣外緣尺寸、強度性能、脫圈阻力、高速性能和耐久性能均符合國家標準要求。

（2）方案A，B輪胎的滾動阻力接近，方案C輪胎的滾動阻力最大，這與鋼絲簾線的質(zhì)量密切相關。

（3）3種方案輪胎靜態(tài)剛性差異較小，但方案C輪胎的縱向剛性和橫向剛性相對較小。

（4）方案A輪胎接地印痕形狀更趨向橢圓形，輪胎偏舒適型，方案C輪胎接地印痕形狀更趨向矩形，輪胎偏操控型。

（5）六分力方面，3種方案輪胎的側(cè)偏剛度和回正剛度隨帶束層鋼絲簾線強度的增大而逐漸減小，但變化幅度較小。

（6）動態(tài)沖擊特性方面，時域內(nèi)方案A輪胎的波峰與波谷徑向力的極差最小，波峰與波谷縱向力的極差最大，頻域內(nèi)3種方案輪胎的徑向和縱向一階固有頻率差異較小，但對應徑向力和縱向力峰值差異較大。

綜上所述，3種帶束層鋼絲簾線成品輪胎的室內(nèi)試驗結(jié)果均符合國家標準要求，帶束層鋼絲簾線主要影響輪胎的滾動阻力、接地印痕形狀和動態(tài)沖擊特性，對六分力及靜態(tài)剛性影響較小。同時，3種鋼絲簾線在成本方面存在差異，輪胎設計時應根據(jù)需要選擇合適的帶束層鋼絲簾線。