12R22.5規格載重子午線輪胎接地印痕和壓力分布優化改進

崔魯欣，謝東健，張浩銀

(1.青島科技大學高分子科學與工程學院，山東 青島 266061；2.青島格銳達橡膠有限公司，山東 青島 266061；3.固鉑輪胎橡膠公司亞太技術中心，江蘇 昆山 215331)

輪胎的接地印痕形狀和壓力分布影響輪胎的胎面磨耗和滾動阻力等性能，綜合提升輪胎的接地印痕和壓力分布對輪胎的使用壽命至關重要。

輪胎的接地印痕形狀和壓力分布與輪胎的輪廓設計、帶束層結構、胎冠弧結構、材料厚度分布、氣壓與負荷等因素有關。帶束層是載重子午線輪胎的主要受力部件，承受著60%～75%的輪胎內壓應力，在很大程度上決定著充氣輪胎的形狀以及輪胎各部位由內壓引起的初始應力。帶束層結構主要是指它的層數、簾線排列的角度和密度、排列方式、帶束層的厚度、寬度和長度以及所采用的簾線結構與類型等。

本文通過改變帶束層寬度、胎面口型形狀及調整胎冠弧的方法，結合TireScan壓力分布測量系統，來優化改進輪胎的接地印痕形狀和壓力分布，進而達到改善該輪胎使用性能的目的。

1 試驗

1.1 主要試驗設備

（1）輪胎綜合強度試驗機，高鐵檢測儀器公司產品；

（2）TireScan壓力分布測量系統，美國Tekscan公司產品。

1.2 試驗方案

1.2.1 方案一：胎面口型形狀調整

調整胎面口型形狀，適當增加胎面肩部材料1～3 mm，減少胎面中心材料0.5～2 mm。

1.2.2 方案二：帶束層寬度調整

1#帶束層寬度增加6 mm，4#帶束層寬度增加6 mm，2#和3#帶束層寬度保持不變。

1.2.3 方案三：模具胎冠弧調整

在方案一胎面口型形狀和方案二帶束層寬度調整的基礎上，修改模具胎冠弧尺寸，行駛面寬度增加6 mm，行駛面弧度高減小2.5 mm。

1.3 測試方法

環境條件為：溫度18～36℃。實驗條件和步驟依據GB/T 22038—2008《汽車輪胎靜態接地壓力分布試驗方法》確定。

（1）將待測輪胎裝配后，充氣至單胎額定氣壓，充氣完畢后放置24 h后重新測量氣壓，若氣壓不足，需補足后進行試驗。

（2）對輪胎表面的排氣膠須、模縫膠邊進行修剪，檢驗輪胎表面是否有泥土、碎屑及其他污染物等，并進行清理。將裝配充氣完畢的輪胎安裝到輪胎綜合強度試驗機上。

（3）采用TireScan壓力分布測量系統，并按單胎額定負荷進行試驗，記錄試驗數據。

2 結果與討論

2.1 接地印痕和壓力分布相關參數規定

如圖1所示為12R22.5規格輪胎方案三的接地印痕形狀，X，Y和Z分別表示接地印痕縱向的參數，W表示接地印痕寬度方向的參數。接地印痕外形控制參數設計目標值的確定根據輪胎的不同花紋形狀、輪胎的市場定位及公司產品試驗數據的積累等綜合設定。

圖1 輪胎接地印痕外形控制參數的規定

如圖2所示為12R22.5規格輪胎方案三的接地壓力分布形狀，SH代表輪胎印痕在肩部的接地區域，C代表輪胎印痕在胎冠中心的接地區域，IMC代表輪胎印痕在肩部與胎冠中心之間的接地區域[1]。

圖2 輪胎接地壓力負荷分擔控制中的相關參數規定

2.2 接地印痕形狀和壓力分布

12R22.5規格輪胎接地印痕和壓力分布采用單胎額定充氣壓力和負荷進行測試，所得接地印痕和壓力分布如圖3所示。

圖3 12R22.5規格接地印痕形狀和壓力分布圖

2.3 接地印痕測量數據分析

對各方案輪胎的接地印痕進行測量和分析，所得接地印痕參數如表1和表2所示。

通過對接地印痕參數的分析，方案一的Y2′/X和Y1′/X值低于目標值11.5%和13.4%，方案二的Y2′/X和Y1′/X在方案一的基礎上增加3.2%和9.7%，調整帶束層寬度能改善印痕形狀，但方案一和方案二還不能滿足設計目標的要求。

表1 12R22.5規格接地印痕測量數據匯總表 mm

表2 12R22.5規格印痕外形控制參數表 %

調整模具胎冠弧，方案三的 Y2′/X由84.7%調整到93.3%，增加8.6%； Y1′/X由89.3%調整到92.5%，增加3.2%。滿足設計目標要求。結合圖3所示的接地印痕形狀，輪胎接地印痕形狀更接近于理想狀態。

2.4 壓力分布參數分析

對各方案輪胎的壓力分布進行測量和分析，所得壓力分布參數如表3和表4所示。

表3 12R22.5規格壓力分布測量數據匯總表

表4 12R22.5規格壓力分布控制參數表

通過對壓力分布參數的分析，可以看出通過調整模具胎冠弧，方案三的肩部接地區域和肩部與胎冠中心之間的區域SH/IMC的負荷比為1.17，肩部接地區域和胎冠中心接地區域SH/C的負荷比為0.919 1，肩部與胎冠中心之間的區域和胎冠中心接地區域IMC/C的負荷比為0.785 6，同時結合圖3所示的壓力分布圖可以看出，輪胎接地壓力分布的梯度分配更合理，壓力分布更均勻。

3 輪胎結構參數調整與輪胎使用性能的關系

輪胎作為車輛中唯一與地面接觸的部件，其接地印痕形狀和壓力分布直接影響汽車的牽引／制動、輪胎與地面的接觸噪聲及輪胎的操縱、耐磨和滾動阻力等重要性能，同時輪胎與地面的接觸壓力分布也直接影響輪胎的使用壽命[2]。

輪胎耐磨性（磨損）、滾動阻力和抓地性能是輪胎的最主要性能，由于橡膠材料的低模量、高伸長率的固有特性，這三個性能相互制約且矛盾突出，對三大重要性能中的1項或2項進行改進時，往往會引起第3項性能的損失，因此三者的關系被稱為“魔鬼三角”。而這些性能均與輪胎在接地面內的接地特性直接相關，利用接地印痕和壓力分布對輪胎的這些性能進行評價，是以輪胎性能為目標對輪胎結構優化設計研究的基礎。為了協調輪胎性能之間的矛盾，國內外諸多專家學者從輪胎膠料配方、輪胎結構及使用條件等方面進行了深入的研究。

梁晨等[2～3]以385/65R22.5輪胎試驗驗證了接地形狀系數變化規律與三種胎的胎面磨損有很好的相關性。T1胎接地形狀系數最大（接地形狀為凹形），胎面磨損性能最差。胎面磨損嚴重且裂紋常常出現在花紋溝底。T3胎接地形狀系數最小（接地形狀為凸形），胎面磨損性能最好。

趙璠等[4]分析了隨著帶束層寬度和角度的增大，輪胎接地壓力分布更均勻，有利于改善輪胎的抓著性和舒適性。

劉連波等[5]研究了對于寬行駛面全鋼載重子午線輪胎，適當增大帶束層的寬度，使最寬帶束層寬度與行駛面寬度的比值約為0.9，輪胎接地壓力分布明顯改善。成品輪胎外緣尺寸變化不大，耐久性能顯著提高。胎肩脫層現象減少。

載重子午線輪胎的帶束層寬度一般與胎面寬度相等。太窄會降低胎冠部位的剛性和穩定性，還會造成磨肩現象。過寬又會造成帶束層脫層。根據大量實踐證明，帶束層寬度（BW）與行駛面寬度（b）之比為1.05以下，對保持輪胎使用的耐久性有利。但從防止胎肩異常磨損來看，BW/b在0.9以上為宜，因此兼顧上述兩項性能，取值范圍確定為0.94～1.05。最上層的保護層的寬度，應為最寬層帶束層寬度的50%以上。若過渡層為兩條斷開的窄條，寬度約為最寬層的30%。

輪胎行駛面的形狀對胎面的耐磨性、牽引性、轉向性以及生熱等多項使用性能有直接的影響。隨著汽車工業、交通運輸業的發展和公路狀況的改善，輪胎正向著增加輪胎行駛面寬度、降低輪胎行駛面弧度高的趨勢發展，以顯著地提高輪胎的使用性能。

b值過大時即行駛面過寬時，胎肩增厚，生熱量過高，散熱困難，以致造成胎肩、胎冠脫層而早期損壞，影響輪胎的使用壽命；b值過小即行駛面過窄，胎面與路面接觸面積小，平均單位壓力增大，極易早期磨損。行駛面弧度高h值過大即胎冠曲率過大，胎面與路面接觸面積小，耐磨性能差；行駛面弧度高h值過小時，雖然耐磨性能和附著性能得以提高，但胎肩過厚，影響散熱。因此調整輪胎胎冠弧時需綜合考慮各方面因素。

4 各方案的變量與相應性能結果的關系

方案一通過調整胎面口型形狀，使輪胎胎冠部膠料分布更加均勻，從而減少輪胎的不均勻磨耗，延長輪胎的使用壽命。

方案二通過增加帶束層寬度，帶束層端部更加靠近胎肩部位，接地印痕肩部長軸增加，接地印痕面積增大，同時接地壓力肩部負荷增加，帶束層的剛性增大，而帶束層的剛性會直接影響輪胎使用性能，如耐磨性、操縱穩定、安全性和節能性等。

方案三通過模具胎冠弧的調整，即增加輪胎行駛面寬度，減小輪胎行駛面弧度高，接地印痕形狀更接近于理想狀態，接地印痕中部長軸略有縮短、接地印痕肩部長軸增加，接地印痕寬度增加，接地印痕面積增大；同時方案三輪胎的接地壓力負荷中部減小、接地壓力肩部負荷增加，接地壓力分布的梯度分配更合理，平均壓力減小，這均有利于提高輪胎的耐磨性能；輪胎接地壓力分布得到優化，壓力分布不均勻度大幅下降，整體壓力分布更加均勻，從而減少輪胎的異常磨損、偏磨、不均勻磨耗。方案三通過增加行駛面寬度，減小行駛面弧度高，達到增加接地面積的目的，從而優化改善輪胎胎面膠的耐磨性及磨耗均勻性、輪胎抓著性的效果。

方案二的增加帶束層寬度使得胎冠形變往胎側的傳遞受到限制，增加了胎面及帶束層受力，造成滾動阻力的提升；方案三通過增加行駛面寬度，減小行駛面弧度高，接地面積增加，輪胎的滾動阻力增加。兩個方案雖然使滾動阻力增加，但降低滾動阻力可以從調整輪胎材料特性、輪胎結構、輪胎質量和使用條件等其他方面進行。另外單純降低輪胎滾動阻力通常要犧牲輪胎的某些性能，特別是抓地性能。從安全角度出發，輪胎應保持一定的抓地性能。

5 結論

通過試驗結果分析表明，改變胎面口型形狀及帶束層寬度可以改善12R22.5規格輪胎接地印痕形狀和壓力分布，但不能滿足設計目標要求。而適當增加輪胎行駛面寬度，減小輪胎行駛面弧度高，可以使12R22.5規格輪胎接地印痕形狀更接近于理想狀態，壓力分布更均勻。