結構參數對輪胎沖擊特性的影響

孫緒利，李 帥，王志斌，李慧敏

（青島森麒麟輪胎股份有限公司，山東 青島 266229）

隨著我國汽車工業及市場的發展，人們對汽車性能的要求不僅局限在安全性和操縱穩定性，對于平順性的要求也越來越高[1-2]。汽車行駛的平順性直接影響人們的乘坐舒適性，影響平順性的因素主要有懸架、座椅、發動機和輪胎等[3]。作為車輛與路面接觸的唯一部件，輪胎會將路面障礙物如減速帶、凹坑等產生的沖擊力吸收并傳遞到整車[4]，因此汽車廠商對輪胎沖擊特性提出了更高的要求。由于輪胎供應商很難在整車開發過程中獲得樣車并對輪胎的沖擊特性進行主觀評價和測試，如何通過臺架試驗獲得輪胎的沖擊特性并以此預測、改善輪胎裝配后的沖擊特性已成為輪胎供應商亟需解決的問題。

目前，人們主要通過凸塊沖擊試驗研究輪胎的沖擊特性，研究重點主要為輪胎的使用工況如輪胎胎壓、試驗載荷、凸塊尺寸和試驗速度等[5]，對輪胎自身結構對輪胎沖擊特性的影響研究較少。本工作從輪胎結構出發，并從時域、頻域兩個角度分析研究輪胎三角膠高度、硬度和帶束層壓延厚度對輪胎沖擊特性的影響。

1 實驗

1.1 主要設備

HSU型高速均勻性試驗機，德國采埃孚公司產品。

1.2 試驗方法

試驗輪胎規格為205/55R16，試驗氣壓為250 kPa，試驗載荷為492 kg，在高速均勻性試驗機上橫向安裝凸塊（寬度和高度均為15 mm），在64.4 km·h-1速度下進行輪胎沖擊特性的面內試驗，采樣頻率為1 000 Hz，為了減小試驗誤差，每條輪胎進行16次試驗，然后對試驗數據進行平均處理。

選取與沖擊特性直接相關的垂向力（Fz）為研究對象，分析不同結構輪胎的Fz在時域內沖擊特性，同時將時域內信號經快速傅里葉變換轉換為頻域內信號[5]，從時域和頻域兩個角度分析輪胎結構對輪胎沖擊特性的影響。

2 輪胎結構參數對輪胎沖擊特性的影響

2.1 三角膠高度

作為下胎側區域重要的支撐部件，三角膠決定下胎側區域的剛性，起著從胎圈到胎側剛性過渡的作用，影響輪胎的乘坐舒適性及轉向性能[6-7]。三角膠高度作為三角膠設計的重要參數，對輪胎性能有重要作用。本工作設計了與試驗輪胎斷面高度成不同比例（0.26，0.31，0.36）的三角膠，其高度分別為30，35，40 mm，分別進行輪胎沖擊試驗，結果如圖1和2及表1所示。

表1 不同三角膠高度下Fz在時域、頻域內的典型值

從圖1和2及表1可以看出：從時域角度來看，不同三角膠高度輪胎的Fz曲線無明顯差異，三角膠高度為30 mm時在0.1～0.15 s內輪胎的Fz曲線波峰稍向右移，首個波峰Fz隨三角膠高度的增大先增大后減小，首個波谷Fz隨三角膠高度增大而增大，從極差（波峰和波谷Fz之差）來看，三角膠高度為40 mm時極差最小；從頻域角度來看，首個波峰Fz隨三角膠高度的增大而逐漸減小，所對應頻率未發生變化。實際上三角膠高度的增大會引起輪胎剛性的變化，剛性直接影響輪胎的固有頻率，3種三角膠高度的輪胎測得的靜態垂向剛性分別為204.1，210.1，223.2 N·mm-1，差異較小，引起的固有頻率偏移量較小，在頻域圖中未能體現。

2.2 三角膠硬度

三角膠硬度也是影響三角膠支撐作用的重要因素。本工作選取3種不同硬度的三角膠膠料進行試驗，3種膠料邵爾A型硬度分別為85，92和96度，結果如圖3和4及表2所示。

表2 不同三角膠硬度下Fz在時域、頻域內的典型值

從圖3和4及表2可以看出：從時域角度來看，不同三角膠硬度輪胎的Fz曲線差異較小，但在0.06 s后，三角膠硬度為85度時Fz衰減略快；隨著膠料硬度增大，首個波峰Fz逐漸增大，首個波谷Fz先減小后增大，波動范圍較小，三角膠硬度為92度時Fz極差最大，其他2種硬度下Fz極差相近；從頻域角度來看，首個波峰Fz隨三角膠硬度的增大先減小后增大，對應頻率未發生變化。3種三角膠硬度輪胎的靜態垂向剛性分別為207.5，210.1，209.2 N·mm-1，差異較小，輪胎的固有頻率變化很小。

2.3 帶束層壓延厚度

帶束層作為輪胎的主要受力部件，其在輪胎與障礙物接觸過程中，起著緩和沖擊的作用，帶束層壓延厚度是帶束層設計的重要參數，壓延厚度太大會增加生產成本，太小會影響帶束層鋼絲與其他部件的粘合能力。為研究帶束層壓延厚度對輪胎沖擊特性的影響，本工作選取2×0.30ST鋼絲簾線按照不同帶束層壓延厚度（1.10，1.15，1.20，1.25 mm）制造輪胎，并進行沖擊試驗，結果如圖5和6及表3所示。

表3 不同帶束層壓延厚度下Fz在時域、頻域內的典型值

由圖5和6及表3可知：從時域角度來看，不同帶束層壓延厚度的輪胎Fz曲線差異不明顯，帶束層壓延厚度增大，首個波峰與波谷Fz沒有明顯的變化規律，其中在0.1 s后，帶束層壓延厚度為1.10 mm的輪胎每個波峰Fz較其他厚度稍大，4種帶束層壓延厚度輪胎的Fz極差差異較小；從頻域角度來看，帶束層壓延厚度為1.10或1.20 mm時首個波峰Fz較小，帶束層壓延厚度為1.15 mm時首個波峰Fz最大，4種帶束層壓延厚度輪胎首個波峰對應的頻率相同。4條輪胎的靜態垂向剛性分別為238.1，239.2，238.1，240.4 N·mm-1，帶束層壓延厚度對輪胎靜態垂向剛性的影響很小，難以引起輪胎固有頻率的變化。

3 結論

本工作通過在常用車速下沖擊凸塊進行沖擊試驗并做數據處理，從時域、頻域兩個角度分析了三角膠高度、三角膠硬度及帶束層壓延厚度對輪胎沖擊特性的影響，得出以下結論。

（1）從時域角度來看，輪胎的Fz并未隨三角膠高度增大而增大，而是根據輪胎斷面高度存在一個最優值；從頻域角度來看，三角膠高度在一定范圍內對輪胎固有頻率的影響較小，Fz峰值隨三角膠高度的增大而減小。

（2）從時域角度來看，輪胎的Fz極差隨三角膠硬度的增大波動較小；從頻域角度來看，三角膠硬度對輪胎固有頻率的影響較小，三角膠硬度為85度時Fz峰值最大。

（3）從時域角度來看，輪胎Fz的變化與帶束層壓延厚度無明顯規律；從頻域角度來看，帶束層壓延厚度在1.10或1.20 mm時輪胎Fz的峰值較小。