冠帶條纏繞方式對輪胎性能的影響

李慧敏，劉寶濤，張凱凱，王龍慶

（青島森麒麟輪胎股份有限公司，山東 青島 266229）

常見的輪胎冠帶條纏繞方式有“2-2-2”和“2-1-2”兩種（見圖1）。

圖1 冠帶條纏繞方式

采用“2-1-2”冠帶條纏繞方式，輪胎肩部冠帶條纏繞圈數（以下簡稱肩部纏繞圈數）增加有利于提高輪胎肩部剛性，增大對帶束層的箍緊作用[1]，均衡輪胎內部尤其是胎肩部位的剪應力，有利于提升輪胎的高速及耐久性能，但是其對于輪胎力學性能的影響卻鮮少提及；同時受肩部花紋塊寬度及生產成本的約束，肩部纏繞圈數可調整范圍有限。

本工作旨在通過調整肩部纏繞圈數、螺距及張力，研究冠帶條纏繞方式對輪胎性能的影響，以根據實際需求進行冠帶條纏繞方式的精細設計。

1 仿真分析

為避免盲目試驗造成不必要的浪費，先選取一種輪胎規格，對試驗方案進行一定程度的簡化，再進行仿真分析，以指導具體試驗方案的制定。

1.1 仿真方案的選取原則

仿真方案的選取原則為：（1）選取采用“2-1-2”纏繞方式的輪胎用于仿真分析；（2）選取負荷速度級別較大的輪胎用于仿真分析；（3）選取輪廓的斷面水平軸位置（H1/H2）較大的輪胎，其應力應變更容易集中于胎肩部位。滿足以上原則的輪胎的性能對于肩部纏繞圈數的變化更為敏感。

按以上原則選取275/60R20規格輪胎，設計了4個仿真分析方案，方案A，B，C，D（見圖2）的肩部纏繞圈數分別為1，2，3，4。

圖2 仿真方案示意

1.2 仿真結果

不同方案輪胎的仿真結果見表1，肩部應力分布見圖3。

表1 不同方案輪胎的仿真結果

因仿真方案的變化量為肩部纏繞圈數，主要對帶束層進行了不同程度的約束，故胎肩部位帶束層端點處的剪應力最受關注。

從圖3可以看出：4個方案輪胎的肩部應力分布差異不大，最大應力位置統一；在僅充氣狀態下，方案A，B，C輪胎的最大應力差異不大，方案D輪胎的最大應力略小；在充氣加負荷狀態下，隨著肩部纏繞圈數的增加，4個方案輪胎的肩部最大應力降低且降幅逐漸減小，方案C與方案D輪胎的最大應力差異較小。

圖3 不同方案輪胎的肩部應力分布

1.3 仿真分析結論

（1）肩部纏繞圈數從1增大到4，對輪胎外緣尺寸、接地印痕和接地壓力分布影響不大，整體趨勢為冠帶條肩部寬度增大，接地印痕趨于圓形，這與冠帶條的箍緊作用有關。

（2）隨著肩部纏繞圈數的增加，輪胎整體剛度及胎側剛度呈增大趨勢。其中肩部纏繞圈數由1增至2時輪胎剛度明顯增大，纏繞圈數繼續增加，剛度變化幅度減小。

（3）隨著肩部纏繞圈數的增加，帶束層層間剪切應變和肩部應力呈減小趨勢，肩部耐久性能提升，其中肩部纏繞圈數由1增至2時性能變化明顯，纏繞圈數繼續增加時性能變化減緩。

（4）隨著肩部纏繞圈數的增加，胎體反包端點應變能密度減小，胎體端點耐久性能提升。肩部纏繞圈數由1增至4，應變能密度減幅逐漸減小。

（5）隨著肩部纏繞圈數的增加，胎圈部位應力呈降低趨勢，胎圈部位耐久性能提升。

（6）隨著肩部纏繞圈數的增加，在充氣狀態下，1#及2#帶束層靠近胎面中心位置的張力減小，預測在高速離心力下帶束層變形減小，輪胎高速性能提高，其中肩部纏繞圈數由1增至3時性能提升幅度較大，由3增至4時性能提升減緩。

2 正交試驗

2.1 試驗方案

輪胎規格 205/55ZR16，花紋 LS388，負荷及速度級別 94W/XL，冠帶條纏繞方式 2-1-2，冠帶條簾線 1400dtex/2錦綸66簾線。

考慮冠帶條纏繞中的核心影響因素，選取4個因子：肩部纏繞圈數（因子A）、肩部纏繞螺距（因子B，單位為mm）、肩層張力（因子C，單位為N）、平鋪層張力（因子D，單位為N），肩層與平鋪層示意見圖4，每個因子設置3個水平（見表2）。

圖4 肩層與平鋪層示意

表2 正交試驗因子及水平

2.2 正交試驗結果

2.2.1 室內安全試驗

2.2.1.1 傾角高速試驗

傾角高速試驗條件：輪輞寬度 6.5J×16，充氣壓力 280 kPa，負荷 464.2 kg。

試驗方法：充氣后輪胎輪輞組合體停放3 h以上，停放溫度控制在（25±3） ℃；停放完成后將輪胎輪輞組合體安裝到高速耐久試驗機上，與試驗轉鼓鼓面保持3°傾角，施加相應負荷，在起始速度190 km·h-1下運行10 min后，在240 km·h-1下運行10 min，之后每運行10 min速度提升10 km·h-1，直至輪胎損壞，試驗結束。

傾角高速試驗結果見表3，其中，K1為水平1均值，為水平2均值，為水平3均值，R為極差。

表3 傾角高速試驗結果

9組試驗輪胎損壞形式一致，均為胎側脫層，說明此規格輪胎結構設計的短板主要在于胎側部位的設計。冠帶條在傾角高速試驗中能起到分擔下胎側部位應力的作用。如前所述，由仿真分析可知，隨著肩部纏繞圈數的增加，胎體反包端點應變能密度逐漸減小，可以降低由反包端點處應力集中造成的耐久性能損失，因此試驗結果也會因冠帶條纏繞方式不同而產生一定的差異。

由表3可知：肩部纏繞圈數的影響最大，肩部纏繞圈數為2時傾角高速試驗運行時間最長；肩部纏繞螺距也有較大的影響，螺距為11 mm時，傾角高速試驗運行時間最長；肩部張力越大越利于傾角高速性能；平鋪層張力影響較小，且影響方向不明顯，平鋪層張力為25 N時傾角高速性能最好。

2.2.1.2 高速性能試驗

高速性能試驗條件：輪輞寬度 6.5J×16，充氣壓力 360 kPa，負荷 455.6 kg。

試驗方法：第1階段，10 min內速度由零提升至初始速度230 km·h-1；第2階段，在初始速度下運行10 min，之后每個階段速度遞增10 km·h-1，第5和6階段運行時間為20 min，其余各階段運行時間為10 min，直至輪胎損壞，試驗結束。

高速性能試驗結果如表4所示。

表4 高速性能試驗結果

由表4可知：肩部纏繞圈數越大越有利于高速性能的提升，肩部纏繞圈數為3時輪胎高速運行時間最長，主要原因是在高速運行過程中，冠帶條對輪胎起到束縛作用，可以抵抗高速運轉帶來的離心力；肩部纏繞螺距為12 mm時高速運行時間最長，但值得注意的是，肩部纏繞螺距為12 mm的3組試驗中有兩組輪胎發生了爆破；肩層張力及平鋪層張力對高速性能試驗結果的影響規律不明顯。

2.2.2 六分力側偏試驗

六分力試驗分側偏、縱滑、垂向剛度3個分試驗，本工作只討論側偏試驗的結果。

六分力側偏試驗條件：負荷 536 kg，充氣壓力 250 kPa，試驗速度 60 km·h-1。

試驗方法：設置垂直負荷為測試負荷，輪胎為自由滾動狀態，側偏角輸入以線性掃掠形式進行，暖胎后側偏角起始值為-2°，第1結束值為15°，第2結束值為-15°，最終結束值為2°，側偏角加載速率為2（°）·s-1。選取側偏剛度和峰值側向力兩個指標進行具體分析。

2.2.2.1 側偏剛度

側偏剛度是決定輪胎及車輛操縱穩定性的重要參數，車輛的響應特性很大程度上取決于輪胎的側偏剛度，側偏剛度過小則車輛容易表現出轉向不足、轉向不線性等問題[2]。

側偏剛度試驗結果如表5所示。

表5 側偏剛度試驗結果

由表5可知：肩部纏繞圈數越小對于側偏剛度越有利，肩部纏繞圈數為1時側偏剛度最大，肩部纏繞圈數小，冠帶條對胎肩的束縛作用減小，接地面積增大，產生相同角度的側偏角形變需要的力更大，故側偏剛度大；肩部纏繞螺距、肩層張力和平鋪層張力對側偏剛度的影響很小，可以忽略。

2.2.2.2 峰值側向力

峰值側向力與垂直負荷的比值可以表征輪胎的最大側向靜摩擦因數；其與輪胎的側向附著極限有關，對輪胎操縱穩定性也有較大的影響。

峰值側向力試驗結果如表6所示。

表6 峰值側向力試驗結果

由表6可知：肩部纏繞圈數越小對于峰值側向力越有利，肩部纏繞圈數為1時峰值側向力最大；肩部纏繞螺距、肩層張力及平鋪層張力對峰值側向力的影響很小，可以忽略。

2.2.3 接地印痕試驗

GB/T 22038—2008《汽車輪胎靜態接地壓力分布試驗方法》印痕試驗涉及十多個指標[3]，本工作僅展示部分印痕參數（見圖5）的分析結果。

圖5 接地印痕參數

2.2.3.1 接地寬度

接地寬度試驗結果如表7所示。

表7 接地寬度試驗結果

由表7可知：肩部纏繞圈數為1時，冠帶條對輪胎的束縛作用較小，接地寬度最大；肩部纏繞螺距對接地寬度的影響方向不明確；4個因子對接地寬度的影響相對較小，在輪胎輪廓、帶束層寬度、充氣壓力一定時，接地寬度不會有太大的變化。

2.2.3.2 中間接地長度

中間接地長度試驗結果如表8所示。

表8 中間接地長度試驗結果

由表8可知：肩部纏繞圈數越大，中間接地長度越大，肩部纏繞圈數為3時冠帶條對肩部的束縛能力最大，在相同充氣壓力下，胎面更容易從中部接地；肩部纏繞螺距為10 mm時中間接地長度最大；肩層張力為20或25 N時中間接地長度較大；平鋪層張力為15 N時中間接地長度最大；從肩層與平鋪層的張力差異來看，趨向于小的平鋪層張力、大的肩層張力能夠得到更大的中間接地長度。

2.2.3.3 接地長度比值

通常通過接地長度比值對印痕的形狀進行評估判定[4]。接地長度比值試驗結果如表9所示。

表9 接地長度比值試驗結果

由表9可知：肩部纏繞圈數為3時接地長度比值最大，接地印痕更趨向于橢圓形；肩部纏繞螺距為11 mm時接地長度比值最大；肩層張力為20或25 N時接地長度比值較大；平鋪層張力為15 N時接地長度比值最大；趨向于小的平鋪層張力、大的肩層張力能夠得到更大的接地長度比值，冠帶條對肩部束縛能力的增強可使輪胎接地印痕更趨向于 橢圓形。

2.2.3.4 接地面積

一般認為接地面積大有利于抓著性能的提升。接地面積試驗結果如表10所示。

表10 接地面積試驗結果

由表10可知：肩部纏繞圈數為1時接地面積最大，這是因為冠帶條對輪胎的束縛減小，接地面積增大；肩部纏繞螺距為10 mm時接地面積最大；肩層張力及平鋪層張力對接地面積的影響很小。

3 結論

（1）仿真分析結果顯示，肩部纏繞圈數增加，有利于輪胎高速耐久性能的提升，但肩部纏繞圈數為1—2時性能提升效果明顯，肩部纏繞圈數繼續增大，提升效果明顯減緩。

（2）肩部纏繞圈數為1時，傾角高速試驗和高速性能試驗運行時間明顯較短，纏繞圈數為2時傾角高速性能最好，纏繞圈數為3時高速性能最好。肩層和平鋪層張力及肩部纏繞螺距對室內安全性能也有一定影響，但影響方向不明確且可能存在交互作用。

（3）肩部纏繞圈數對于側偏剛度及峰值側向力是主要影響因素，推測是其改變了冠帶條對胎肩的束縛作用，從而影響了接地狀態，進而影響力學性能。肩部纏繞圈數越小，側偏剛度及峰值側向力越大，但肩部纏繞圈數為2時可保證六分力及室內安全性能得到較好的均衡。

（4）冠帶條纏繞方式尤其是肩部纏繞圈數對接地印痕參數中的接地長度比值和接地面積影響較大；肩部纏繞圈數增加，接地面積減小，接地長度比值增大，接地印痕更趨向于橢圓形。