不同摩擦因數(shù)胎面膠對轎車子午線輪胎性能的影響

孫緒利，孫曉峰，張凱凱，王龍慶，李慧敏

（青島森麒麟輪胎股份有限公司，山東 青島 266229）

轎車子午線輪胎主要由胎面、胎側(cè)、胎體、冠帶層、帶束層、三角膠、鋼絲圈和內(nèi)襯層等組成，其中胎面作為輪胎與地面接觸的部件，在輪胎運(yùn)動中起著重要作用[1]。胎面提供輪胎運(yùn)動所需的制動力、驅(qū)動力和轉(zhuǎn)向力等，在影響輪胎使用壽命的同時，對隔離地面的激勵也起著重要作用。不同性能的輪胎對胎面膠性能的要求不同，如出租車輪胎需要耐磨性能好的胎面膠，偏舒適性的輪胎需要硬度略小的胎面膠，頻繁制動的輪胎需要具有較大摩擦因數(shù)的胎面膠等[2-4]。

本工作設(shè)計(jì)了3種摩擦因數(shù)的胎面膠，主要研究其對轎車子午線輪胎的滾動阻力、靜態(tài)剛性、接地印痕、六分力特性及整車性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

3種胎面膠（記為A，B，C）的基本性能如表1所示。

表1 3種胎面膠的基本性能

胎面膠A，B，C的摩擦因數(shù)逐漸減小，邵爾A型硬度和300%定伸應(yīng)力逐漸增大，拉斷伸長率和阿克隆磨耗量逐漸減小，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度逐漸升高，60 ℃時的tanδ有所降低，拉伸強(qiáng)度差異較小。

1.2 試驗(yàn)方案

采用3種胎面膠分別生產(chǎn)205/55R16轎車子午線輪胎，并進(jìn)行滾動阻力、靜態(tài)剛性、接地印痕、六分力試驗(yàn)，同時進(jìn)行實(shí)車評價。胎面膠A，B，C對應(yīng)試驗(yàn)方案記為方案A，B，C。

除胎面膠不同外，胎面擠出口型、其他半成品、成型機(jī)臺、硫化機(jī)臺和生產(chǎn)工藝均一致。為減少膠料混合的影響，每次擠出胎面膠前需要清理胎面擠出機(jī)料筒內(nèi)的余料，確保膠料無摻雜。

1.3 主要設(shè)備和儀器

滾動阻力試驗(yàn)機(jī)，德國采埃孚集團(tuán)公司產(chǎn)品；輪胎綜合性能試驗(yàn)機(jī)，汕頭市浩大輪胎測試裝備有限公司產(chǎn)品；六分力試驗(yàn)機(jī)，美國MTS公司產(chǎn)品。

2 結(jié)果與討論

2.1 滾動阻力

滾動阻力試驗(yàn)按照ISO 28580—2018《輪胎滾動阻力測試方法》進(jìn)行，試驗(yàn)條件為：充氣壓力200 kPa，負(fù)荷 600 kg。3種方案輪胎的滾動阻力系數(shù)如表2所示。

表2 3種方案輪胎的滾動阻力系數(shù)

從表2可以看出，3種方案輪胎的滾動阻力系數(shù)波動幅度小于2.5%，滾動阻力差異不明顯。這是因?yàn)樘ッ婺z60 ℃時的tanδ與輪胎滾動阻力有直接關(guān)系，60 ℃時的tanδ越小，輪胎滾動阻力越低[5]。本工作3種胎面膠60 ℃時的tanδ差異較小，因此3種方案輪胎的滾動阻力差異較小。

2.2 靜態(tài)剛性

輪胎縱向剛性和橫向剛性按照GB/T 23663—2020《汽車輪胎縱向和橫向剛性試驗(yàn)方法》進(jìn)行測試。

縱向剛性計(jì)算方法如下：縱向剛性＝（縱向力2-縱向力1）/（縱向位移2-縱向位移1）。其中，縱向力1為基準(zhǔn)縱向力減去250 N，縱向位移1為縱向力1所對應(yīng)的位移量；縱向力2為基準(zhǔn)縱向力加250 N，縱向位移2為縱向力2所對應(yīng)的位移量；基準(zhǔn)縱向力為試驗(yàn)中施加的徑向負(fù)荷×30%×9.8 m·s-2。

橫向剛性計(jì)算方法與縱向剛性一致。此外，本工作增加了輪胎徑向剛性、扭轉(zhuǎn)剛性和包絡(luò)剛性試驗(yàn)。

3種方案輪胎的不同剛性曲線如圖1—5所示，靜態(tài)剛性試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖1 3種方案輪胎的徑向力-位移曲線

圖2 3種方案輪胎的縱向力-位移曲線

圖3 3種方案輪胎的橫向力-位移曲線

圖4 3種方案輪胎的轉(zhuǎn)矩-扭轉(zhuǎn)角曲線

圖5 3種方案輪胎的包絡(luò)負(fù)荷-位移曲線

表3 3種方案輪胎的靜態(tài)剛性試驗(yàn)結(jié)果

從圖1—5和表3可以看出：輪胎的徑向剛性、橫向剛性變化較小（位移較小時3種方案輪胎的徑向力-位移曲線和橫向力-位移曲線基本重合）；輪胎的縱向剛性變化較大且由小到大依次為方案A、方案B和方案C，但在縱向力達(dá)到最大值（即輪胎產(chǎn)生縱向滑移）的情況下方案B輪胎的位移最大，其次是方案C輪胎，方案A輪胎的位移最小，這與3種胎面膠的摩擦因數(shù)有關(guān)，胎面膠的摩擦因數(shù)增大，輪胎位移減小；輪胎的扭轉(zhuǎn)剛性變化較大且由小到大依次為方案A、方案B和方案C，這與3種胎面膠的摩擦因數(shù)變化具有一致性，胎面膠的摩擦因數(shù)增大，輪胎的扭轉(zhuǎn)剛性減小；輪胎的包絡(luò)剛性變化較大且由小到大依次為方案A、方案B和方案C，這主要受胎面膠硬度的影響，胎面膠A的硬度最小，包覆能力最好。

2.3 接地印痕

采用壓力傳感器法，按照GB/T 22038—2018《汽車輪胎靜態(tài)接地壓力分布試驗(yàn)方法》進(jìn)行輪胎接地印痕測試，試驗(yàn)條件為：充氣壓力 230 kPa，負(fù)荷 460 kg。3種方案輪胎的接地印痕如圖6所示，接地特性參數(shù)如表4所示。

圖6 3種方案輪胎的接地印痕

表4 3種方案輪胎的接地特性參數(shù)

從圖6和表4可以看出，與方案B和C輪胎相比，方案A輪胎的接地面積略大且矩形比最大，有利于提高輪胎的抓著性能[6]；3種方案輪胎的其他接地特性參數(shù)差異不大。

2.4 六分力特性

按照公司標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行六分力試驗(yàn)（包括側(cè)偏試驗(yàn)和縱滑試驗(yàn)兩部分），試驗(yàn)條件為：充氣壓力230 kPa，負(fù)荷 492 kg。

側(cè)偏試驗(yàn)條件：路面速度為60 km·h-1，輪胎狀態(tài)為自由滾動，依實(shí)際需要設(shè)置側(cè)傾角（本工作側(cè)傾角為0°），側(cè)偏角輸入以線性掃掠形式進(jìn)行。通過測試可以得到輪胎側(cè)偏剛度和回正剛度等[7]。

縱滑試驗(yàn)條件：路面速度為60 km·h-1，輪胎狀態(tài)為加速或制動，依實(shí)際需要設(shè)置側(cè)傾角和側(cè)偏角，滑移率輸入以線性掃掠形式進(jìn)行，此部分可以模擬輪胎在加速或減速過程中輪胎力的變化。

3種方案輪胎的六分力特性參數(shù)如表5所示。

表5 3種方案輪胎的六分力特性參數(shù)

從表5可以看出：3種方案輪胎的側(cè)向摩擦因數(shù)、最大靜摩擦因數(shù)、縱向滑動摩擦因數(shù)與表1中胎面膠的摩擦因數(shù)差異較大（測試的樣品不同，設(shè)備也不同），但基本符合摩擦因數(shù)由大到小為A，B，C的規(guī)律；方案C輪胎的側(cè)偏剛度、回正剛度、縱滑剛度最大，其相應(yīng)的操控性能較好[8]；輪胎的側(cè)向力峰值、回正力矩峰值、縱向力峰值等極限性能受胎面膠摩擦因數(shù)的影響較大，隨胎面膠摩擦因數(shù)的增大而增大。

2.5 實(shí)車測試

為進(jìn)一步確認(rèn)胎面膠對輪胎性能的影響，將3種方案輪胎在同一時間段內(nèi)進(jìn)行實(shí)車測試，測試采用同一車輛，輪胎充氣壓力為230 kPa。3種方案輪胎的實(shí)車測試結(jié)果如表6所示，基礎(chǔ)轉(zhuǎn)向、操控穩(wěn)定性、舒適性均通過車手評分進(jìn)行評價。

表6 3種方案輪胎的實(shí)車測試結(jié)果

從表6可以看出：3種方案中，方案A輪胎的干地剎車距離最短，但與其他2個方案輪胎差異不大，這與六分力試驗(yàn)中縱向滑動摩擦因數(shù)相差較小一致；方案C輪胎的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)向及操控穩(wěn)定性最優(yōu)，這與方案C輪胎的側(cè)偏剛度、回正剛度最大有關(guān)；方案B輪胎的舒適性最好，其次是方案A輪胎，最差為方案C輪胎，輪胎舒適性受胎面膠硬度的影響最大。

3 結(jié)論

（1）使用3種摩擦因數(shù)胎面膠的輪胎的滾動阻力接近，這與胎面膠60 ℃時的tanδ差異較小有關(guān)。

（2）隨著胎面膠摩擦因數(shù)的減小，輪胎的縱向剛性和扭轉(zhuǎn)剛性變化較大，徑向剛性和橫向剛性變化不大，輪胎的包絡(luò)剛性隨胎面膠硬度的增大而增大。

（3）方案A輪胎的接地面積及矩形比較大，3種方案輪胎的其他接地特性參數(shù)差異較小。

（4）方案C輪胎的側(cè)偏剛度、回正剛度、縱滑剛度最大；成品輪胎的摩擦因數(shù)與胎面膠的摩擦因數(shù)呈正相關(guān)，但數(shù)值差異略大；側(cè)向力峰值、回正力矩峰值、縱向力峰值隨胎面膠摩擦因數(shù)的增大而增大。

（5）輪胎干地剎車距離與胎面膠的摩擦因數(shù)呈負(fù)相關(guān)，操控穩(wěn)定性受輪胎側(cè)偏剛度和回正剛度的影響較大，舒適性受胎面膠硬度的影響較大。