三角膠高度對(duì)轎車子午線輪胎接地特性的影響

陳建國(guó)，官聲欣

（萬(wàn)力輪胎股份有限公司，廣東 廣州 510940）

輪胎作為車輛與地面的接觸部件，其接地特性涉及到車輛的穩(wěn)定性、舒適性及噪聲等性能，且輪胎直接影響駕駛安全性，輪胎性能的重要性顯而易見(jiàn)[1]。車輛在行駛中會(huì)受到阻力，除了約80%的空氣阻力外，其余約20%為輪胎滾動(dòng)阻力，滾動(dòng)阻力增大會(huì)提高車輛的燃油消耗，增加二氧化碳?xì)怏w的排放量，不利于環(huán)境保護(hù)。研究表明，滾動(dòng)阻力每下降10%，乘用車的燃油消耗量可降低1%～2%[2]。三角膠作為子午線輪胎胎圈部位重要的硬質(zhì)純膠部件，用于填充鋼絲圈上部與胎側(cè)膠、胎體的空隙，防止胎坯成型時(shí)空氣殘留，同時(shí)減緩胎圈沖擊，增強(qiáng)胎圈部位剛性。三角膠高度對(duì)輪胎性能具有一定的影響，較高的三角膠高度可提升胎圈部位的剛性，在一定程度上有利于輪胎的操縱穩(wěn)定性、啟動(dòng)/制動(dòng)及轉(zhuǎn)向性能等，同時(shí)，較高剛性的胎側(cè)對(duì)于輪胎的舒適性和滾動(dòng)阻力性能等有一定程度的負(fù)面影響，因此設(shè)計(jì)合適的三角膠高度，對(duì)轎車子午線輪胎的性能匹配至關(guān)重要。輪胎的接地特性包括接地印痕的幾何尺寸（形狀）及接地壓力分布信息，研究方法主要為接地印痕試驗(yàn)、靜負(fù)荷試驗(yàn)及有限元仿真分析[3]。

本工作研究三角膠高度對(duì)轎車子午線輪胎接地特性、剛性和滾動(dòng)阻力的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)條件為：環(huán)境溫度 （25±5） ℃，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 250 kPa。試驗(yàn)前清理輪胎表面的泥土、石子、碎屑等污染物，并將輪胎裝配于輪輞上，充氣后在室溫下停放24 h以上。試驗(yàn)時(shí)將待測(cè)輪胎組合體豎直固定在試驗(yàn)機(jī)上。

1.2 方案設(shè)計(jì)

本工作以205/55R16和235/60R18兩種斷面高寬比轎車子午線輪胎為研究對(duì)象，通過(guò)調(diào)整三角膠高度，研究輪胎的接地特性、剛性和滾動(dòng)阻力的變化。205/55R16輪胎的三角膠高度分別設(shè)為a和a－5 mm，為方案A1和A2；235/60R18輪胎三角膠高度分別設(shè)為b和b－5 mm，為方案B1和B2，a和b分別為兩個(gè)規(guī)格輪胎三角膠的原始基準(zhǔn)高度。由于兩種輪胎的花紋、結(jié)構(gòu)、配方特性不同，測(cè)試數(shù)據(jù)僅用于橫向?qū)Ρ取?/p>

1.3 性能測(cè)試

（1）接地印痕。采用Tirescan壓力毯進(jìn)行測(cè)試，主要試驗(yàn)步驟如下：①按照胎側(cè)標(biāo)出的試驗(yàn)點(diǎn)施加標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷進(jìn)行測(cè)試；②在輪胎與試驗(yàn)平臺(tái)間放置壓力毯，以50 mm·min-1的速度施加徑向負(fù)荷，確保壓力毯受壓部位不起皺，加載完畢保持2 min以上，記錄該負(fù)荷下的輪胎下沉量、接地印痕形狀及接地壓力分布；③將輪胎以90°等間隔劃分為4個(gè)區(qū)域，分別對(duì)4個(gè)區(qū)域進(jìn)行接地印痕試驗(yàn)，記錄輪胎下沉量、接地印痕形狀及接地壓力分布；④使用Tirescan軟件分析輪胎接地壓力分布特征，取每條輪胎4次試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

（2）剛性。采用汕頭市浩大輪胎測(cè)試裝備有限公司生產(chǎn)的五剛試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 23663—2020進(jìn)行縱向剛性和橫向剛性測(cè)試。

（3）滾動(dòng)阻力。采用STL型滾動(dòng)阻力試驗(yàn)機(jī)，按照ISO 28580：2018進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 接地印痕

輪胎的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)接地印痕、輪胎剛性等靜態(tài)性能有較大的影響，起支撐作用的三角膠參數(shù)調(diào)整，通過(guò)胎側(cè)傳遞到胎面接地區(qū)域的力也隨之發(fā)生變化，從而對(duì)輪胎接地特性產(chǎn)生影響。輪胎接地印痕的部分參數(shù)如圖1所示。

圖1 輪胎接地印痕部分參數(shù)示意

（1）接地面積為充氣輪胎在垂直加載力的作用下與剛性地面或試驗(yàn)臺(tái)接觸的印痕的面積。（2）接地長(zhǎng)度為接地印痕中間位置沿車輛行駛方向的縱軸長(zhǎng)度。（3）接地寬度為接地印痕中間垂直于車輛行駛方向的橫軸長(zhǎng)度。（4）胎肩接地長(zhǎng)度為胎肩花紋塊接地印痕中間位置沿車輛行駛方向的縱軸長(zhǎng)度（取左右胎肩接地長(zhǎng)度的平均值）。（5）下沉量為無(wú)負(fù)荷時(shí)充氣輪胎斷面高度與負(fù)荷下充氣輪胎斷面高度之差。

不同三角膠高度方案輪胎的接地印痕如圖2所示，接地特性參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同方案輪胎的接地特性參數(shù)

圖2 不同方案輪胎的接地印痕

從圖2可以看出，不同三角膠高度、相同規(guī)格輪胎的整體接地印痕形狀接近，接地壓力分布均勻，局部形狀略有差異。

從表1可以看出：隨著三角膠高度的減小，兩個(gè)規(guī)格輪胎的接地面積均有增大趨勢(shì)，下沉量也隨之有不同程度的增大；接地長(zhǎng)度和接地寬度的變化趨勢(shì)略有不同，205/55R16輪胎的接地長(zhǎng)度和接地寬度無(wú)變化，但胎肩接地長(zhǎng)度增大3 mm，導(dǎo)致接地面積增大，而235/60R18輪胎的接地長(zhǎng)度略有增大，接地寬度無(wú)變化，胎肩接地長(zhǎng)度變化較小，接地長(zhǎng)度的變化導(dǎo)致接地面積增大。可見(jiàn)三角膠高度減小對(duì)不同規(guī)格輪胎接地面積的影響存在一定的差異。

2.2 剛性

不同三角膠高度方案輪胎的剛性試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同三角膠方案輪胎的剛性試驗(yàn)結(jié)果 N·mm-1

從表2可以看出，隨著三角膠高度的減小，兩個(gè)規(guī)格輪胎的縱向剛性和橫向剛性均有不同程度的下降，變化趨勢(shì)相同。這與三角膠高度減小導(dǎo)致胎側(cè)整體剛性減小有關(guān)。

2.3 滾動(dòng)阻力

輪胎滾動(dòng)阻力計(jì)算公式為

式中，R為滾動(dòng)阻力，Ui為單位體積膠料的應(yīng)變能，Vi為膠料單元體積，tanδi為能量損耗因子。

由此可見(jiàn)，輪胎滾動(dòng)阻力除涉及輪胎膠料的自身特性（tanδ）外，同時(shí)與輪胎各部件單位體積膠料的應(yīng)變能和體積，即輪胎的接地特性和各部位剛度特性也有較大關(guān)系[2]。

方案A1，A2，B1和B2輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)測(cè)試結(jié)果分別為7.0，6.9，7.2和7.0 N·kN-1。

由此可見(jiàn)，兩個(gè)規(guī)格輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)均隨著三角膠高度的減小而減小。這是因?yàn)檩喬ナ軌鹤冃未嬖谝欢ǖ牟町悾Y(jié)合輪胎剛性數(shù)據(jù)分析，胎側(cè)剛性減小，胎側(cè)變形增大，因此滾動(dòng)阻力系數(shù)有不同程度的減小。

3 結(jié)論

（1）三角膠高度減小，輪胎接地面積呈增大趨勢(shì)，兩個(gè)規(guī)格輪胎的接地長(zhǎng)度與胎肩接地長(zhǎng)度的變化規(guī)律略有不同，整體上呈增大趨勢(shì)。

（2）三角膠高度減小，輪胎的縱向剛性和橫向剛性呈降低趨勢(shì)。

（3）三角膠高度減小，輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)有不同程度的減小。