帶束層鋼絲簾線對半鋼子午線輪胎性能的影響

孫緒利，張凱凱，王龍慶，邢玉偉，李慧敏

（青島森麒麟輪胎股份有限公司，山東 青島 266229）

半鋼子午線輪胎是由橡膠、鋼絲簾線和纖維簾線等材料組成的復合制品[1-2]。輪胎各部件具有獨特的性能，如內襯層可以防止輪胎漏氣、冠帶層可以約束輪胎高速旋轉時產生的膨脹，胎面、胎側、胎圈、胎體、帶束層、冠帶層和內襯層等通過特定設備和工藝緊密結合成整體，共同實現輪胎的功能[3]。

帶束層是輪胎的主要受力部件，能夠緩和路面沖擊傳遞給車輛的能量，對汽車行駛的高速性能、平穩性和舒適性有重要作用[4-6]。帶束層以一定角度交叉貼合在胎體上方、冠帶層下方，沿胎面中心線圓周方向箍緊胎體，可以保持輪胎充氣后的形狀。

本工作通過成品輪胎室內試驗及滾動阻力、靜態剛性、接地印痕、六分力和動態沖擊特性試驗，探討帶束層鋼絲簾線對半鋼子午線輪胎性能的影響。

1 實驗

1.1 試驗材料

選用目前常用于半鋼子午線輪胎的3種鋼絲簾線作為帶束層材料，其基本性能指標如表1所示。

從表1可以看出，3種鋼絲簾線的線密度、破斷力和相應的輪胎安全倍數逐漸增大。

1.2 試驗方案

采用單變量分析方法，分別使用鋼絲簾線1—3，設計A—C三種試驗方案，每種方案均生產15條215/55R17 98W規格半鋼子午線輪胎，進行成品輪胎室內試驗及滾動阻力、靜態剛性、接地印痕、六分力和動態沖擊特性試驗，不同方案輪胎試驗條件均一致。為減小輪胎之間的差異，除帶束層鋼絲簾線外，輪胎其他部件均為同一批次且由同一成型機、同一硫化機和同一組操作人員生產。

1.3 主要設備和儀器

滾動阻力試驗機、高速均勻性試驗機，德國采埃孚集團公司產品；輪胎綜合性能試驗機，汕頭市浩大輪胎測試裝備有限公司產品；六分力試驗機，美國MTS公司產品。

2 結果與討論

2.1 充氣外緣尺寸

按照GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測量方法》，將成品輪胎安裝在標準輪輞上，在標準充氣壓力下測量輪胎的外直徑及斷面寬。3種方案輪胎的充氣外緣尺寸如表2所示。

表2 3種方案輪胎的充氣外緣尺寸 mm

從表2可以看出，3種方案輪胎的外直徑及斷面寬均符合國家標準要求（外直徑 660.9～675.1 mm，斷面寬 217.0～235.0 mm）。

2.2 強度性能

按照GB/T 4502—2016測試成品輪胎的強度性能，試驗條件為：充氣壓力 220 kPa，壓頭直徑19 mm。

3種方案輪胎的強度性能試驗結果如表3所示。

表3 3種方案輪胎的強度性能試驗結果

從表3可以看出，3種方案輪胎的強度性能均符合國家標準要求（標準破壞能為585 J）。

2.3 脫圈阻力

按照GB/T 4502—2016測試成品輪胎的脫圈阻力，試驗條件為：充氣壓力 220 kPa，壓塊水平距離 305 mm。

3種方案輪胎的脫圈阻力試驗結果如表4所示。

表4 3種方案輪胎的脫圈阻力試驗結果

從表4可以看出，3種方案輪胎的脫圈阻力均符合國家標準要求（標準脫圈阻力為11 120 N）。

2.4 高速性能

按照GB/T 4502—2016測試成品輪胎的高速性能，試驗條件為：充氣壓力 360 kPa，試驗負荷標準負荷的68%，速度級別 W。

當輪胎行駛速度達到270 km·h-1并運行10 min時，輪胎未損壞，每10 min速度再遞增10 km·h-1，直至輪胎損壞。

3種方案輪胎的高速性能試驗結果見表5。

表5 3種方案輪胎的高速性能試驗結果

從表5可以看出，3種方案輪胎的高速性能均滿足國家標準要求。

2.5 耐久性能

按照GB/T 4502—2016測試成品輪胎的耐久性能，試驗條件為：耐久充氣壓力 220 kPa，低氣壓充氣壓力 160 kPa。

低氣壓耐久試驗步驟如表6所示。國家標準要求完成第4階段，本次試驗至第7階段結束（從第4階段開始為低氣壓試驗部分）。

表6 低氣壓耐久試驗步驟

試驗結束時，3種方案輪胎在耐久階段行駛34 h均未損壞，在低氣壓階段累計行駛時間均為6 h，符合標準要求。

2.6 滾動阻力

按照ISO 28580—2018《輪胎滾動阻力測試方法》測試成品輪胎的滾動阻力。試驗條件為：充氣壓力 250 kPa，負荷 600 kg。

3種方案輪胎的滾動阻力試驗結果見表7。

表7 3種方案輪胎的滾動阻力試驗結果

從表7可以看出，隨著輪胎質量的逐漸增大，輪胎的滾動阻力提高，其中方案C的滾動阻力系數最大，方案A的滾動阻力系數最小，因此，輪胎滾動阻力與質量密切相關。由于3種方案輪胎的安全倍數均符合企業標準要求，在滿足安全性能的前提下，使用更輕量化的帶束層鋼絲簾線（如材料1）既能降低成本，又有利于降低輪胎的滾動阻力。

2.7 靜態剛性

靜態剛性是輪胎在靜載條件下的基礎性指標，主要包括徑向剛性、縱向剛性、橫向剛性、扭轉剛性和包絡剛性。在規定的徑向負荷下，輪胎徑向力變化量與其徑向位移的比值為徑向剛性，可以反映輪胎徑向承載能力和振動緩沖能力；輪胎縱向力變化量與其縱向位移的比值為縱向剛性，可以反映輪胎的制動能力；輪胎橫向力變化量與其橫向位移的比值為橫向剛性，可以反映輪胎的操控能力；輪胎扭矩與輪胎角位移的比值為扭轉剛性；輪胎包絡力變化量與包絡位移的比值為包絡剛性。

GB/T 23663—2020規定了輪胎縱向剛性和橫向剛性的試驗方法，本工作在GB/T 23663—2020的基礎上增加了徑向剛性、扭轉剛性和包絡剛性試驗。試驗設備為輪胎綜合性能試驗機，試驗條件為：充氣壓力 220 kPa，負荷 460 kg。

3種方案輪胎的靜態剛性試驗結果見表8。

表8 3種方案輪胎的靜態剛性試驗結果

從表8可以看出，輪胎的徑向剛性、縱向剛性、橫向剛性、扭轉剛性和包絡剛性受輪胎帶束層鋼絲簾線的影響較小，基本未發生大的變化，但值得注意的是方案C輪胎的縱向剛性和橫向剛性相對較小。

2.8 接地印痕

輪胎作為車輛與路面接觸的唯一部位，其接地區域直接影響輪胎與路面間作用力的傳遞，接地面積大有利于輪胎抓著性能，接地壓力分布均勻有利于輪胎的磨耗性能等[7-8]。

使用輪胎綜合性能試驗機，采用壓力傳感器法，按照GB/T 22038—2018進行接地特性測試。試驗條件為：充氣壓力 220 kPa，負荷 460 kg。

3種方案輪胎的接地印痕如圖1所示，接地特性參數如表9所示。其中內、外側胎肩接地長度為80%接地印痕寬度處對應胎肩位置的接地長度。硬度系數＝負荷/（接地印痕面積×輪胎充氣壓力），該參數等于1說明輪胎的充氣壓力剛好承受全部負荷，為理想狀態；大于1說明充氣壓力不能承受全部負荷（胎體骨架承受過多負荷）；小于1說明充氣壓力承受全部負荷后還有富余。接地印痕矩形比＝2×接地印痕中間長度/（內側胎肩接地長度＋外側胎肩接地長度），可以表征接地印痕形狀，數值越大（＞1），接地印痕形狀越趨向橢圓形；越接近1，接地印痕形狀越趨向矩形。

圖1 3種方案輪胎的接地印痕

表9 3種方案輪胎的接地特性參數

從表9可以看出：方案C輪胎的接地印痕矩形比最小，接地印痕形狀更趨向矩形，理論上操縱性能較其他兩種方案輪胎更優，但平均接地壓力更大；方案B輪胎的接地印痕中間長度和平均接地壓力均最小，接地區域受力更加均勻；方案A輪胎的接地印痕矩形比最大，接地印痕形狀更趨向橢圓形，其舒適性應較另兩種方案輪胎略好。

2.9 六分力

六分力為路面作用于輪胎上的垂向力、側向力、縱向力3個力和滾動阻力矩、側傾力矩、回正力矩3個力矩的總稱。六分力是研究輪胎力學性能和車輛動力學的基礎課題，特別是輪胎的側偏特性，它是指輪胎產生側偏角時側偏力、回正力矩與側偏角的關系，主要影響車輛的操縱穩定性。

按照公司六分力試驗標準在六分力試驗機上進行輪胎側偏試驗，試驗條件為：充氣壓力 220 kPa，負荷 460 kg。

3種方案輪胎的六分力特性參數如表10所示，其中側偏剛度為±2°側偏角內輪胎側偏力與側偏角關系直線的斜率，回正剛度為±2°側偏角內回正力矩與側偏角關系直線的斜率。

表10 3種方案輪胎的六分力特性參數

從表10可以看出：隨著帶束層鋼絲簾線強度的增大，3種方案輪胎的側偏剛度、回正剛度逐漸減小，但變化幅度較?。?種方案輪胎的側向摩擦因數基本一致。

2.10 動態沖擊特性

輪胎能夠傳遞和過濾路面激勵對車輛的沖擊，輪胎動態沖擊特性對車輛平順性研究有重要指導意義[9-10]。在高速均勻性試驗機上進行沖擊特性試驗，根據沖擊塊的安裝形式又可分為橫置安裝（90°）及斜置安裝（45°），本工作主要研究3種方案輪胎在沖擊塊橫置安裝時的動態沖擊特性。

選取尺寸為15 mm×15 mm的沖擊塊在速度60 km·h-1下進行輪胎動態沖擊特性試驗，試驗條件為：充氣壓力 220 kPa，負荷 460 kg，采樣頻率為1 000 Hz，記錄輪胎在不同速度下通過沖擊塊的徑向力、縱向力和側向力。由于本試驗沖擊塊橫置安裝，僅針對徑向力和縱向力進行分析，同時通過傅里葉轉換將時域信號轉換為頻域信號，研究帶束層鋼絲簾線在頻域內對輪胎動態沖擊特性的影響。

3種方案輪胎的徑向力和縱向力在時域和頻域內的變化曲線分別如圖2和3所示，典型值分別如表11和12所示。

圖2 3種方案輪胎的徑向力在時域和頻域內的變化曲線

圖3 3種方案輪胎的縱向力在時域和頻域內的變化曲線

表11 3種方案輪胎的徑向力在時域和頻域內的典型值

表12 3種方案輪胎的縱向力在時域和頻域內的典型值

從圖2和3、表11和12可以看出：時域內3種方案輪胎的首個波峰徑向力差異較小，但方案A輪胎的首個波谷徑向力最小，波峰與波谷徑向力的極差最小，因此，方案A輪胎的沖擊特性略優于方案B，C輪胎；3種方案輪胎沖擊曲線形態上未發生大的變化，但隨著帶束層鋼絲簾線強度的增大，沖擊曲線后期衰減對應峰的位置發生變化，方案A輪胎沖擊峰前移；頻域內3種方案輪胎的徑向一階固有頻率不同，其中方案A輪胎頻率最小，方案C輪胎頻率最大，但3種方案輪胎的頻率差異較小，徑向力峰值隨帶束層鋼絲簾線強度增大而逐漸減小；方案A輪胎的波峰與波谷縱向力的極差最大；頻域內3種方案輪胎的縱向一階固有頻率差異較小，縱向力峰值隨帶束層鋼絲簾線強度的增大而逐漸增大。

3 結論

本工作從成品輪胎室內試驗性能、滾動阻力、靜態剛性、接地印痕、六分力、動態沖擊特性方面進行分析，研究了3種帶束層鋼絲簾線對輪胎性能的影響，結論如下。

（1）3種帶束層鋼絲簾線輪胎的充氣外緣尺寸、強度性能、脫圈阻力、高速性能和耐久性能均符合國家標準要求。

（2）方案A，B輪胎的滾動阻力接近，方案C輪胎的滾動阻力最大，這與鋼絲簾線的質量密切相關。

（3）3種方案輪胎靜態剛性差異較小，但方案C輪胎的縱向剛性和橫向剛性相對較小。

（4）方案A輪胎接地印痕形狀更趨向橢圓形，輪胎偏舒適型，方案C輪胎接地印痕形狀更趨向矩形，輪胎偏操控型。

（5）六分力方面，3種方案輪胎的側偏剛度和回正剛度隨帶束層鋼絲簾線強度的增大而逐漸減小，但變化幅度較小。

（6）動態沖擊特性方面，時域內方案A輪胎的波峰與波谷徑向力的極差最小，波峰與波谷縱向力的極差最大，頻域內3種方案輪胎的徑向和縱向一階固有頻率差異較小，但對應徑向力和縱向力峰值差異較大。

綜上所述，3種帶束層鋼絲簾線成品輪胎的室內試驗結果均符合國家標準要求，帶束層鋼絲簾線主要影響輪胎的滾動阻力、接地印痕形狀和動態沖擊特性，對六分力及靜態剛性影響較小。同時，3種鋼絲簾線在成本方面存在差異，輪胎設計時應根據需要選擇合適的帶束層鋼絲簾線。