冠带条缠绕方式对轮胎性能的影响

2023-02-22李慧敏刘宝涛张凯凯王龙庆

橡胶科技 2023年2期

李慧敏，刘宝涛，张凯凯，王龙庆

（青岛森麒麟轮胎股份有限公司，山东青岛 266229）

常见的轮胎冠带条缠绕方式有“2-2-2”和“2-1-2”两种（见图1）。

图1 冠带条缠绕方式

采用“2-1-2”冠带条缠绕方式，轮胎肩部冠带条缠绕圈数（以下简称肩部缠绕圈数）增加有利于提高轮胎肩部刚性，增大对带束层的箍紧作用[1]，均衡轮胎内部尤其是胎肩部位的剪应力，有利于提升轮胎的高速及耐久性能，但是其对于轮胎力学性能的影响却鲜少提及；同时受肩部花纹块宽度及生产成本的约束，肩部缠绕圈数可调整范围有限。

本工作旨在通过调整肩部缠绕圈数、螺距及张力，研究冠带条缠绕方式对轮胎性能的影响，以根据实际需求进行冠带条缠绕方式的精细设计。

1 仿真分析

为避免盲目试验造成不必要的浪费，先选取一种轮胎规格，对试验方案进行一定程度的简化，再进行仿真分析，以指导具体试验方案的制定。

1.1 仿真方案的选取原则

仿真方案的选取原则为：（1）选取采用“2-1-2”缠绕方式的轮胎用于仿真分析；（2）选取负荷速度级别较大的轮胎用于仿真分析；（3）选取轮廓的断面水平轴位置（H1/H2）较大的轮胎，其应力应变更容易集中于胎肩部位。满足以上原则的轮胎的性能对于肩部缠绕圈数的变化更为敏感。

按以上原则选取275/60R20规格轮胎，设计了4个仿真分析方案，方案A，B，C，D（见图2）的肩部缠绕圈数分别为1，2，3，4。

图2 仿真方案示意

1.2 仿真结果

不同方案轮胎的仿真结果见表1，肩部应力分布见图3。

表1 不同方案轮胎的仿真结果

因仿真方案的变化量为肩部缠绕圈数，主要对带束层进行了不同程度的约束，故胎肩部位带束层端点处的剪应力最受关注。

从图3可以看出：4个方案轮胎的肩部应力分布差异不大，最大应力位置统一；在仅充气状态下，方案A，B，C轮胎的最大应力差异不大，方案D轮胎的最大应力略小；在充气加负荷状态下，随着肩部缠绕圈数的增加，4个方案轮胎的肩部最大应力降低且降幅逐渐减小，方案C与方案D轮胎的最大应力差异较小。

图3 不同方案轮胎的肩部应力分布

1.3 仿真分析结论

（1）肩部缠绕圈数从1增大到4，对轮胎外缘尺寸、接地印痕和接地压力分布影响不大，整体趋势为冠带条肩部宽度增大，接地印痕趋于圆形，这与冠带条的箍紧作用有关。

（2）随着肩部缠绕圈数的增加，轮胎整体刚度及胎侧刚度呈增大趋势。其中肩部缠绕圈数由1增至2时轮胎刚度明显增大，缠绕圈数继续增加，刚度变化幅度减小。

（3）随着肩部缠绕圈数的增加，带束层层间剪切应变和肩部应力呈减小趋势，肩部耐久性能提升，其中肩部缠绕圈数由1增至2时性能变化明显，缠绕圈数继续增加时性能变化减缓。

（4）随着肩部缠绕圈数的增加，胎体反包端点应变能密度减小，胎体端点耐久性能提升。肩部缠绕圈数由1增至4，应变能密度减幅逐渐减小。

（5）随着肩部缠绕圈数的增加，胎圈部位应力呈降低趋势，胎圈部位耐久性能提升。

（6）随着肩部缠绕圈数的增加，在充气状态下，1#及2#带束层靠近胎面中心位置的张力减小，预测在高速离心力下带束层变形减小，轮胎高速性能提高，其中肩部缠绕圈数由1增至3时性能提升幅度较大，由3增至4时性能提升减缓。

2 正交试验

2.1 试验方案

轮胎规格 205/55ZR16，花纹 LS388，负荷及速度级别 94W/XL，冠带条缠绕方式 2-1-2，冠带条帘线 1400dtex/2锦纶66帘线。

考虑冠带条缠绕中的核心影响因素，选取4个因子：肩部缠绕圈数（因子A）、肩部缠绕螺距（因子B，单位为mm）、肩层张力（因子C，单位为N）、平铺层张力（因子D，单位为N），肩层与平铺层示意见图4，每个因子设置3个水平（见表2）。

图4 肩层与平铺层示意

表2 正交试验因子及水平

2.2 正交试验结果

2.2.1 室内安全试验

2.2.1.1 倾角高速试验

倾角高速试验条件：轮辋宽度 6.5J×16，充气压力 280 kPa，负荷 464.2 kg。

试验方法：充气后轮胎轮辋组合体停放3 h以上，停放温度控制在（25±3） ℃；停放完成后将轮胎轮辋组合体安装到高速耐久试验机上，与试验转鼓鼓面保持3°倾角，施加相应负荷，在起始速度190 km·h-1下运行10 min后，在240 km·h-1下运行10 min，之后每运行10 min速度提升10 km·h-1，直至轮胎损坏，试验结束。

倾角高速试验结果见表3，其中，K1为水平1均值，为水平2均值，为水平3均值，R为极差。

表3 倾角高速试验结果

9组试验轮胎损坏形式一致，均为胎侧脱层，说明此规格轮胎结构设计的短板主要在于胎侧部位的设计。冠带条在倾角高速试验中能起到分担下胎侧部位应力的作用。如前所述，由仿真分析可知，随着肩部缠绕圈数的增加，胎体反包端点应变能密度逐渐减小，可以降低由反包端点处应力集中造成的耐久性能损失，因此试验结果也会因冠带条缠绕方式不同而产生一定的差异。

由表3可知：肩部缠绕圈数的影响最大，肩部缠绕圈数为2时倾角高速试验运行时间最长；肩部缠绕螺距也有较大的影响，螺距为11 mm时，倾角高速试验运行时间最长；肩部张力越大越利于倾角高速性能；平铺层张力影响较小，且影响方向不明显，平铺层张力为25 N时倾角高速性能最好。

2.2.1.2 高速性能试验

高速性能试验条件：轮辋宽度 6.5J×16，充气压力 360 kPa，负荷 455.6 kg。

试验方法：第1阶段，10 min内速度由零提升至初始速度230 km·h-1；第2阶段，在初始速度下运行10 min，之后每个阶段速度递增10 km·h-1，第5和6阶段运行时间为20 min，其余各阶段运行时间为10 min，直至轮胎损坏，试验结束。

高速性能试验结果如表4所示。

表4 高速性能试验结果

由表4可知：肩部缠绕圈数越大越有利于高速性能的提升，肩部缠绕圈数为3时轮胎高速运行时间最长，主要原因是在高速运行过程中，冠带条对轮胎起到束缚作用，可以抵抗高速运转带来的离心力；肩部缠绕螺距为12 mm时高速运行时间最长，但值得注意的是，肩部缠绕螺距为12 mm的3组试验中有两组轮胎发生了爆破；肩层张力及平铺层张力对高速性能试验结果的影响规律不明显。

2.2.2 六分力侧偏试验

六分力试验分侧偏、纵滑、垂向刚度3个分试验，本工作只讨论侧偏试验的结果。

六分力侧偏试验条件：负荷 536 kg，充气压力 250 kPa，试验速度 60 km·h-1。

试验方法：设置垂直负荷为测试负荷，轮胎为自由滚动状态，侧偏角输入以线性扫掠形式进行，暖胎后侧偏角起始值为-2°，第1结束值为15°，第2结束值为-15°，最终结束值为2°，侧偏角加载速率为2（°）·s-1。选取侧偏刚度和峰值侧向力两个指标进行具体分析。

2.2.2.1 侧偏刚度

侧偏刚度是决定轮胎及车辆操纵稳定性的重要参数，车辆的响应特性很大程度上取决于轮胎的侧偏刚度，侧偏刚度过小则车辆容易表现出转向不足、转向不线性等问题[2]。

侧偏刚度试验结果如表5所示。

表5 侧偏刚度试验结果

由表5可知：肩部缠绕圈数越小对于侧偏刚度越有利，肩部缠绕圈数为1时侧偏刚度最大，肩部缠绕圈数小，冠带条对胎肩的束缚作用减小，接地面积增大，产生相同角度的侧偏角形变需要的力更大，故侧偏刚度大；肩部缠绕螺距、肩层张力和平铺层张力对侧偏刚度的影响很小，可以忽略。

2.2.2.2 峰值侧向力

峰值侧向力与垂直负荷的比值可以表征轮胎的最大侧向静摩擦因数；其与轮胎的侧向附着极限有关，对轮胎操纵稳定性也有较大的影响。

峰值侧向力试验结果如表6所示。

表6 峰值侧向力试验结果

由表6可知：肩部缠绕圈数越小对于峰值侧向力越有利，肩部缠绕圈数为1时峰值侧向力最大；肩部缠绕螺距、肩层张力及平铺层张力对峰值侧向力的影响很小，可以忽略。

2.2.3 接地印痕试验

GB/T 22038—2008《汽车轮胎静态接地压力分布试验方法》印痕试验涉及十多个指标[3]，本工作仅展示部分印痕参数（见图5）的分析结果。

图5 接地印痕参数

2.2.3.1 接地宽度

接地宽度试验结果如表7所示。

表7 接地宽度试验结果

由表7可知：肩部缠绕圈数为1时，冠带条对轮胎的束缚作用较小，接地宽度最大；肩部缠绕螺距对接地宽度的影响方向不明确；4个因子对接地宽度的影响相对较小，在轮胎轮廓、带束层宽度、充气压力一定时，接地宽度不会有太大的变化。

2.2.3.2 中间接地长度

中间接地长度试验结果如表8所示。

表8 中间接地长度试验结果

由表8可知：肩部缠绕圈数越大，中间接地长度越大，肩部缠绕圈数为3时冠带条对肩部的束缚能力最大，在相同充气压力下，胎面更容易从中部接地；肩部缠绕螺距为10 mm时中间接地长度最大；肩层张力为20或25 N时中间接地长度较大；平铺层张力为15 N时中间接地长度最大；从肩层与平铺层的张力差异来看，趋向于小的平铺层张力、大的肩层张力能够得到更大的中间接地长度。

2.2.3.3 接地长度比值

通常通过接地长度比值对印痕的形状进行评估判定[4]。接地长度比值试验结果如表9所示。

表9 接地长度比值试验结果

由表9可知：肩部缠绕圈数为3时接地长度比值最大，接地印痕更趋向于椭圆形；肩部缠绕螺距为11 mm时接地长度比值最大；肩层张力为20或25 N时接地长度比值较大；平铺层张力为15 N时接地长度比值最大；趋向于小的平铺层张力、大的肩层张力能够得到更大的接地长度比值，冠带条对肩部束缚能力的增强可使轮胎接地印痕更趋向于椭圆形。

2.2.3.4 接地面积

一般认为接地面积大有利于抓着性能的提升。接地面积试验结果如表10所示。