胎圈着合宽度对7.00R16LT全钢轻型载重子午线轮胎性能的影响

孙宝余，孙佳佳，鲁 强

（三角轮胎股份有限公司，山东 威海 264200）

轮胎作为汽车与路面之间直接接触的部件，是汽车行驶和承载体系的重要组成部分，轮胎不仅起支撑和承载及提供驱、制动力的作用，而且在汽车行驶方向控制、振动吸收方面也起主导作用，是汽车安全性和舒适性的重要影响因素。随着市场要求及客户需求的不断提升，轮胎设计不仅要考虑综合使用性能，同时也要考虑加工性能和装配性能，因此胎圈部位的设计对于全钢载重子午线轮胎的轮廓设计非常重要[1-3]。

胎圈部位作为轮胎与轮辋接触的主要部位在轮胎行驶过程中反复承受轮辋传递的纵向和横向剪切力，在轮辋与胎侧之间承接双向的应力过渡。合理的胎圈设计有利于提升轮胎的使用性能和装配性能，同时也可以提升胎侧的支撑性。

轮胎与轮辋的装配为过盈配合，将轮胎装在轮辋上时胎圈部位会产生特定的“内收”位移并产生与轮辋的“紧箍”作用相抵抗的反向作用力。合理的胎圈着合宽度设计不仅有利于胎圈部位曲线设计及材料分布优化、改善低断面轮胎的硫化加工性能，而且对于改善轮胎存储及运输过程中因挤压造成的并口问题也有显著的作用[4]。

不同胎圈着合宽度的轮胎装配在标准轮辋上，在充气状态下胎圈部位的预应力存在明显的差别，这会影响轮胎的使用性能。本工作研究7.00R16LT全钢轻型载重子午线轮胎胎圈着合宽度对轮胎接地压力分布、外缘尺寸及耐久性能等的影响。

1 轮廓设计

胎圈着合直径和着合宽度影响轮胎与轮辋的配合强度，设计时应同时满足轮胎装卸方便和着合紧密的要求，过盈量太大，会导致胎圈所受过盈应力过大，增大胎圈失效风险的同时造成轮胎装配困难。过盈量太小，轮胎不能与轮辋紧密配合，造成无内胎轮胎漏气，且轮胎在切向牵引力的作用下易与轮辋产生位移[2]。

本研究以7.00R16LT全钢轻型载重子午线轮胎作为研究对象，固定胎圈着合直径为404.5 mm，分别设计两种着合宽度：139.7（方案一：标准轮辋宽度设计）和152.4 mm（方案二：宽半寸设计），两个轮廓分型面以上保持不变，分型面以下根据着合宽度分别进行胎侧曲线设计，轮胎轮廓对比如图1所示。

图1 不同胎圈着合宽度设计轮胎轮廓对比

2 力学仿真模拟分析

轮胎轮廓和材料分布设计阶段采用公司自主开发的轮胎力学仿真分析系统对产品的性能进行分析和评估，结果如图2—5所示。

图2 胎面接地压力分布对比

图3 胎肩部位剪切应变分布对比

图4 胎圈部位剪切应变分布对比

图5 胎圈部位应变能密度分布对比

力学分析显示：胎肩部位可能的破坏位置为1#与2#带束层的分界线，2#带束层端点处方案一和方案二轮胎剪切应变最大值分别为1.186和1.282；胎圈部位可能的破坏位置为加强层端点，方案一和方案二轮胎的拉伸应变分别为0.310和0.301，应变能密度分别为0.322和0.286 mJ·mm-3。

方案二因胎圈着合宽度设计超过标准轮辋尺寸，因此安装过程中胎圈被动内收，充气后胎圈部位被施加预应力。同时由于胎圈外缘曲线与轮辋基座不能完全自然地密合，因此无论哪种方案轮胎与轮辋的装配过程都会造成胎圈部位接触变形，进而产生应力分布不均匀的现象。方案二轮胎充气后断面水平轴略微上移，从而可平衡胎肩与胎圈的应力分布，因此胎圈部位应力集中现象相对减弱。

3 成品轮胎室内性能

分别对方案一和方案二进行轮胎试制，除胎侧曲线及胎圈着合宽度设计不同外，其余半成品及施工设计相同。成品轮胎都安装在5.50×16标准轮辋上进行性能测试。

按照GB/T 4501—2016进行轮胎充气外缘尺寸测量和静负荷测试，测试条件为：充气压力770 kPa，负荷 1 320 kg。测试结果如表1所示。

表1 轮胎充气外缘尺寸和静负荷测试结果

两方案轮胎的设计外直径相同，方案二胎圈着合宽度采用宽半寸设计，轮胎在标准轮辋上进行安装的过程中胎圈部位被收紧，胎侧及胎肩部位也随之收紧而产生横向和径向应力拉伸，断面宽度缩小，外直径相对增大。

静负荷测试结果显示，在负荷和充气压力相同的情况下两方案轮胎的下沉率相同，方案二轮胎的接地面积略大于方案一轮胎。

按照GB/T 4501—2016进行轮胎耐久性试验，达到47 h后按照每10 h增大负荷10%继续进行试验至轮胎损坏，试验条件为：环境温度 （38±3） ℃，额定负荷 1 320 kg，充气压力 770 kPa，试验速度 65 km·h-1。

方案一轮胎累计行驶至168.65 h胎圈龟裂，方案二轮胎累计行驶至182 h未坏，其耐久性能较方案一轮胎提升8%。

4 装配性能

轮胎的装配性能差主要体现在装胎和充气困难两方面。装胎过程中出现的胎圈卡在轮辋边缘而不能装进轮辋槽的现象（俗称装胎卡死）称为装胎困难。充气困难主要是指轮胎与轮辋组装完成后，轮胎充气机进行充气时出现的一种气体从轮胎唇口与轮辋结合处以及轮胎总成与托盘间缝隙逸出，造成充气漏气甚至充气失败的现象[5-6]。

与替换轮胎市场不同，整车厂对轮胎与轮辋的组装采取的是流水线操作，轮胎的装配性能会直接影响组装的质量与效率，因此很多在替换轮胎市场未出现的装胎问题在整车厂会明显暴露出来，这对配套轮胎从设计和工艺上都提出了更高的要求。

通过后期的整车装配及市场跟踪确认，本设计的两种方案轮胎在标准轮辋上的装配性能优异，无装胎及充气困难的现象。

目前，国内轮胎市场使用的轮辋存在与标准轮辋有所差异的现象，为了进一步提升轮胎的装配和使用性能，避免运输和存放过程中对胎圈部位的挤压并口问题，建议轮胎设计阶段在确保产品性能的同时充分考虑提升产品的装配适用性[7-10]。

5 结论

分别采用标准轮辋宽度及宽半寸设计，研究不同胎圈着合宽度对7.00R16LT全钢轻型载重子午线轮胎在标准轮辋上装配的产品性能的影响，得到如下结论。

（1）宽半寸设计轮胎在标准轮辋上装配后胎圈部位内收位移增大，胎圈部位与胎肩部位的应力分布得到平衡，胎肩部位接地压力分布得到较大改善。

（2）宽半寸设计轮胎的耐久性能比标准轮辋宽度设计轮胎提升8%。

（3）两种方案轮胎在标准轮辋上的装配性能均良好。