胎面基部胶厚度对轮胎性能的影响

孙晓峰，张凯凯，王龙庆，李慧敏，李 帅

（青岛森麒麟轮胎股份有限公司，山东 青岛 266229）

随着经济的发展和人们生活水平的提高，汽车行业迅速发展，轮胎作为汽车与地面接触的唯一零部件，对汽车的操纵稳定性和乘坐舒适性有关键影响，轮胎与悬架相互耦合作用，支配着整个车辆的运动形态。

随着市场竞争逐渐激烈，主机厂也对轮胎的性能提出了更高的要求。轮胎基本部件有7个，而且轮胎结构也在工程师的探索中逐渐固定，因此进一步细致地研究轮胎结构对轮胎性能的影响已是趋势。车辆通过轮胎与地面接触，轮胎通过胎面与地面接触，因此胎面部位的结构对轮胎性能的影响至关重要。

胎面主要由胎冠胶、基部胶和翼胶组成。胎面需要提供驱动、制动和转向必需的抓着力或牵引力，是与地面直接接触的部分，基部胶位于胎面胶底部，可以用于改善滚动阻力，也可以进行平顺性、噪声和操纵性能的精细化调整[1-2]。本工作通过控制胎面挤出过程，调整基部胶厚度占胎面总厚度的比例（以下简称基部胶厚度占比），研究基部胶厚度占比对轮胎性能的影响，以期为改进轮胎胎面结构设计，提高轮胎性能提供参考。

1 实验

1.1 试验设备

高速耐久试验机和TMT-2 PCR型轮胎综合试验机，汕头市浩大轮胎测试装备有限公司产品；轮胎高速均匀性和滚动阻力试验机，德国采埃孚集团公司产品；MTS Flat-Trac CT Plus型六分力试验机，美国MTS系统公司产品。

1.2 试验设计

胎面结构如图1所示，H为胎面总厚度，h为基部胶厚度。

保持胎面总厚度相同，基部胶厚度占比分别为20%，35%和50%，3个方案编号为方案一、二、三。其余挤出参数保持一致。

选取225/55R17 101/XL W规格轮胎进行安全性、操纵性能和舒适性的相关试验，轮胎最大充气压力为340 kPa，最大单胎负荷为825 kg。验证过程只更换胎面，其余部件相同。

2 结果与讨论

2.1 安全性试验

轮胎倾角高速试验条件和结果分别如表1和2所示[3]。

表1 轮胎倾角高速试验条件

从表2可以看出，随着基部胶厚度占比的增大，倾角高速试验时间呈现先缩短后延长的趋势。整体分析，基部胶厚度占比增大，倾角高速试验结果变差。

表2 轮胎倾角高速试验结果

低充气压力耐久性试验条件和结果分别如表3和4所示。

表3 轮胎低充气压力耐久性试验条件

从表4可以看出，随着基部胶厚度占比的增大，低充气压力耐久性试验时间呈现先延长后缩短的趋势。整体分析，基部胶厚度占比增大，低充气压力耐久性试验结果变好，与倾角高速试验结果恰好相反。

表4 轮胎低充气压力耐久性试验结果

2.2 刚性和印痕试验

参考GB/T 23663—2009，分别进行80%，100%和120%负荷率下的轮胎刚性试验[4]。100%负荷率下轮胎刚性试验结果如表5所示。

从表5可以看出，不同刚性随基部胶厚度占比的变化趋势是不一样的，径向刚性、横向刚性和扭转刚性随着基部胶厚度占比的增大，呈现先增大后减小的趋势，基部胶厚度占比为35%时达到极大值；而纵向刚性和包络刚性随着基部胶厚度占比的增大而呈现近似线性增大的趋势。另外，进一步比较刚性的变化幅度，基部胶厚度占比对横向刚性的影响最大，对径向刚性的影响最小。

表5 100%负荷率下轮胎刚性试验结果

在250 kPa充气压力、100%负荷率下进行轮胎印痕试验，印痕关键参数如表6所示。

从表6可以看出，4个指标均随基部胶厚度占比的增大呈现先减小后增大的趋势。基部胶厚度占比增大到50%时，接地面积大幅增大，而且接地长度比值增大，印痕形状更接近长椭圆形；接地系数增大，说明中间接地长度增大更为明显，接地长度和接地面积增大可以提高轮胎的抓着性能和乘坐舒适性[5]。

表6 100%负荷率下轮胎印痕的关键参数

2.3 动态冲击试验

通过高速均匀性试验机进行动态冲击试验，障碍物（cleat条）尺寸选用20 mm×20 mm，负荷选用最大单胎负荷的80%，测试速度为60 km·h-1。轮胎过cleat条后径向力和纵向力的变化曲线分别如图2和3所示，第1，2，3波峰、波谷的数值如表7所示，第1，2，3波峰、波谷的差值，即波动幅度如表8所示，第1，2，3波峰依次相减的数值如表9所示，其代表了衰减速度。

表7 第1，2，3波峰、波谷的数值 N

表8 第1，2，3波峰、波谷的差值 N

表9 第1，2，3波峰依次相减的数值 N

径向力结果表明，随着基部胶厚度占比的增大，初始径向冲击力（波动1）呈现逐渐减小的趋势，基部胶厚度占比为50%时，初始径向冲击力最小，基部胶厚度占比为35%时，径向冲击力衰减 最慢。

纵向力结果表明，随着基部胶厚度占比的增大，初始纵向冲击力（波动1）呈现先减小后增大的趋势，基部胶厚度占比为35%时，初始纵向冲击力最小，纵向力衰减最慢。

总体来看，基部胶厚度占比增大会减小径向和纵向冲击力，有利于降低过坎的冲击感，综合考虑初始径向和纵向冲击力，基部胶厚度占比为35%时，乘坐舒适性有所改善，继续增大基部胶厚度占比，虽然初始纵向冲击力增大，但初始径向冲击力会进一步减小，而且径向力和纵向力衰减加快，整体乘坐舒适性得到提高。

2.4 六分力试验

在250 kPa充气压力、80%负荷率下进行纯侧偏和纯纵滑试验，对数据进行归一化处理[6]。对2°侧偏角下的侧向力相对值（相对于负荷，后同）和2%滑移率下的纵向力相对值分别进行计算，结果如表10所示。

表10 2°侧偏角下的侧向力相对值和2%滑移率下的纵向力相对值

从表10可以看出，随着基部胶厚度占比的增大，侧向力逐渐增大，然后趋近饱和，纵向力则呈现先增大后减小的趋势。由此可见，适当增大基部胶厚度占比可以增大轮胎侧向力，提高车辆操纵性能，基部胶厚度占比为35%时，纵向力比较大，有利于提高车辆制动性能。

2.5 滚动阻力试验

按照ISO 28580：2018进行滚动阻力试验[7-10]，充气压力为250 kPa。方案一、二、三轮胎滚动阻力系数分别为6.56，6.41和6.40 N·kN-1。可以看出，随着基部胶厚度占比的增大，滚动阻力系数减小，基部胶厚度占比达到35%后变化趋势渐缓。总体来说，基部胶厚度占比对滚动阻力性能有比较大的影响，提高基部胶厚度占比可以减小轮胎滚动阻力，提高车辆的燃油经济性。

3 结论

通过控制胎面挤出过程，调整基部胶厚度占比，研究基部胶厚度占比对轮胎性能的影响，可以得出以下结论。

（1）安全性能：基部胶厚度占比增大，轮胎倾角高速性能有所下降，低充气压力耐久性能有所提高；基部胶厚度占比为35%时，倾角高速性能最差，耐久性能最好。

（2）刚性和印痕：基部胶厚度占比对横向刚性影响最大，对径向刚性影响最小；随基部胶厚度占比增大，接地长度和接地面积均增大，可以提高轮胎的抓着性能和乘坐舒适性。

（3）动态冲击性能：基部胶厚度占比增大，过cleat条初始径向冲击力减小，基部胶厚度占比为50%时，纵向冲击阻尼明显增大，振动衰减加快，整体乘坐舒适性有所提高。

（4）六分力：适当增大基部胶厚度占比可以增大轮胎侧向力，提高车辆操纵性能，基部胶厚度占比为35%时，纵向力比较大，有利于提高车辆制动性能。

（5）滚动阻力：基部胶厚度占比对轮胎滚动阻力有比较大的影响，增大基部胶厚度占比可以减小滚动阻力系数，提高车辆的燃油经济性。

整体分析，适当增大基部胶厚度占比可以提高轮胎耐久性能，减小轮胎过坎冲击力，提高乘坐舒适性，增大侧向力，提高操纵性能，增大纵向力和接地面积，提高抓着性能和制动性能，并且降低滚动阻力系数，提高燃油经济性。