孫寶余，孫佳佳，魯 強(qiáng)

（三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

輪胎作為汽車與路面之間直接接觸的部件，是汽車行駛和承載體系的重要組成部分，輪胎不僅起支撐和承載及提供驅(qū)、制動(dòng)力的作用，而且在汽車行駛方向控制、振動(dòng)吸收方面也起主導(dǎo)作用，是汽車安全性和舒適性的重要影響因素。隨著市場(chǎng)要求及客戶需求的不斷提升，輪胎設(shè)計(jì)不僅要考慮綜合使用性能，同時(shí)也要考慮加工性能和裝配性能，因此胎圈部位的設(shè)計(jì)對(duì)于全鋼載重子午線輪胎的輪廓設(shè)計(jì)非常重要[1-3]。

胎圈部位作為輪胎與輪輞接觸的主要部位在輪胎行駛過(guò)程中反復(fù)承受輪輞傳遞的縱向和橫向剪切力，在輪輞與胎側(cè)之間承接雙向的應(yīng)力過(guò)渡。合理的胎圈設(shè)計(jì)有利于提升輪胎的使用性能和裝配性能，同時(shí)也可以提升胎側(cè)的支撐性。

輪胎與輪輞的裝配為過(guò)盈配合，將輪胎裝在輪輞上時(shí)胎圈部位會(huì)產(chǎn)生特定的“內(nèi)收”位移并產(chǎn)生與輪輞的“緊箍”作用相抵抗的反向作用力。合理的胎圈著合寬度設(shè)計(jì)不僅有利于胎圈部位曲線設(shè)計(jì)及材料分布優(yōu)化、改善低斷面輪胎的硫化加工性能，而且對(duì)于改善輪胎存儲(chǔ)及運(yùn)輸過(guò)程中因擠壓造成的并口問(wèn)題也有顯著的作用[4]。

不同胎圈著合寬度的輪胎裝配在標(biāo)準(zhǔn)輪輞上，在充氣狀態(tài)下胎圈部位的預(yù)應(yīng)力存在明顯的差別，這會(huì)影響輪胎的使用性能。本工作研究7.00R16LT全鋼輕型載重子午線輪胎胎圈著合寬度對(duì)輪胎接地壓力分布、外緣尺寸及耐久性能等的影響。

1 輪廓設(shè)計(jì)

胎圈著合直徑和著合寬度影響輪胎與輪輞的配合強(qiáng)度，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)同時(shí)滿足輪胎裝卸方便和著合緊密的要求，過(guò)盈量太大，會(huì)導(dǎo)致胎圈所受過(guò)盈應(yīng)力過(guò)大，增大胎圈失效風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)造成輪胎裝配困難。過(guò)盈量太小，輪胎不能與輪輞緊密配合，造成無(wú)內(nèi)胎輪胎漏氣，且輪胎在切向牽引力的作用下易與輪輞產(chǎn)生位移[2]。

本研究以7.00R16LT全鋼輕型載重子午線輪胎作為研究對(duì)象，固定胎圈著合直徑為404.5 mm，分別設(shè)計(jì)兩種著合寬度：139.7（方案一：標(biāo)準(zhǔn)輪輞寬度設(shè)計(jì)）和152.4 mm（方案二：寬半寸設(shè)計(jì)），兩個(gè)輪廓分型面以上保持不變，分型面以下根據(jù)著合寬度分別進(jìn)行胎側(cè)曲線設(shè)計(jì)，輪胎輪廓對(duì)比如圖1所示。

圖1 不同胎圈著合寬度設(shè)計(jì)輪胎輪廓對(duì)比

2 力學(xué)仿真模擬分析

輪胎輪廓和材料分布設(shè)計(jì)階段采用公司自主開(kāi)發(fā)的輪胎力學(xué)仿真分析系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品的性能進(jìn)行分析和評(píng)估，結(jié)果如圖2—5所示。

圖2 胎面接地壓力分布對(duì)比

圖3 胎肩部位剪切應(yīng)變分布對(duì)比

圖4 胎圈部位剪切應(yīng)變分布對(duì)比

圖5 胎圈部位應(yīng)變能密度分布對(duì)比

力學(xué)分析顯示：胎肩部位可能的破壞位置為1#與2#帶束層的分界線，2#帶束層端點(diǎn)處方案一和方案二輪胎剪切應(yīng)變最大值分別為1.186和1.282；胎圈部位可能的破壞位置為加強(qiáng)層端點(diǎn)，方案一和方案二輪胎的拉伸應(yīng)變分別為0.310和0.301，應(yīng)變能密度分別為0.322和0.286 mJ·mm-3。

方案二因胎圈著合寬度設(shè)計(jì)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)輪輞尺寸，因此安裝過(guò)程中胎圈被動(dòng)內(nèi)收，充氣后胎圈部位被施加預(yù)應(yīng)力。同時(shí)由于胎圈外緣曲線與輪輞基座不能完全自然地密合，因此無(wú)論哪種方案輪胎與輪輞的裝配過(guò)程都會(huì)造成胎圈部位接觸變形，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力分布不均勻的現(xiàn)象。方案二輪胎充氣后斷面水平軸略微上移，從而可平衡胎肩與胎圈的應(yīng)力分布，因此胎圈部位應(yīng)力集中現(xiàn)象相對(duì)減弱。

3 成品輪胎室內(nèi)性能

分別對(duì)方案一和方案二進(jìn)行輪胎試制，除胎側(cè)曲線及胎圈著合寬度設(shè)計(jì)不同外，其余半成品及施工設(shè)計(jì)相同。成品輪胎都安裝在5.50×16標(biāo)準(zhǔn)輪輞上進(jìn)行性能測(cè)試。

按照GB/T 4501—2016進(jìn)行輪胎充氣外緣尺寸測(cè)量和靜負(fù)荷測(cè)試，測(cè)試條件為：充氣壓力770 kPa，負(fù)荷 1 320 kg。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 輪胎充氣外緣尺寸和靜負(fù)荷測(cè)試結(jié)果

兩方案輪胎的設(shè)計(jì)外直徑相同，方案二胎圈著合寬度采用寬半寸設(shè)計(jì)，輪胎在標(biāo)準(zhǔn)輪輞上進(jìn)行安裝的過(guò)程中胎圈部位被收緊，胎側(cè)及胎肩部位也隨之收緊而產(chǎn)生橫向和徑向應(yīng)力拉伸，斷面寬度縮小，外直徑相對(duì)增大。

靜負(fù)荷測(cè)試結(jié)果顯示，在負(fù)荷和充氣壓力相同的情況下兩方案輪胎的下沉率相同，方案二輪胎的接地面積略大于方案一輪胎。

按照GB/T 4501—2016進(jìn)行輪胎耐久性試驗(yàn)，達(dá)到47 h后按照每10 h增大負(fù)荷10%繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)至輪胎損壞，試驗(yàn)條件為：環(huán)境溫度 （38±3） ℃，額定負(fù)荷 1 320 kg，充氣壓力 770 kPa，試驗(yàn)速度 65 km·h-1。

方案一輪胎累計(jì)行駛至168.65 h胎圈龜裂，方案二輪胎累計(jì)行駛至182 h未壞，其耐久性能較方案一輪胎提升8%。

4 裝配性能

輪胎的裝配性能差主要體現(xiàn)在裝胎和充氣困難兩方面。裝胎過(guò)程中出現(xiàn)的胎圈卡在輪輞邊緣而不能裝進(jìn)輪輞槽的現(xiàn)象（俗稱裝胎卡死）稱為裝胎困難。充氣困難主要是指輪胎與輪輞組裝完成后，輪胎充氣機(jī)進(jìn)行充氣時(shí)出現(xiàn)的一種氣體從輪胎唇口與輪輞結(jié)合處以及輪胎總成與托盤間縫隙逸出，造成充氣漏氣甚至充氣失敗的現(xiàn)象[5-6]。

與替換輪胎市場(chǎng)不同，整車廠對(duì)輪胎與輪輞的組裝采取的是流水線操作，輪胎的裝配性能會(huì)直接影響組裝的質(zhì)量與效率，因此很多在替換輪胎市場(chǎng)未出現(xiàn)的裝胎問(wèn)題在整車廠會(huì)明顯暴露出來(lái)，這對(duì)配套輪胎從設(shè)計(jì)和工藝上都提出了更高的要求。

通過(guò)后期的整車裝配及市場(chǎng)跟蹤確認(rèn)，本設(shè)計(jì)的兩種方案輪胎在標(biāo)準(zhǔn)輪輞上的裝配性能優(yōu)異，無(wú)裝胎及充氣困難的現(xiàn)象。

目前，國(guó)內(nèi)輪胎市場(chǎng)使用的輪輞存在與標(biāo)準(zhǔn)輪輞有所差異的現(xiàn)象，為了進(jìn)一步提升輪胎的裝配和使用性能，避免運(yùn)輸和存放過(guò)程中對(duì)胎圈部位的擠壓并口問(wèn)題，建議輪胎設(shè)計(jì)階段在確保產(chǎn)品性能的同時(shí)充分考慮提升產(chǎn)品的裝配適用性[7-10]。

5 結(jié)論

分別采用標(biāo)準(zhǔn)輪輞寬度及寬半寸設(shè)計(jì)，研究不同胎圈著合寬度對(duì)7.00R16LT全鋼輕型載重子午線輪胎在標(biāo)準(zhǔn)輪輞上裝配的產(chǎn)品性能的影響，得到如下結(jié)論。

（1）寬半寸設(shè)計(jì)輪胎在標(biāo)準(zhǔn)輪輞上裝配后胎圈部位內(nèi)收位移增大，胎圈部位與胎肩部位的應(yīng)力分布得到平衡，胎肩部位接地壓力分布得到較大改善。

（2）寬半寸設(shè)計(jì)輪胎的耐久性能比標(biāo)準(zhǔn)輪輞寬度設(shè)計(jì)輪胎提升8%。

（3）兩種方案輪胎在標(biāo)準(zhǔn)輪輞上的裝配性能均良好。