摘要：試驗(yàn)研究轎車輪胎均勻性的影響因素，即建立利用均勻性試驗(yàn)機(jī)分析單一改變負(fù)荷、充氣壓力、規(guī)格、品牌等時(shí)輪胎均勻性參數(shù)變化規(guī)律方法。結(jié)果表明：對(duì)輪胎均勻性參數(shù)影響程度從大到小依次是充氣壓力、負(fù)荷、品牌、規(guī)格、轉(zhuǎn)向；輪胎充氣壓力升高會(huì)引起部分均勻性參數(shù)增大，負(fù)荷增大會(huì)引起輪胎均勻性參數(shù)均增大。

關(guān)鍵詞：轎車輪胎；均勻性參數(shù)；影響因素；負(fù)荷；充氣壓力；規(guī)格；品牌

隨著我國(guó)道路狀況的不斷改善，尤其是公路等級(jí)的提升，路面引起的車輛振動(dòng)越來(lái)越小。為了進(jìn)一步提高整車舒適性、安全性以及操縱穩(wěn)定性，越來(lái)越多的研究者將研究聚焦在輪胎上面[1-6]。輪胎均勻性是指在靜態(tài)條件或動(dòng)態(tài)條件下輪胎受力狀態(tài)保持不變的性能。為了保證車輛安全行駛，輪胎不同部位有不同功能，對(duì)應(yīng)不同組成材料[3]，采用不同的加工設(shè)備和工藝，最后將這些部件貼合并硫化制成成品輪胎[7]。由于存在胎面和胎側(cè)擠出不均勻、鋼絲簾布或纖維簾布?jí)貉雍穸炔痪鶆?、簾布接頭不均勻、帶束層貼合不正、硫化不均勻等問(wèn)題，輪胎材料分布無(wú)法做到絕對(duì)均勻[8-9]。

國(guó)內(nèi)外轎車輪胎廠商使用均勻性試驗(yàn)機(jī)來(lái)檢驗(yàn)輪胎的均勻度，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)輪胎均勻性進(jìn)行判別。均勻性試驗(yàn)方法目前已有規(guī)范，一般情況下輪胎廠都是根據(jù)整車廠家提供的輪胎均勻性指標(biāo)作為標(biāo)準(zhǔn)，而整車廠家提供的指標(biāo)主要根據(jù)車輛構(gòu)造及最高速度確定。隨著車輛行駛速度、安全性、舒適性、操控性能的提高，對(duì)輪胎均勻性的要求越來(lái)越高[2，10]。

輪胎均勻性參數(shù)與輪胎的負(fù)荷、充氣壓力、規(guī)格、品牌、轉(zhuǎn)向等因素有關(guān)[11-12]。不同品牌輪胎由于制造工藝和結(jié)構(gòu)的差異使得其均勻性參數(shù)的變化趨勢(shì)不同，而知名輪胎企業(yè)的均勻性參數(shù)設(shè)計(jì)技術(shù)是企業(yè)核心技術(shù)，一直處于保密狀態(tài)。一般整車廠會(huì)根據(jù)自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定輪胎均勻性參數(shù)，但是當(dāng)更換車型以及輪胎供應(yīng)商后，需要花費(fèi)大量時(shí)間和財(cái)力去重新確定輪胎均勻性參數(shù)。因此對(duì)比研究國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)份額較大的品牌輪胎均勻性參數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)律，分析典型因素對(duì)輪胎均勻性的影響具有重要意義。

本工作對(duì)轎車輪胎負(fù)荷、充氣壓力、規(guī)格、品牌、轉(zhuǎn)向與均勻性參數(shù)間的關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)研究（對(duì)利用均勻性試驗(yàn)機(jī)獲得的大量樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析），以期為輪胎的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

一、輪胎均勻性參數(shù)及其影響因素

1. 1　均勻性參數(shù)
反映輪胎均勻性的客觀參數(shù)很多，其中一些應(yīng)用廣泛的參數(shù)定義如下[13]。

（1）徑向力偏差（RFV）。是受載輪胎在固定負(fù)荷半徑和恒定速度下，1個(gè)或多個(gè)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)周期內(nèi)垂直于行駛面的徑向受力的最大波動(dòng)值。

RFV在低速時(shí)對(duì)車輛的影響不明顯，基本可以忽略，但是在高速時(shí)對(duì)車輛的影響就會(huì)凸顯出來(lái)。有時(shí)雖然僅有很小的差異，但是當(dāng)速度達(dá)到一定臨界點(diǎn)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)方向盤抖動(dòng)，造成駕駛員疲勞及乘坐舒適性差，甚至?xí)l(fā)出噪聲及加快懸掛零部件的損壞。

（2）側(cè)向力偏差（LFV）。是受載輪胎在固定負(fù)荷半徑和恒定速度下，每轉(zhuǎn)1周自身反復(fù)出現(xiàn)的側(cè)向力的波動(dòng)值。

LFV一般是由帶束層貼合不正、胎圈簾布兩面高低不均勻、胎側(cè)兩邊厚度不均勻、簾線密度不均勻等造成的。LFV超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值會(huì)造成車輛無(wú)法直線行駛，出現(xiàn)車輪左右搖擺現(xiàn)象，影響車輛的操縱穩(wěn)定性及行駛安全性，甚至?xí)?dǎo)致輪胎偏磨。

（3）縱向力波動(dòng)（TFV）。是受載輪胎在固定負(fù)荷半徑和恒定速度下，每轉(zhuǎn)1周自身反復(fù)出現(xiàn)的縱向力的波動(dòng)值。

TFV更多地反映在高速時(shí)輪胎縱向力的波動(dòng)，主要是由于輪胎固有頻率引起的波動(dòng)。

（4）錐度效應(yīng)（CON）。是指不因輪胎旋轉(zhuǎn)方向改變而改變符號(hào)的側(cè)向力偏移。CON一般是由帶束層貼合不正、帶束層兩端下墊膠厚度不均勻、兩邊肩部厚度不均勻等因素造成的。輪胎兩側(cè)不均勻?qū)е螺喬ピ跐L動(dòng)時(shí)像一個(gè)滾動(dòng)的錐體，通常用錐度力來(lái)表征CON。CON對(duì)車輛的影響與LFV的影響相似，CON控制不當(dāng)容易造成車輛跑偏等現(xiàn)象。
CON＝0. 5（LFD1＋LFD2）

LFD為側(cè)向力偏移，輪胎正轉(zhuǎn)時(shí)記為L(zhǎng)FD1，反轉(zhuǎn)時(shí)記為L(zhǎng)FD2。

（5）角度效應(yīng)（PLY）。是指隨著輪胎旋轉(zhuǎn)方向改變而改變符號(hào)的側(cè)向力偏移。
PLY＝0. 5（LFD1－LFD2）

PLY主要反映了帶束層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題，例如帶束層的排列、帶束層簾線密度、帶束層彎曲時(shí)的不平剪切力、帶束層厚度不均勻等。PLY對(duì)車輛的操縱穩(wěn)定性影響同CON的影響相近。

1. 2　影響因素
輪胎均勻性與很多因素有關(guān)，如本身結(jié)構(gòu)特征、受力狀態(tài)、充氣壓力和磨損程度等。本研究主要分析以下影響因素對(duì)輪胎均勻性的影響。

（1）輪胎負(fù)荷。在車輛行駛過(guò)程中，輪胎負(fù)荷表現(xiàn)為輪胎與地面接觸而產(chǎn)生的垂直方向負(fù)荷，即試驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)輪胎設(shè)計(jì)要求在試驗(yàn)臺(tái)主軸上施加的負(fù)荷。

（2）輪胎充氣壓力。輪胎充氣壓力是根據(jù)輪胎設(shè)計(jì)要求以及環(huán)境溫度確定的，可以通過(guò)氣壓表來(lái)測(cè)量試驗(yàn)輪胎充氣壓力。

（3）輪胎規(guī)格。根據(jù)輪胎的負(fù)荷、最高速度以及充氣壓力確定輪胎的規(guī)格。不同規(guī)格輪胎對(duì)應(yīng)的輪輞型號(hào)不同，匹配對(duì)應(yīng)的車輛也存在較大差異。

（4）輪胎品牌。輪胎品牌不同，輪胎的結(jié)構(gòu)、材料、工藝以及性能指標(biāo)等存在較大差異，從而使得輪胎均勻性存在較大差異。

二、輪胎均勻性試驗(yàn)機(jī)

2. 1　工作原理
均勻性試驗(yàn)機(jī)是當(dāng)前檢測(cè)輪胎不均勻程度最普遍的設(shè)備之一[14]。輪胎均勻性測(cè)量是在旋轉(zhuǎn)輪胎加載情況下進(jìn)行，測(cè)試輪胎安裝在試驗(yàn)機(jī)主軸上，在測(cè)量過(guò)程中主軸與轉(zhuǎn)鼓通過(guò)機(jī)械支撐保持不動(dòng)，且軸線位置相互平行，轉(zhuǎn)鼓模擬地面并給測(cè)試輪胎施加一定負(fù)載，相當(dāng)于輪胎行駛過(guò)程中地面給輪胎的壓力。輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng)會(huì)傳遞給轉(zhuǎn)鼓，并將其傳遞給固定在轉(zhuǎn)鼓兩端的多相測(cè)力傳感器。當(dāng)主軸軸心與轉(zhuǎn)鼓軸心距離穩(wěn)定后，負(fù)荷傳感器和主軸底部的旋轉(zhuǎn)編碼器可測(cè)出輪胎的RFV，LFV和TFV的周期性變化，并計(jì)算得到CON和PLY。

2. 2　基本參數(shù)
采用德國(guó)采埃孚公司生產(chǎn)的HSU5. 3型高速均勻性試驗(yàn)機(jī)（見(jiàn)圖1）進(jìn)行測(cè)試。轉(zhuǎn)鼓參數(shù)為：直徑2000mm，表面跳動(dòng)0. 02mm，鼓寬550mm，平衡等級(jí)2.5，最大轉(zhuǎn)速300km·h-1。設(shè)備能力為：加載最大力20kN，測(cè)量精度誤差±5%。傳感器測(cè)試能力：徑向力±15kN，側(cè)向力±10kN，切向力±15kN，回正力矩±4000N·m，傾覆力矩±4000N·m。該試驗(yàn)機(jī)可用于輕型載重和載重子午線輪胎均勻性測(cè)試?？蓽y(cè)試的輪胎參數(shù)為：輪輞直徑330. 2～635. 0mm（13～25英寸），外直徑500～1000mm，斷面寬120～400mm，滾動(dòng)半徑240～500mm。


圖1　HSU5. 3型高速均勻性試驗(yàn)機(jī)

三、輪胎均勻性試驗(yàn)

3. 1　試驗(yàn)對(duì)象
選擇6條當(dāng)前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額占比較大的品牌轎車輪胎，測(cè)試輪胎在低速運(yùn)動(dòng)下均勻性參數(shù)RFV，LFV，TFV，CON和PLY隨著輪胎負(fù)荷、充氣壓力、規(guī)格、品牌等的變化所引起的波動(dòng)。

試驗(yàn)對(duì)象：選取輪胎規(guī)格為195/65R15，205/55R16和225/65R17。分別記為A輪胎（品牌1產(chǎn)品，195/65R15）、B輪胎（品牌1產(chǎn)品，205/55R16）、C輪胎（品牌1產(chǎn)品，225/65R17）、D 輪胎（品牌2 產(chǎn)品，205/55R16）、E 輪胎（品牌3 產(chǎn)品，205/55R16）、F 輪胎（品牌4 產(chǎn)品，205/55R16）。

3. 2　試驗(yàn)條件
（1）試驗(yàn)負(fù)荷。以650 kg為100%負(fù)荷，分別測(cè)試負(fù)荷率為70%，80%，90%和100%下輪胎的RFV，LFV，TFV，CON和PLY。

（2）充氣壓力。分別測(cè)試充氣壓力為180，200，220，240，260，280，300，320和340 kPa下輪胎的RFV，LFV，TFV，CON和PLY。

3. 3　試驗(yàn)方法
試驗(yàn)開(kāi)始前，按照規(guī)定對(duì)輪胎進(jìn)行充氣，充氣輪胎在室溫條件下靜置3 h后檢查充氣壓力是否達(dá)到規(guī)定值，達(dá)到則進(jìn)行試驗(yàn)：將輪胎安裝在試驗(yàn)機(jī)上，移動(dòng)試驗(yàn)轉(zhuǎn)鼓使其與輪胎壓合靠攏，直至達(dá)到規(guī)定負(fù)荷；輪胎以400 r·min-1的轉(zhuǎn)速啟動(dòng)，再降至60 r·min-1作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；先進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)測(cè)試，再進(jìn)行逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目為RFV，LFV，TFV，CON和PLY；最后將試驗(yàn)輪胎與轉(zhuǎn)鼓從試驗(yàn)機(jī)主軸上卸下[14]。

四、結(jié)果與討論

通過(guò)控制單一變量的方法分別探究輪胎負(fù)荷、充氣壓力、規(guī)格、品牌、轉(zhuǎn)向?qū)喬ゾ鶆蛐詤?shù)的影響。將輪胎均勻性參數(shù)分為兩類進(jìn)行對(duì)比分析，第1類是RFV，LFV和TFV，第2類是CON和PLY。

4. 1　第1類均勻性參數(shù)
4. 1. 1　輪胎轉(zhuǎn)向的影響

圖2示出了正反轉(zhuǎn)A輪胎第1類均勻性參數(shù)的變化趨勢(shì)。對(duì)比圖2（a），（b）和（c）可以看出，正轉(zhuǎn)條件下，充氣壓力較小時(shí)，負(fù)荷對(duì)輪胎的RFV和LFV影響較大，對(duì)TFV影響較小；充氣壓力較大時(shí)，RFV和LFV受負(fù)荷的影響較小，TFV受負(fù)荷的影響較大。輪胎負(fù)荷一定時(shí)，隨著充氣壓力的增大，輪胎的LFV先減小后增大，在充氣壓力為某一定值時(shí)最?。籘FV隨著充氣壓力的增大而增大。對(duì)比分析A輪胎正反轉(zhuǎn)均勻性參數(shù)變化規(guī)律可知，輪胎旋轉(zhuǎn)方向?qū)喬ゾ鶆蛐宰兓厔?shì)影響較小，但均勻性參數(shù)值會(huì)有所改變?？傊珹輪胎充氣壓力增大會(huì)使RFV和TFV呈整體上升趨勢(shì)，但是LFV呈整體下降趨勢(shì)。選擇合適的輪胎充氣壓力可將負(fù)荷對(duì)RFV，LFV和TFV影響降至較小。通過(guò)合適的充氣壓力和負(fù)荷組合可以使輪胎的不均勻參數(shù)值最小。




圖2　正反轉(zhuǎn)A輪胎第1類均勻性參數(shù)變化趨勢(shì)

轎車輪胎均勻性影響因素試驗(yàn)研究（二）待續(xù)。

本文來(lái)自期刊《橡膠工業(yè)》
作者：劉程，劉振國(guó)，張新峰，杜天強(qiáng)，田程
整理編輯：Zoe