【技术分享】轿车轮胎均匀性影响因素试验研究（一）

摘要：试验研究轿车轮胎均匀性的影响因素，即建立利用均匀性试验机分析单一改变负荷、充气压力、规格、品牌等时轮胎均匀性参数变化规律方法。结果表明：对轮胎均匀性参数影响程度从大到小依次是充气压力、负荷、品牌、规格、转向；轮胎充气压力升高会引起部分均匀性参数增大，负荷增大会引起轮胎均匀性参数均增大。

关键词：轿车轮胎；均匀性参数；影响因素；负荷；充气压力；规格；品牌

随着我国道路状况的不断改善，尤其是公路等级的提升，路面引起的车辆振动越来越小。为了进一步提高整车舒适性、安全性以及操纵稳定性，越来越多的研究者将研究聚焦在轮胎上面[1-6]。轮胎均匀性是指在静态条件或动态条件下轮胎受力状态保持不变的性能。为了保证车辆安全行驶，轮胎不同部位有不同功能，对应不同组成材料[3]，采用不同的加工设备和工艺，最后将这些部件贴合并硫化制成成品轮胎[7]。由于存在胎面和胎侧挤出不均匀、钢丝帘布或纤维帘布压延厚度不均匀、帘布接头不均匀、带束层贴合不正、硫化不均匀等问题，轮胎材料分布无法做到绝对均匀[8-9]。

国内外轿车轮胎厂商使用均匀性试验机来检验轮胎的均匀度，并根据检测结果对轮胎均匀性进行判别。均匀性试验方法目前已有规范，一般情况下轮胎厂都是根据整车厂家提供的轮胎均匀性指标作为标准，而整车厂家提供的指标主要根据车辆构造及最高速度确定。随着车辆行驶速度、安全性、舒适性、操控性能的提高，对轮胎均匀性的要求越来越高[2，10]。

轮胎均匀性参数与轮胎的负荷、充气压力、规格、品牌、转向等因素有关[11-12]。不同品牌轮胎由于制造工艺和结构的差异使得其均匀性参数的变化趋势不同，而知名轮胎企业的均匀性参数设计技术是企业核心技术，一直处于保密状态。一般整车厂会根据自己的设计经验确定轮胎均匀性参数，但是当更换车型以及轮胎供应商后，需要花费大量时间和财力去重新确定轮胎均匀性参数。因此对比研究国内外市场份额较大的品牌轮胎均匀性参数设计规律，分析典型因素对轮胎均匀性的影响具有重要意义。

本工作对轿车轮胎负荷、充气压力、规格、品牌、转向与均匀性参数间的关系进行试验研究（对利用均匀性试验机获得的大量样本数据进行处理和分析），以期为轮胎的设计提供指导。

一、轮胎均匀性参数及其影响因素

1. 1　均匀性参数
反映轮胎均匀性的客观参数很多，其中一些应用广泛的参数定义如下[13]。

（1）径向力偏差（RFV）。是受载轮胎在固定负荷半径和恒定速度下，1个或多个正转或反转周期内垂直于行驶面的径向受力的最大波动值。

RFV在低速时对车辆的影响不明显，基本可以忽略，但是在高速时对车辆的影响就会凸显出来。有时虽然仅有很小的差异，但是当速度达到一定临界点时就会出现方向盘抖动，造成驾驶员疲劳及乘坐舒适性差，甚至会发出噪声及加快悬挂零部件的损坏。

（2）侧向力偏差（LFV）。是受载轮胎在固定负荷半径和恒定速度下，每转1周自身反复出现的侧向力的波动值。

LFV一般是由带束层贴合不正、胎圈帘布两面高低不均匀、胎侧两边厚度不均匀、帘线密度不均匀等造成的。LFV超过标准值会造成车辆无法直线行驶，出现车轮左右摇摆现象，影响车辆的操纵稳定性及行驶安全性，甚至会导致轮胎偏磨。

（3）纵向力波动（TFV）。是受载轮胎在固定负荷半径和恒定速度下，每转1周自身反复出现的纵向力的波动值。

TFV更多地反映在高速时轮胎纵向力的波动，主要是由于轮胎固有频率引起的波动。

（4）锥度效应（CON）。是指不因轮胎旋转方向改变而改变符号的侧向力偏移。CON一般是由带束层贴合不正、带束层两端下垫胶厚度不均匀、两边肩部厚度不均匀等因素造成的。轮胎两侧不均匀导致轮胎在滚动时像一个滚动的锥体，通常用锥度力来表征CON。CON对车辆的影响与LFV的影响相似，CON控制不当容易造成车辆跑偏等现象。
CON＝0. 5（LFD1＋LFD2）

LFD为侧向力偏移，轮胎正转时记为LFD1，反转时记为LFD2。

（5）角度效应（PLY）。是指随着轮胎旋转方向改变而改变符号的侧向力偏移。
PLY＝0. 5（LFD1－LFD2）

PLY主要反映了带束层的结构设计问题，例如带束层的排列、带束层帘线密度、带束层弯曲时的不平剪切力、带束层厚度不均匀等。PLY对车辆的操纵稳定性影响同CON的影响相近。

1. 2　影响因素
轮胎均匀性与很多因素有关，如本身结构特征、受力状态、充气压力和磨损程度等。本研究主要分析以下影响因素对轮胎均匀性的影响。

（1）轮胎负荷。在车辆行驶过程中，轮胎负荷表现为轮胎与地面接触而产生的垂直方向负荷，即试验过程中根据轮胎设计要求在试验台主轴上施加的负荷。

（2）轮胎充气压力。轮胎充气压力是根据轮胎设计要求以及环境温度确定的，可以通过气压表来测量试验轮胎充气压力。

（3）轮胎规格。根据轮胎的负荷、最高速度以及充气压力确定轮胎的规格。不同规格轮胎对应的轮辋型号不同，匹配对应的车辆也存在较大差异。

（4）轮胎品牌。轮胎品牌不同，轮胎的结构、材料、工艺以及性能指标等存在较大差异，从而使得轮胎均匀性存在较大差异。

二、轮胎均匀性试验机

2. 1　工作原理
均匀性试验机是当前检测轮胎不均匀程度最普遍的设备之一[14]。轮胎均匀性测量是在旋转轮胎加载情况下进行，测试轮胎安装在试验机主轴上，在测量过程中主轴与转鼓通过机械支撑保持不动，且轴线位置相互平行，转鼓模拟地面并给测试轮胎施加一定负载，相当于轮胎行驶过程中地面给轮胎的压力。轮胎转动过程中的振动会传递给转鼓，并将其传递给固定在转鼓两端的多相测力传感器。当主轴轴心与转鼓轴心距离稳定后，负荷传感器和主轴底部的旋转编码器可测出轮胎的RFV，LFV和TFV的周期性变化，并计算得到CON和PLY。

2. 2　基本参数
采用德国采埃孚公司生产的HSU5. 3型高速均匀性试验机（见图1）进行测试。转鼓参数为：直径2000mm，表面跳动0. 02mm，鼓宽550mm，平衡等级2.5，最大转速300km·h-1。设备能力为：加载最大力20kN，测量精度误差±5%。传感器测试能力：径向力±15kN，侧向力±10kN，切向力±15kN，回正力矩±4000N·m，倾覆力矩±4000N·m。该试验机可用于轻型载重和载重子午线轮胎均匀性测试。可测试的轮胎参数为：轮辋直径330. 2～635. 0mm（13～25英寸），外直径500～1000mm，断面宽120～400mm，滚动半径240～500mm。


图1　HSU5. 3型高速均匀性试验机

三、轮胎均匀性试验

3. 1　试验对象
选择6条当前国内市场份额占比较大的品牌轿车轮胎，测试轮胎在低速运动下均匀性参数RFV，LFV，TFV，CON和PLY随着轮胎负荷、充气压力、规格、品牌等的变化所引起的波动。

试验对象：选取轮胎规格为195/65R15，205/55R16和225/65R17。分别记为A轮胎（品牌1产品，195/65R15）、B轮胎（品牌1产品，205/55R16）、C轮胎（品牌1产品，225/65R17）、D 轮胎（品牌2 产品，205/55R16）、E 轮胎（品牌3 产品，205/55R16）、F 轮胎（品牌4 产品，205/55R16）。

3. 2　试验条件
（1）试验负荷。以650 kg为100%负荷，分别测试负荷率为70%，80%，90%和100%下轮胎的RFV，LFV，TFV，CON和PLY。

（2）充气压力。分别测试充气压力为180，200，220，240，260，280，300，320和340 kPa下轮胎的RFV，LFV，TFV，CON和PLY。

3. 3　试验方法
试验开始前，按照规定对轮胎进行充气，充气轮胎在室温条件下静置3 h后检查充气压力是否达到规定值，达到则进行试验：将轮胎安装在试验机上，移动试验转鼓使其与轮胎压合靠拢，直至达到规定负荷；轮胎以400 r·min-1的转速启动，再降至60 r·min-1作匀速转动；先进行顺时针旋转测试，再进行逆时针旋转测试，测试项目为RFV，LFV，TFV，CON和PLY；最后将试验轮胎与转鼓从试验机主轴上卸下[14]。

四、结果与讨论

通过控制单一变量的方法分别探究轮胎负荷、充气压力、规格、品牌、转向对轮胎均匀性参数的影响。将轮胎均匀性参数分为两类进行对比分析，第1类是RFV，LFV和TFV，第2类是CON和PLY。

4. 1　第1类均匀性参数
4. 1. 1　轮胎转向的影响

图2示出了正反转A轮胎第1类均匀性参数的变化趋势。对比图2（a），（b）和（c）可以看出，正转条件下，充气压力较小时，负荷对轮胎的RFV和LFV影响较大，对TFV影响较小；充气压力较大时，RFV和LFV受负荷的影响较小，TFV受负荷的影响较大。轮胎负荷一定时，随着充气压力的增大，轮胎的LFV先减小后增大，在充气压力为某一定值时最小；TFV随着充气压力的增大而增大。对比分析A轮胎正反转均匀性参数变化规律可知，轮胎旋转方向对轮胎均匀性变化趋势影响较小，但均匀性参数值会有所改变。总之，A轮胎充气压力增大会使RFV和TFV呈整体上升趋势，但是LFV呈整体下降趋势。选择合适的轮胎充气压力可将负荷对RFV，LFV和TFV影响降至较小。通过合适的充气压力和负荷组合可以使轮胎的不均匀参数值最小。




图2　正反转A轮胎第1类均匀性参数变化趋势

轿车轮胎均匀性影响因素试验研究（二）待续。

本文来自期刊《橡胶工业》
作者：刘程，刘振国，张新峰，杜天强，田程
整理编辑：Zoe