不同摩擦因数胎面胶对轿车子午线轮胎性能的影响

孙绪利，孙晓峰，张凯凯，王龙庆，李慧敏

（青岛森麒麟轮胎股份有限公司，山东 青岛 266229）

轿车子午线轮胎主要由胎面、胎侧、胎体、冠带层、带束层、三角胶、钢丝圈和内衬层等组成，其中胎面作为轮胎与地面接触的部件，在轮胎运动中起着重要作用[1]。胎面提供轮胎运动所需的制动力、驱动力和转向力等，在影响轮胎使用寿命的同时，对隔离地面的激励也起着重要作用。不同性能的轮胎对胎面胶性能的要求不同，如出租车轮胎需要耐磨性能好的胎面胶，偏舒适性的轮胎需要硬度略小的胎面胶，频繁制动的轮胎需要具有较大摩擦因数的胎面胶等[2-4]。

本工作设计了3种摩擦因数的胎面胶，主要研究其对轿车子午线轮胎的滚动阻力、静态刚性、接地印痕、六分力特性及整车性能的影响。

1 实验

1.1 试验材料

3种胎面胶（记为A，B，C）的基本性能如表1所示。

表1 3种胎面胶的基本性能

胎面胶A，B，C的摩擦因数逐渐减小，邵尔A型硬度和300%定伸应力逐渐增大，拉断伸长率和阿克隆磨耗量逐渐减小，玻璃化转变温度逐渐升高，60 ℃时的tanδ有所降低，拉伸强度差异较小。

1.2 试验方案

采用3种胎面胶分别生产205/55R16轿车子午线轮胎，并进行滚动阻力、静态刚性、接地印痕、六分力试验，同时进行实车评价。胎面胶A，B，C对应试验方案记为方案A，B，C。

除胎面胶不同外，胎面挤出口型、其他半成品、成型机台、硫化机台和生产工艺均一致。为减少胶料混合的影响，每次挤出胎面胶前需要清理胎面挤出机料筒内的余料，确保胶料无掺杂。

1.3 主要设备和仪器

滚动阻力试验机，德国采埃孚集团公司产品；轮胎综合性能试验机，汕头市浩大轮胎测试装备有限公司产品；六分力试验机，美国MTS公司产品。

2 结果与讨论

2.1 滚动阻力

滚动阻力试验按照ISO 28580—2018《轮胎滚动阻力测试方法》进行，试验条件为：充气压力200 kPa，负荷 600 kg。3种方案轮胎的滚动阻力系数如表2所示。

表2 3种方案轮胎的滚动阻力系数

从表2可以看出，3种方案轮胎的滚动阻力系数波动幅度小于2.5%，滚动阻力差异不明显。这是因为胎面胶60 ℃时的tanδ与轮胎滚动阻力有直接关系，60 ℃时的tanδ越小，轮胎滚动阻力越低[5]。本工作3种胎面胶60 ℃时的tanδ差异较小，因此3种方案轮胎的滚动阻力差异较小。

2.2 静态刚性

轮胎纵向刚性和横向刚性按照GB/T 23663—2020《汽车轮胎纵向和横向刚性试验方法》进行测试。

纵向刚性计算方法如下：纵向刚性＝（纵向力2-纵向力1）/（纵向位移2-纵向位移1）。其中，纵向力1为基准纵向力减去250 N，纵向位移1为纵向力1所对应的位移量；纵向力2为基准纵向力加250 N，纵向位移2为纵向力2所对应的位移量；基准纵向力为试验中施加的径向负荷×30%×9.8 m·s-2。

横向刚性计算方法与纵向刚性一致。此外，本工作增加了轮胎径向刚性、扭转刚性和包络刚性试验。

3种方案轮胎的不同刚性曲线如图1—5所示，静态刚性试验结果如表3所示。

图1 3种方案轮胎的径向力-位移曲线

图2 3种方案轮胎的纵向力-位移曲线

图3 3种方案轮胎的横向力-位移曲线

图4 3种方案轮胎的转矩-扭转角曲线

图5 3种方案轮胎的包络负荷-位移曲线

表3 3种方案轮胎的静态刚性试验结果

从图1—5和表3可以看出：轮胎的径向刚性、横向刚性变化较小（位移较小时3种方案轮胎的径向力-位移曲线和横向力-位移曲线基本重合）；轮胎的纵向刚性变化较大且由小到大依次为方案A、方案B和方案C，但在纵向力达到最大值（即轮胎产生纵向滑移）的情况下方案B轮胎的位移最大，其次是方案C轮胎，方案A轮胎的位移最小，这与3种胎面胶的摩擦因数有关，胎面胶的摩擦因数增大，轮胎位移减小；轮胎的扭转刚性变化较大且由小到大依次为方案A、方案B和方案C，这与3种胎面胶的摩擦因数变化具有一致性，胎面胶的摩擦因数增大，轮胎的扭转刚性减小；轮胎的包络刚性变化较大且由小到大依次为方案A、方案B和方案C，这主要受胎面胶硬度的影响，胎面胶A的硬度最小，包覆能力最好。

2.3 接地印痕

采用压力传感器法，按照GB/T 22038—2018《汽车轮胎静态接地压力分布试验方法》进行轮胎接地印痕测试，试验条件为：充气压力 230 kPa，负荷 460 kg。3种方案轮胎的接地印痕如图6所示，接地特性参数如表4所示。

图6 3种方案轮胎的接地印痕

表4 3种方案轮胎的接地特性参数

从图6和表4可以看出，与方案B和C轮胎相比，方案A轮胎的接地面积略大且矩形比最大，有利于提高轮胎的抓着性能[6]；3种方案轮胎的其他接地特性参数差异不大。

2.4 六分力特性

按照公司标准进行六分力试验（包括侧偏试验和纵滑试验两部分），试验条件为：充气压力230 kPa，负荷 492 kg。

侧偏试验条件：路面速度为60 km·h-1，轮胎状态为自由滚动，依实际需要设置侧倾角（本工作侧倾角为0°），侧偏角输入以线性扫掠形式进行。通过测试可以得到轮胎侧偏刚度和回正刚度等[7]。

纵滑试验条件：路面速度为60 km·h-1，轮胎状态为加速或制动，依实际需要设置侧倾角和侧偏角，滑移率输入以线性扫掠形式进行，此部分可以模拟轮胎在加速或减速过程中轮胎力的变化。

3种方案轮胎的六分力特性参数如表5所示。

表5 3种方案轮胎的六分力特性参数

从表5可以看出：3种方案轮胎的侧向摩擦因数、最大静摩擦因数、纵向滑动摩擦因数与表1中胎面胶的摩擦因数差异较大（测试的样品不同，设备也不同），但基本符合摩擦因数由大到小为A，B，C的规律；方案C轮胎的侧偏刚度、回正刚度、纵滑刚度最大，其相应的操控性能较好[8]；轮胎的侧向力峰值、回正力矩峰值、纵向力峰值等极限性能受胎面胶摩擦因数的影响较大，随胎面胶摩擦因数的增大而增大。

2.5 实车测试

为进一步确认胎面胶对轮胎性能的影响，将3种方案轮胎在同一时间段内进行实车测试，测试采用同一车辆，轮胎充气压力为230 kPa。3种方案轮胎的实车测试结果如表6所示，基础转向、操控稳定性、舒适性均通过车手评分进行评价。

表6 3种方案轮胎的实车测试结果

从表6可以看出：3种方案中，方案A轮胎的干地刹车距离最短，但与其他2个方案轮胎差异不大，这与六分力试验中纵向滑动摩擦因数相差较小一致；方案C轮胎的基础转向及操控稳定性最优，这与方案C轮胎的侧偏刚度、回正刚度最大有关；方案B轮胎的舒适性最好，其次是方案A轮胎，最差为方案C轮胎，轮胎舒适性受胎面胶硬度的影响最大。

3 结论

（1）使用3种摩擦因数胎面胶的轮胎的滚动阻力接近，这与胎面胶60 ℃时的tanδ差异较小有关。

（2）随着胎面胶摩擦因数的减小，轮胎的纵向刚性和扭转刚性变化较大，径向刚性和横向刚性变化不大，轮胎的包络刚性随胎面胶硬度的增大而增大。

（3）方案A轮胎的接地面积及矩形比较大，3种方案轮胎的其他接地特性参数差异较小。

（4）方案C轮胎的侧偏刚度、回正刚度、纵滑刚度最大；成品轮胎的摩擦因数与胎面胶的摩擦因数呈正相关，但数值差异略大；侧向力峰值、回正力矩峰值、纵向力峰值随胎面胶摩擦因数的增大而增大。

（5）轮胎干地刹车距离与胎面胶的摩擦因数呈负相关，操控稳定性受轮胎侧偏刚度和回正刚度的影响较大，舒适性受胎面胶硬度的影响较大。