舒适型缺气保用轮胎的性能提升及生产工艺优化

李 浩，郭磊磊，杨和涛，李启辉

（杭州海潮橡胶有限公司，浙江 杭州 310018）

轮胎对汽车的安全性非常重要，普通轮胎在高速行驶的过程中一旦爆胎或者被扎破，其充气压力在极短的时间内就会降到零，轮胎迅速变形失去支撑车辆的作用，胎圈脱离轮辋，驾驶员无法正常控制车辆行驶方向和制动，甚至导致严重的交通事故。而缺气保用轮胎拥有非常有韧性和支撑性的胎侧[1-5]，在行驶时即使发生突然漏气的情况仍然能够给车辆一定的支撑，在保障司机及乘客的生命和财产安全的同时避免了携带备胎的不便。目前缺气保用轮胎已经得到广泛应用，特别是在一些高端汽车以及特种汽车领域[6-7]。

安全、舒适、环保是当前轿车轮胎发展的潮流，缺气保用轮胎在零充气压力的状态下仍能够保证汽车的安全性能，其主要靠支撑胶结构提供一定的径向和侧向支撑，但是在正常充气状态下缺气保用轮胎的径向刚度较大，降低了乘坐舒适性。本工作进行提高缺气保用轮胎乘坐舒适性以及从工艺方面解决胎里气泡问题的研究。

1 缺气保用轮胎的结构特征

图1和2分别示出了正常充气压力和零充气压力下的普通轮胎和缺气保用轮胎状态。从图1和2可以看出，缺气保用轮胎在胎侧区域增加了支撑胶结构，此种结构具有韧性高、支撑性好及低生热、耐高温的特点。在零充气压力状态下，普通轮胎没有任何支撑作用，轮辋直接与地面接触，而缺气保用轮胎由于内部气压的缺失，胎面中间部分向内部方向凸起，不再与路面接触，绝大部分的负荷都集中在两侧的胎肩上[8]。

图1 正常充气压力下的普通轮胎和缺气保用轮胎状态示意

图2 零充气压力下的普通轮胎和缺气保用轮胎状态示意

2 舒适型缺气保用轮胎的设计优化及仿真

2.1 设计方案

以255/55R18缺气保用轮胎为研究对象，在原设计方案[见图3（a）]的基础上，通过降低轮胎的径向刚性和改善轮胎接地压力分布来提高轮胎乘坐舒适性，主要优化方法是在原方案的基础上将支撑胶的厚度由9.5 mm减小至7.4 mm[见图3（b）]。两种设计方案支撑胶硫化后的硬度和耐屈挠性能接近，但优化方案支撑胶60 ℃时的损耗因子（tanδ）比原方案减小13%左右，表明优化方案支撑胶的生热较低。

图3 255/55R18缺气保用轮胎结构设计方案

2.2 有限元仿真材料模型

Mooney-Rivlin模型适用于中、小变形，一般适用于拉伸率不大于100%或压缩率不大于30%的应变情况[9]。Mooney-Rivlin模型的表达式为

式中，C10和C01为材料常数；I1和I2为变形张量第1、第2不变量。

通过单轴拉伸确定橡胶材料的应力与应变关系，再根据试验参数拟合出C10和C01。本研究轮胎模型橡胶材料采用Mooney-Rivlin模型描述其力学性质，带束层帘线、胎体帘线和冠带层帘线等骨架材料采用线弹性材料描述。

2.3 缺气保用轮胎有限元模型

采用带花纹纵沟轮胎进行建模，轮胎模型为轴对称结构。根据材料分布图利用HyperMesh软件采用CGAX4H，CGAX3H和SFMGAX1单元完成轮胎断面模型，如图4所示。利用Abaqus软件的*SYMMETRIC MODEL GENERATION，REVOLVE命令将轮胎断面模型旋转生成完整轮胎模型[10]，如图5所示。轮胎试验验证工况为：负荷 930 kg，充气压力 220 kPa，装配轮辋 8J。

图4 轮胎断面有限元模型

图5 轮胎有限元模型

2.4 仿真结果分析

两方案轮胎的接地断面变形如图6所示。

图6 两方案轮胎的接地断面变形

由图6可知，原方案轮胎接地断面最大变形约为29.5 mm，优化方案轮胎接地断面最大变形约为31.7 mm，在同样负荷条件下优化方案轮胎变形较大。

两方案轮胎的径向负荷-位移曲线如图7所示。

图7 两方案轮胎的径向负荷-位移曲线

由图7可知，同样负荷条件下，优化方案轮胎的下沉量明显大于原方案轮胎。

表1示出了两方案轮胎的径向刚度。

表1 两方案轮胎的径向刚度

从表1可以看到，优化方案轮胎的径向刚度比原方案轮胎降低了10%，说明调整支撑胶结构能够有效降低缺气保用轮胎的径向刚度。轮胎径向刚度的降低可提高乘坐舒适性。

图8示出了两方案轮胎的接地压力分布仿真结果。

图8 两方案轮胎的接地压力分布仿真结果

由于原方案轮胎的胎侧的径向变形比优化方案轮胎小，其胎肩区域相对于优化方案轮胎承担了更大的负荷，导致原方案轮胎的胎肩部位接地压力更大。虽然优化方案轮胎的胎肩也是整个胎面承受负荷最大的区域，但是胎中区域的接地压力相对于原方案轮胎更高一些，整体来说优化方案轮胎的接地压力分布更均匀。通过对比图8（红色线框内的为胎中区域，两侧为胎肩区域）两方案轮胎的接地压力可以看出，原方案轮胎胎肩与胎中区域最大接地压力差为0.255 MPa，比优化方案轮胎的胎肩与胎中区域最大接地压力差（0.187 MPa）高了约27%。因此整体来说，优化方案轮胎的接地压力分布更均匀。

2.5 测试性能分析

根据企业试验标准，对两方案轮胎进行零气压耐久性能测试，速度为80 km·h-1、负荷率为65%。结果表明，原方案和优化方案轮胎的零气压耐久时间分别为115和109 min，两方案轮胎零气压耐久时间接近，且均超过标准规定时间，满足标准要求。虽然优化方案轮胎的径向刚度小，零充气压力工况下变形大，但是相对于原方案轮胎，优化方案轮胎的支撑胶材料生热低，且支撑胶厚度小、散热快，不易在支撑胶部位积蓄能量。

在中汽中心盐城汽车试验场进行轮胎舒适性场地测试，试验车辆为宝马X5，轮胎充气压力为230 kPa，车辆负荷为2人。两方案轮胎的场地测试结果如表2所示。

表2 两方案轮胎的场地测试结果主观评价值

由表2可知，优化方案轮胎较原方案轮胎在舒适性项目中评分提高，操控性项目中侧向支撑和转向响应略有降低，整体满足要求。

3 生产工艺优化

3.1 胎里气泡问题分析

缺气保用半钢子午线轮胎的胎里气泡主要发生在支撑胶与内衬层之间及支撑胶与胎体帘布之间两个部位[10]，如图9所示。常规轮胎生产成型鼓鼓面为平面，由于支撑胶贴合在内衬层与胎体帘布之间，支撑胶厚度较大，成型时上支撑胶后再上胎体帘布，导致胎体帘布贴合后支撑胶内端点处胎体架空，存在大量气泡。

图9 层间气泡位置

3.2 解决方案

在成型鼓肩增设凹糟，如图10所示。增设凹糟后支撑胶贴合后鼓面平整，解决了胎体帘布与内衬层之间存在气泡的问题。

图10 凹槽成型鼓

为增强胎坯成型时的排气功能，支撑胶挤出时采用加热刺针进行刺孔，刺孔贯穿整胶厚度。胎坯成型时，通过敷贴和充气膨胀将胎里存在的气体排出，减少了胎里气泡的产生。刺孔后的支撑胶如图11所示。

图11 刺孔后的支撑胶

4 结论

（1）合理地减小支撑胶的厚度，能够降低缺气保用轮胎的径向刚度，同时使其静态接地压力分布更均匀，从而提高了缺气保用轮胎的乘坐舒适性。

（2）支撑胶采用tanδ较小的材料，可以降低支撑胶部位的生热和能量损失。

（3）通过增加成型鼓凹槽设计和支撑胶刺孔装置，解决了胎体帘布与内衬层之间存在气泡的问题，提高了缺气保用轮胎的质量。