论文推荐丨张春生等：全钢载重子午线轮胎均匀性和动平衡性能的前置管理研究

作者简介

张春生（1975—），男，黑龙江宾县人，中策橡胶集团股份有限公司正高级工程师，硕士，主要从事轮胎结构设计及工艺研发等工作。

● OSID 码 ●

（扫码与作者交流）

近年来，我国交通事业发展迅速，随着道路条件的改善和生活质量的提高，对车辆操控稳定性、舒适性和噪声等性能的要求越来越严，其中轮胎均匀性和动平衡性能对车辆性能有极大的影响。如果轮胎的均匀性和动平衡性能较差，车辆行驶时会发生剧烈的跳动、摆动和跑偏等现象，直接影响车辆乘坐舒适性和操纵稳定性，并且增加油耗、缩短轮胎使用寿命。目前，均匀性和动平衡性能不良轮胎产品在中、高档不良轮胎产品中占有较大的比例，因此改善轮胎均匀性和动平衡性能是轮胎设计和制造中的重要课题。

我国轮胎企业由于在装备上投入偏少及管理上不足，普遍存在过程控制能力偏低的问题。目前，大部分轮胎均匀性和动平衡性能检测是抽检，常在轮胎问题出现之后再去追查原因，不仅其管理周期长，还有漏检风险。轮胎成型是轮胎生产中的重要一环，很大程度上影响着轮胎均匀性和动平衡性能，需要对轮胎生产设备进行不断的改进和创新。

本工作针对轮胎生产设备进行数字化升级，对轮胎均匀性和动平衡性能的主要影响因素进行在线监测，并调整控制相关参数（如胎面供料压辊压力、胎坯中心操作约束精度、胎坯周长控制精度和接头质量等），加强过程管控，以提高轮胎均匀性和动平衡性能，降低产品不合格率，提升企业成本的有效管理。

根据GB/T 6326—2014定义，在静态和动态条件下，轮胎圆周特性恒定不变的性能包括轮胎不平衡性能、尺寸偏差和力波动（轮胎质量、尺寸和刚性均一性），即为轮胎均匀性和动平衡性能，其主要以径向力偏差、侧向力偏差、锥度和不圆度来评判。

各轮胎企业不断研究造成轮胎不均匀的原因。由于轮胎是由多材料、多部件经多道工序制造而成的制品，其原材料质量不同和分布不均匀、部件几何尺寸和位置误差以及结构局部不对称等因素都会影响轮胎均匀性和动平衡性能，这就要求轮胎检测设备精度高，操作工艺严谨，并需加强各环节的质量管控。

胎面是轮胎中质量最大的半制品部件，其质量、长度和厚度等对轮胎均匀性和动平衡性能的影响很大。胎面长度直接影响胎面贴合的规整度，胎面过长会导致胎面产生鼓包现象，胎面过短会造成胎面不均匀拉伸，因此，需要将胎面长度控制在合理的范围内。

2.1 胎面在线测长系统

现阶段，我国大多数轮胎企业的胎面长度检测是抽检，由质检人员对胎面进行离线手工测量。该方法干扰因素多、效率低、步骤繁琐以及准确性差，迫切需要操作简单、测量速度快及精度高的胎面在线测长系统。

本工作采用新型在线检测控制设备，通过分析胎面生产工艺以提取辅助变量并且建立胎面长度预测模型，利用高性能激光测距传感器和编码器对胎面长度进行检测，建立了胎面在线测长系统。

以12R22.5全钢载重子午线轮胎为研究对象，结合胎面在线测长系统，通过伺服系统调整和控制供料速比以及压辊压力，期望将胎面长度控制在一定范围内。试验采用2种方案，方案1胎面（简称胎面1）采用传统的胎面供料方式，方案2胎面（简称胎面2）采用结合了胎面在线测长系统的供料方式。各方案随机抽取50条轮胎进行胎面测长，将胎面供料架末端点至辅鼓的切线长度加上辅鼓周长换算为实际使用时的胎面长度，胎面长度[标准为（3 260±10） mm]分布如图1所示。

对胎面长度测试数据进行处理分析，采用现代质量管理技术中的六西格玛分析系统的过程控制能力，以C_P（能力指数）和C_PK（能力比率）为测量过程能力的指标，公式如下：

从式（1）和（2）可以看出，C_P反映了数据的集中和分散程度，C_PK反映了数据是否偏离目标。

从图1可以看出，胎面在线测长系统的过程控制能力较强，胎面2长度的稳定性显著提升。

2.2 胎面长度对轮胎均匀性和动平衡性能的影响

胎面长度及厚度对轮胎均匀性和动平衡性能的影响较大。传统的胎面供料方式所制作的胎面长度波动较大，在贴合时会造成胎面拱起或局部拉伸，使胎面厚度分布不均匀，从而造成轮胎径向力偏差、中心径向跳动及静不平衡较大，影响轮胎均匀性和动平衡性能。

将两种方式制作的胎面与其他子部件一起分别制成成品轮胎，并测试所有成品轮胎均匀性和动平衡性能，结果如表1和2所示（胎面1和胎面2测试轮胎各50条，RFV为径向力偏差，CRRO为中心径向跳动）。

从表1和2可以看出：与胎面1轮胎相比，胎面2轮胎径向力偏差和中心径向跳动减小以及平衡性能有所提高；胎面2轮胎径向力偏差减小5.2%，径向跳动减小2.9%，静不平衡减小9.4%，上不平衡减小17.3%，下不平衡减小0.5%。由此可见，经胎面长度自动调节后轮胎均匀性和动平衡性能显著提升。

轮胎均匀性和动平衡性能的传统检测不仅时间长、成本高，而且时效性差。为解决此类问题，我公司在成型机设备上安装了在线激光扫描装置，通过扫描成型胎坯轮廓并对其图像进行分析，从而判断轮胎的均匀性和动平衡性能是否合格（见图2）。该前置管理方式将轮胎均匀性和动平衡性能检测从轮胎硫化后提前至轮胎成型时，可在发现问题后的第一时间进行处理，大幅降低成品轮胎不合格率。

胎坯轮廓在线激光扫描装置主体为激光传感器，可使用扫描仪对成型鼓、胎坯和成品轮胎进行离线检测或者在线检测，测得胎坯3D轮廓，通过数据分析，可形成胎坯跳动曲线、胎坯厚度波动曲线及胎坯各接头平整度图像等。

3.1 胎坯中心径向跳动

以12R22.5全钢载重子午线轮胎为研究对象，通过在线激光扫描装置，分析胎坯中心径向跳动曲线，如图3所示。

胎坯中心径向跳动与轮胎径向力偏差和中心径向跳动具有一定的关系。可根据胎坯中心径向跳动曲线的峰、谷值，定位胎坯中心径向跳动的高低点，以对成型机的精度有针对性地进行调整，调整后再对新制成的胎坯进行轮廓扫描，待其中心径向跳动达到要求后再将其硫化，并对成品轮胎进行测试。

胎坯中心径向跳动对成品轮胎均匀性的影响如表3所示。

从表3可以看出，胎坯中心径向跳动经调整控制后，轮胎均匀性显著提高。

3.2 胎坯周长及接头质量

胎坯周长过小会使硫化时轮胎伸张量过大，导致轮胎某些部位缺胶，胎坯周长过大会造成硫化模具挤压，影响轮胎中心径向跳动（对块状深沟花纹影响尤其明显，见图4）。

此外，胎坯左右肩周长差会影响轮胎锥度，胎面接头质量会影响轮胎中心径向跳动。成型贴合过程中，各部件接头在构成应力叠加的同时构成质量聚集点，部件接头分布不均匀会影响轮胎均匀性，从而影响轮胎动平衡性能。因此，可以通过在线检测系统检测胎坯轮廓曲线（见图5），将胎坯周长、左右肩周长差、胎面接头质量等均匀性和动平衡性能影响因素纳入日常监测和管控，以提升轮胎均匀性和动平衡性能管控水平。

3.3 胎坯中心横向摆动

胎坯成型时其子部件蛇行（见图6）即左右不对称、质量分布不均匀等是造成轮胎中心横向摆动的重要因素。中心线摆动过大时，轮胎两侧平面呈180°的两个相等的均匀点在轮胎旋转时会产生大小相等、方向相反的离心力并形成力偶使旋转轴发生偏移（见图7），导致车辆发生左右摇摆和颤动，轮胎操控稳定性和高速行驶安全性下降，使用寿命缩短。

胎坯成型时周向出现左右摆动的现象对轮胎偶不平衡影响很大，通过大量扫描数据的跟踪分析发现，胎坯成型过程中三线蛇形是造成轮胎左右摆动的主要影响因素，通过在线监测胎坯中心线整体的偏、摆动情况，及时调整设备以及约束操作精度，可以提高成品轮胎均匀性和动平衡性能。

本工作对轮胎成型设备进行数字化升级，将胎面长度、胎坯中心径向跳动和横向摆动、胎坯周长和接头质量等重要因素进行前置管理，把轮胎均匀性和动平衡性能管控从成品轮胎检测提前至成型胎坯，不仅可以提高轮胎均匀性和动平衡性能，而且可以提高车辆操控性和安全性，还可实现轮胎企业成本的有效管理。

Research on Front Management of Uniformity and Dynamic Balance Performance of All-steel Truck and Bus Radial Tire