帶束層角度對全鋼載重子午線輪胎性能的影響

趙 龍 ，萬 同

（1.天津科技大學(xué)，天津 300457；2.銀川佳通輪胎有限公司，寧夏 銀川 750021）

近年來，我國公路建設(shè)和公路運(yùn)輸快速發(fā)展，全鋼載重子午線輪胎的需求量逐年增大。目前，絕大部分長途客運(yùn)汽車和相當(dāng)數(shù)量的長途貨運(yùn)汽車使用全鋼載重子午線輪胎。

為滿足市場需求，提高經(jīng)濟(jì)效益，我公司開始研發(fā)了4層帶束層結(jié)構(gòu)的全鋼載重子午線輪胎。帶束層是輪胎的重要組成部件，其設(shè)計(jì)合理性直接影響輪胎的使用壽命。本工作主要利用有限元仿真技術(shù)，研究帶束層角度變化對全鋼載重子午線輪胎性能的影響。

1 方案設(shè)計(jì)

針對12R22.5 18PR全鋼載重子午線輪胎，根據(jù)材料分布圖，通過Abaqus/CAE軟件建立輪胎二維對稱軸模型；設(shè)置胎圈與輪輞接觸對，實(shí)現(xiàn)輪胎的裝配和充氣工況；橡膠采用CGAX3H和CGAX4H軸對稱單元模擬；帶束層、胎體、鋼絲包布和簾線采用SFMGAX1平面膜單元模擬，鋼絲簾線與橡膠之間的作用可使用*rebar layer和*embedded element來實(shí)現(xiàn)；在二維模型基礎(chǔ)上，再使用*symmetric modelgeneration命令建立三維模型，輪輞和路面簡化為解析剛體。輪胎二維和三維有限元模型如圖1所示。

圖1 輪胎有限元模型

本工作在充氣和加載下對輪胎進(jìn)行有限元仿真分析，對輪胎充氣后的接地面積、帶束層剪切應(yīng)力進(jìn)行討論分析。各種分析都在充氣壓力930 kPa和標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷3550 kg下進(jìn)行。

1#帶束層鋼絲簾線結(jié)構(gòu)為3 × 0 . 2 0 +6×0.35HT，密度為50根·cm-1；2#和3#帶束層鋼絲簾線結(jié)構(gòu)為3+8×0.33HT，密度為45根·cm-1；4#帶束層鋼絲簾線結(jié)構(gòu)為3×4×0.22HT，密度為40根·cm-1。帶束層角度方案見表1。

表1 帶束層角度方案 （°）

2 結(jié)果與討論

2.1 仿真接地分析

輪胎行駛過程中接地面積趨于矩形、接地壓力分布均勻，有利于改善輪胎的耐磨性能和抓著性能，并能有效降低輪胎使用過程中肩部應(yīng)力，減少胎肩帶束層端點(diǎn)處的生熱，從而提高輪胎耐久性能。3種帶束層角度方案的輪胎仿真接地印痕見圖2，輪胎仿真接地尺寸見表2。

表2 輪胎仿真接地尺寸 mm

圖2 輪胎仿真接地印痕

從圖2和表2可以看出：方案1和2的輪胎接地印痕、接地面積、下沉量相近，接地壓力梯度變化不明顯；方案3的輪胎接地印痕近似橢圓，接地面積比方案1和2小，下沉量明顯減小，接地壓力梯度變化明顯。這說明隨著帶束層角度減小，輪胎剛性增大，下沉量減小，接地面積減小，接地壓力集中，有利于提高輪胎強(qiáng)度性能。

2.2 帶束層端點(diǎn)的剪切應(yīng)力分析

全鋼載重子午線輪胎帶束層是輪胎主要承壓和受力部件之一，輪胎在行駛過程中帶束層端點(diǎn)處會受到周期性的剪切應(yīng)力。根據(jù)應(yīng)變能最小理論，輪胎帶束層端點(diǎn)應(yīng)變能降低或分散有利于提高輪胎耐久性能，也就是說降低帶束層端點(diǎn)的剪切應(yīng)力可以提高輪胎耐久性能。充氣和加載下的輪胎剪切應(yīng)力分布分別見圖3和4，帶束層端點(diǎn)的剪切應(yīng)力見表3。

從圖3和4與表3可以看出：方案1和2的帶束層端點(diǎn)的剪切應(yīng)力接近，說明1#帶束層角度變化對帶束層端點(diǎn)的剪切應(yīng)力影響較??；方案3的帶束層端點(diǎn)的剪切應(yīng)力較小，說明帶束層角度整體減小會使帶束層端點(diǎn)的剪切應(yīng)力減小。根據(jù)應(yīng)變能最小理論，剪切應(yīng)力減小，該部位的生熱會降低，有利于改善輪胎的耐久性能。

表3 帶束層端點(diǎn)的剪切應(yīng)力 N

圖3 充氣下的輪胎剪切應(yīng)力分布

圖4 加載下的輪胎剪切應(yīng)力分布

2.3 成品輪胎性能

針對有限元仿真分析結(jié)果，采用方案1和3試制12R22.5 18PR無內(nèi)胎全鋼載重子午線輪胎，并測試其耐久性能和強(qiáng)度性能。成品輪胎耐久性能和強(qiáng)度性能見表4。其中耐久性能按照GB/T 4501—2008進(jìn)行，試驗(yàn)條件：充氣壓力930 kPa，額定負(fù)荷3550 kg，初始行駛速度為55 km·h-1，輪胎行駛47 h后每10 h速度增大5 km·h-1，負(fù)荷率增大10%，直至輪胎破壞；強(qiáng)度性能按照GB/T 4501—2008進(jìn)行，試驗(yàn)條件：充氣壓力930 kPa，壓頭直徑38 mm，以一定速度壓入胎冠直至刺穿爆破。

從表4可以看出：方案1輪胎的耐久性能為101.2 h，方案3輪胎的耐久性能為107.5 h，2種方案輪胎的耐久性能均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)47 h的要求，其中方案3輪胎的耐久性能優(yōu)于方案1輪胎；方案1輪胎的強(qiáng)度性能為6096.1 J，方案3輪胎的強(qiáng)度性能為7152.2 J，均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)2203 J的要求，方案3輪胎的強(qiáng)度性能優(yōu)于方案1輪胎。說明隨著帶束層角度減小，輪胎肩部剪切應(yīng)力減小，生熱降低，有利于提高成品輪胎耐久性能；輪胎接地下沉量減小，有利于提高成品輪胎強(qiáng)度性能。

表4 成品輪胎耐久性能和強(qiáng)度性能

3 結(jié)論

通過有限元仿真技術(shù)，可以較準(zhǔn)確地分析帶束層角度對全鋼載重子午線輪胎性能的影響，帶束層角度對輪胎的接地印痕和接地面積影響較大。隨著帶束層角度減小，輪胎剛性增大，下沉量減小，接地面積減小，接地壓力集中，有利于提高成品輪胎的強(qiáng)度性能；輪胎肩部剪切應(yīng)力減小，生熱降低，有利于防止輪胎肩空，提高成品輪胎的耐久性能。但帶束層角度并不是越小越好，如果過小，會產(chǎn)生輪胎偏磨等問題，為追求完美的輪胎品質(zhì)還需找到帶束層角度的最佳方案。