汽車(chē)輪胎平衡性的分析

楊章林

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽滁州239000）

汽車(chē)行駛是由機(jī)械和電子兩大系統(tǒng)的多個(gè)部件統(tǒng)一協(xié)調(diào)完成的。為了追求行駛的平順性，對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的平衡性提出了很高的要求。汽車(chē)輪胎由于直接和地面接觸，反饋各個(gè)方面的載荷作用，它的材料結(jié)構(gòu)、裝配方法、磨損及受力情況都受到平衡性的約束，因而輪胎的平衡性對(duì)汽車(chē)行駛有著重要的意義[1-2]。這里，筆者在其他因素理想化前提下，研究磨損對(duì)平衡性的影響。

1 平衡性影響因素

轉(zhuǎn)動(dòng)的部件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受諸多因素影響，會(huì)因?yàn)椴黄胶庑远a(chǎn)生離心力，其計(jì)算公式如式（1）所示。

式（1）中：G為轉(zhuǎn)動(dòng)部件質(zhì)量（kg）；e為偏心距（mm）；w為角速度（rad∕s）；g為重力加速度（m∕s2）；F為離心力（N）。通過(guò)式（1）可知，不平衡性產(chǎn)生的離心力和偏心距成正比，偏心距越大，不平衡性越凸顯，易導(dǎo)致行駛過(guò)程中出現(xiàn)振動(dòng)、打擺等不良現(xiàn)象。影響偏心距的因素很多，如材料質(zhì)量、裝配誤差、磨損的不均勻性引起的形位誤差等。鑒于當(dāng)前道路環(huán)境的改善和裝配技術(shù)的提高，此二因素對(duì)偏心距的影響降低，故在本文中主要分析輪胎磨損不均勻引起的不平衡性。

2 輪胎的靜態(tài)載荷分析

2.1 輪胎的結(jié)構(gòu)

汽車(chē)的廣泛性用途決定了輪胎種類(lèi)的繁多，常用的是子午線輪胎。子午線輪胎主要由胎冠、緩沖層、胎肩、簾布層、胎側(cè)和胎圈6個(gè)部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種輪胎由于無(wú)內(nèi)胎，完全依靠外胎密封，性能可靠。根據(jù)實(shí)際工作需要，在胎冠上面設(shè)計(jì)不同類(lèi)型的花紋。簾布層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，按照子午線形式分布，可以產(chǎn)生很高的強(qiáng)度。胎圈用于在輪輞上固定輪胎。這些部件組合起來(lái)為輪胎的順利工作提供了良好的保障。

圖1 輪胎結(jié)構(gòu)

2.2 靜載荷分析

2.2.1 模型建立

輪胎的制作材料特別是簾布層的加強(qiáng)材料種類(lèi)繁多。輪胎生產(chǎn)以彈性模量（E）和泊松比（v）為主要參數(shù)，同時(shí)注意材料性能的各向同性和各向異性兩個(gè)方面。計(jì)算方法如式（2）、式（3）和式（4）所示[3-4]。

各向同性計(jì)算：

各向異性計(jì)算：

利用ANSYS軟件自帶的SOLID45∕SOLID46功能對(duì)其控制單元體和控制層單元進(jìn)行設(shè)立，并且設(shè)定材料屬性（MaterialModel Number 6），為了更貼近實(shí)際，需要綜合考慮材料的兩種不同性能，按照具體要求和條件，建立1∕2輪胎模型圖，如圖2所示。此處以常用的15英寸內(nèi)徑子午線輪胎為對(duì)象建立模型。

圖2 1/2輪胎模型

2.2.2 施加載荷

輪胎在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中主要承受支承方向上的力、制動(dòng)狀態(tài)的摩擦力、行駛狀態(tài)的其他方向側(cè)面受力等，各種約束比較復(fù)雜。為了便于分析，筆者選擇豎直方向上的載荷，并且以剛性接觸環(huán)境進(jìn)行模擬。在選擇汽車(chē)輪胎的胎壓時(shí)，需要結(jié)合汽車(chē)載荷和速度兩大參數(shù)。根據(jù)胎壓，可以將目前常用的汽車(chē)輪胎分為三種：大型工具車(chē)的超低壓胎、常見(jiàn)的低壓胎和特殊用途的高壓胎。其中，低壓胎的氣壓值為0.2-0.5MPa，這是一個(gè)優(yōu)良的范圍，因?yàn)樵谠摲秶鷥?nèi)輪胎的很多性能如彈性、散熱性和緩和振動(dòng)性等均有良好體現(xiàn)。本研究中將胎壓確定為0.22MPa，為了便于體現(xiàn)結(jié)果，對(duì)其他因素進(jìn)行理想化。在前述建立的模型基礎(chǔ)上，模擬均布載荷的施加（如圖3）。載荷方向?yàn)閺较?，從輪胎?nèi)部作用出來(lái)，為方便顯示以紅色網(wǎng)格線進(jìn)行表達(dá)。

圖3 施加載荷

2.2.3 結(jié)果分析

給予豎直方向上載荷后，由于地面反饋的反向力導(dǎo)致輪胎的不同部位承受壓力明顯有異，外形在橫向和縱向上有了明顯變化，其壓力變形如圖4所示。

圖4 輪胎變形圖

根據(jù)圖4，我們不難發(fā)現(xiàn)其變形是不規(guī)則的，整個(gè)區(qū)域呈扁平化，中間部分是胎面，接地部分是胎冠，面積較大，壓力也最大，所以變形量較大，與地面之間的摩擦最大，因其上附胎紋緩和沖擊，且能提供較高的抓地力。胎紋因摩擦力的增大會(huì)進(jìn)一步加劇材料的磨損程度，又因材料磨損的不均勻性進(jìn)一步加劇了偏心距，此時(shí)對(duì)稱(chēng)位置的失圓性成了不平衡的誘因。各種不同工況也成為改變胎面磨損率的推手。再看兩邊的胎肩和胎側(cè)部分，這些部位也成為變形較明顯的地方。汽車(chē)實(shí)際行駛中會(huì)隨著路況的變化而出現(xiàn)載荷的波動(dòng)，隨之而來(lái)的是周期性的交變變形。輪胎變形的不規(guī)則性對(duì)輪胎外部磨損量及其偏心距的實(shí)時(shí)產(chǎn)生都有重要影響。另外，從微觀角度看，需要再?gòu)膽?yīng)力方面進(jìn)行分析（如圖5）。

圖5 應(yīng)力圖

在圖5中可以看出，整個(gè)輪胎的應(yīng)力分布具有規(guī)則性，相對(duì)均勻，從中間開(kāi)始呈放射性增大，到胎側(cè)中間部分發(fā)生逆向變化，再往上又開(kāi)始縮小。對(duì)應(yīng)工作情況，可以明顯看出胎側(cè)受到最大的應(yīng)力，結(jié)合變形情況可知任意截面的失圓率都在變化。胎側(cè)由于受到交變應(yīng)力的影響，容易出現(xiàn)失效，同時(shí)在變形影響下胎側(cè)外鼓，這對(duì)本身就比較柔軟的胎側(cè)影響甚大。不同部位由于所受應(yīng)力不一致，在工作中如果再考慮材料因素，不難發(fā)現(xiàn)不同部位的磨損情況不同。這些因素容易導(dǎo)致輪胎偏心距產(chǎn)生并變大，在輪胎制造過(guò)程中務(wù)必充分注意這些問(wèn)題。

3 結(jié)論

通過(guò)上述分析可以發(fā)現(xiàn)，在單獨(dú)進(jìn)行豎直載荷作用時(shí)，輪胎各個(gè)部位的變形和所受應(yīng)力的變化與輪胎因磨損而產(chǎn)生的偏心距之間有直接關(guān)系。輪胎的不平衡性影響汽車(chē)的正常行駛。利用ANSYS軟件分析，得出為解決輪胎不平衡性問(wèn)題而需要在材料耐磨性方面做出更多研究的結(jié)論。