全鋼載重子午線(xiàn)輪胎斷面寬選擇技術(shù)分析

姚斌　金寅德

摘 要：輪胎冠部是全鋼載重子午線(xiàn)輪胎的重要組成部分，它不僅影響整車(chē)性能，也與其使用壽命密切相關(guān)。合理的斷面寬的選擇，將影響輪胎充氣后輪廓的變形，進(jìn)而對(duì)輪胎的使用性能產(chǎn)生影響。本文將選定一個(gè)系列的全鋼載重子午線(xiàn)輪胎作為研究對(duì)象，根據(jù)國(guó)標(biāo)中給定的斷面寬，分成若干個(gè)方案，在保持輪胎的行駛面寬度和外直徑不變的情況下，通過(guò)有限元分析技術(shù)和輪廓變形最小理論分析，對(duì)方案的結(jié)果進(jìn)行評(píng)定，并通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行驗(yàn)證，最后，將分析結(jié)果通過(guò)MATLAB軟件，擬合出全鋼載重子午線(xiàn)輪胎斷面寬與斷面寬度變形量之間的理論公式。通過(guò)本文的研究，能給輪胎設(shè)計(jì)工作者提供一個(gè)設(shè)計(jì)參考，從而大大提升輪胎制造企業(yè)的設(shè)計(jì)效率。

關(guān)鍵詞：全鋼載重子午線(xiàn)輪胎 斷面寬 有限元 設(shè)計(jì)

1 前言

作為汽車(chē)的重要組成部件，輪胎是汽車(chē)車(chē)身與路面連接的唯一部件，起著支承負(fù)荷、向地面?zhèn)鬟f動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)力和轉(zhuǎn)向力并承擔(dān)緩沖減震等作用。汽車(chē)依靠輪胎支承在路面上，但直接與路面接觸的卻是輪胎胎冠。輪胎冠部是全鋼載重子午線(xiàn)輪胎的重要組成部分，它不僅影響整車(chē)性能，也與其使用壽命密切相關(guān)。汽車(chē)在正常行駛時(shí)，在胎面和路面間切向力的作用下，輪胎冠部能產(chǎn)生較大的切向彈性變形，若切向力增加，切向變形隨之增大，接觸面的“摩擦作用”也就隨之增強(qiáng)，進(jìn)而抑制了胎面與路面打滑趨勢(shì)。研究表明，影響胎面和路面間摩擦力的因素還包括有這兩面間的粘著作用、分子引力作用以及路面小尺寸微凸體對(duì)胎面的微切削作用等，但是，起主要作用的仍是冠部變形引起花紋塊的彈性變形，而引起花紋塊變形的其中一個(gè)重要因素就是輪胎的斷面寬處的變形。斷面寬是指輪胎在正常行駛時(shí)與路面的接觸面的寬度，由于全鋼載重子午線(xiàn)輪胎是橡膠和骨架材料的復(fù)合體，在行駛過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生斷面寬度周期性的變化，從而引起周期性的應(yīng)力和應(yīng)變，這就是全鋼載重子午線(xiàn)輪胎疲勞損壞的主要原因。

全鋼載重子午線(xiàn)輪胎斷面寬的選擇與行駛面寬、著和寬度及外直徑有直接的關(guān)系，合理的斷面寬的選擇，將影響輪胎充氣后輪廓的變形，進(jìn)而對(duì)輪胎的使用性能產(chǎn)生影響，如：耐久和胎圈耐久性能、輪胎的舒適性能、輪胎的噪音和滾動(dòng)阻力性能、整車(chē)油耗等。

目前，國(guó)外對(duì)全鋼載重子午線(xiàn)輪胎斷面寬的設(shè)計(jì)技術(shù)的研究成果，很少見(jiàn)于可查文獻(xiàn);而國(guó)內(nèi)輪胎公司或相應(yīng)的高校，對(duì)該方面的研究也少之又少。國(guó)內(nèi)針對(duì)TBR輪胎其最佳斷面寬的選定，仍停留在經(jīng)驗(yàn)階段，一般的做法就是從國(guó)標(biāo)或從歐標(biāo)（ETRTO）中選擇一個(gè)數(shù)值，至于數(shù)值的合理性研究幾乎是沒(méi)有的，這就迫切需要對(duì)選定的斷面寬數(shù)值進(jìn)行相關(guān)的研究工作，從而能夠給輪胎設(shè)計(jì)工作者提供一個(gè)相對(duì)合理的參考，讓輪胎斷面寬的設(shè)計(jì)不再只從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，而是有了合理可行的理論支撐，從而可以有效提高全鋼載重子午線(xiàn)輪胎的使用壽命并降低故障率，即可為輪胎制造企業(yè)節(jié)約成本，又可以使整車(chē)在行駛過(guò)程中降低能源消耗，減少污染。

2 全鋼載重子午線(xiàn)輪胎斷面寬有限元分析模型建立

全鋼載重子午線(xiàn)輪胎是復(fù)雜的橡膠-鋼絲復(fù)合體，由多種部件組成，所以在對(duì)其斷面寬進(jìn)行有限元分析時(shí)，單純的橡膠部件如胎冠、三角膠、胎肩墊膠采用泊松比較大的彈性材料模型;單純的鋼絲部件如鋼絲圈因?yàn)槭遣灰鬃冃误w，計(jì)算時(shí)則采用剛體模型;對(duì)于橡膠-鋼絲簾線(xiàn)復(fù)合材料如胎體簾布和帶束層、鋼包部件，采用目前公認(rèn)的rebar嵌入式模型來(lái)進(jìn)行模擬分析，且胎體層和帶束層要單獨(dú)建模，設(shè)定帶束層和胎體層接觸面之間無(wú)滑動(dòng)。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，影響全鋼載重子午線(xiàn)輪胎冠部變形因素較多，如冠部弧度尺寸設(shè)計(jì)、行駛面寬度選擇、斷面寬度參數(shù)選擇等，但本文只研究斷面寬度對(duì)全鋼載重子午線(xiàn)輪胎充氣變形輪廓的影響，因此建立模型時(shí)，假設(shè)在其他參數(shù)相同，僅有斷面寬度參數(shù)不同。

建模選取295/75R22.5規(guī)格全鋼子午線(xiàn)輪胎作為研究對(duì)象，改變斷面寬度的選擇參數(shù)，其余所有設(shè)計(jì)參數(shù)都相同，從而減少計(jì)算結(jié)果中其他因素的影響。采用6個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比有限元分析，方案參數(shù)的選擇根據(jù)GB/T 29977標(biāo)準(zhǔn)和ETRTO歐洲輪胎設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在保證輪胎的斷面寬度不脫離標(biāo)準(zhǔn)的情況下選擇盡可能多的斷面寬參數(shù)，具體方案設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)方案中輪胎的材料分布，采用TYBAS軟件進(jìn)行前處理的網(wǎng)格劃分。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，將計(jì)算的重點(diǎn)輪胎的冠部，網(wǎng)格劃分的精密一些，而其他部分的網(wǎng)格劃分相對(duì)稀疏。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量非常重要，直接影響著有限元計(jì)算結(jié)果收斂與否。因此進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，在保證網(wǎng)格質(zhì)量的情況下，盡量不要出現(xiàn)三角形單元，如果不可避免出現(xiàn)三角形單元，也要盡量避免邊長(zhǎng)比例大的三角形單元，即使是四邊形單元也應(yīng)遵循長(zhǎng)寬比值不能超過(guò)3的原則，否則容易增加計(jì)算的難度，從而影響分析計(jì)算的時(shí)間和速度。

將胎體單元和帶束層單元看作rebar嵌入單元，并且在前處理軟件中對(duì)單元進(jìn)行屬性賦值，設(shè)定好一切邊界條件，為了減少計(jì)算的誤差，在上述6個(gè)方案模型建立的時(shí)候，盡量保持網(wǎng)格數(shù)量和形狀不做變化，前處理網(wǎng)格劃分示意圖如圖1所示。

本文全鋼載重子午線(xiàn)輪胎斷面寬有限元分析模型建立的工況均為標(biāo)準(zhǔn)氣壓和標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷的情況下的輪胎變形情況。

3 斷面寬有限元計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)有限元分析軟件ABAQUS，對(duì)方案中劃分好網(wǎng)格模型，進(jìn)行有限元分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。根據(jù)表2中6種方案的對(duì)比數(shù)據(jù)可知，方案4選擇的斷面寬的輪胎變形綜合性能最好，且接地印痕系數(shù)最高，接地印痕系數(shù)代表接地印痕形狀與矩形的接近程度，系數(shù)越高代表輪胎的冠部接地受力月均勻。

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，將295/75R22.5輪胎選取方案3、4、5進(jìn)行實(shí)際輪胎的成型，并進(jìn)行6個(gè)月的裝車(chē)路試，路試結(jié)果顯示，方案4的輪胎無(wú)論是在磨耗方面，還是改善輪胎冠部的異常磨損方面都有明顯的優(yōu)勢(shì)。

因此，斷面寬決定輪胎的上胎側(cè)弧和下胎側(cè)弧的值，上胎側(cè)弧度和下胎側(cè)弧度直接影響冠部弧度的充氣變形。合理的斷面寬的選擇，將影響輪胎充氣后輪廓的變形，進(jìn)而對(duì)輪胎的使用性能產(chǎn)生影響。

4 斷面寬函數(shù)擬合

根據(jù)有限元分析及路試結(jié)果，選取方案4中的相關(guān)數(shù)據(jù)，將分析結(jié)果通過(guò)MATLAB軟件，擬合出全鋼載重子午線(xiàn)輪胎斷面寬與斷面寬度變形量之間的理論公式，如下所示。

5 結(jié)語(yǔ)

全鋼載重子午線(xiàn)輪胎價(jià)格較高，輪胎的前期溝裂會(huì)對(duì)用戶(hù)產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失，影響輪胎公司對(duì)產(chǎn)品的銷(xiāo)售情況，所以迫切需要通過(guò)改進(jìn)輪胎的設(shè)計(jì)參數(shù)，從而改善輪胎的冠部變形，達(dá)到改變輪胎溝底裂現(xiàn)象的目的。由于目前國(guó)內(nèi)輪胎公司或相應(yīng)的高校，對(duì)于全鋼載重子午線(xiàn)輪胎斷面寬選定技術(shù)的空白，如將本論文研究結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際輪胎的設(shè)計(jì)中，能給輪胎設(shè)計(jì)工作者提供一個(gè)相對(duì)精確的參考，可以大大提升輪胎制造企業(yè)的設(shè)計(jì)效率，讓輪胎斷面寬的設(shè)計(jì)不再只從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，從而有了理論的支撐，避免僅憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)而產(chǎn)生的諸多失誤，為企業(yè)節(jié)約設(shè)計(jì)成本，為客戶(hù)節(jié)約投入成本，為國(guó)家節(jié)約資源。

但同時(shí)由于全鋼載重子午線(xiàn)輪胎是一個(gè)復(fù)雜的橡膠-鋼絲復(fù)合件，輪胎的使用性能受多種設(shè)計(jì)參數(shù)的共同影響，僅僅研究斷面寬度的選擇對(duì)輪胎的性能影響還是具有一定的局限性。

基金項(xiàng)目：2020年浙江省教育廳一般科研項(xiàng)目“全鋼載重子午線(xiàn)輪胎斷面寬設(shè)計(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)”（Y202043272）。

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