基于帶束層簾線模型的輪胎靜態(tài)接地印痕仿真精度提升研究

張偉偉，孫世悅，傅相誠，任 帥

[浦林成山（青島）工業(yè)研究設(shè)計有限公司，山東 青島 266042]

輪胎接地印痕仿真方法已經(jīng)在輪胎行業(yè)普遍應用，但在實際仿真預測中偶有出現(xiàn)接地印痕仿真形狀與實測形狀不一致的情況[1-2]。對大量的輪胎接地印痕仿真結(jié)果統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，具有1層冠帶層結(jié)構(gòu)的半鋼子午線輪胎接地印痕仿真精度普遍較低[3]。

帶束層是子午線輪胎的核心部件，起著箍緊胎體、承受周向拉力和提高輪胎穩(wěn)定性的作用[4-7]。在輪胎生產(chǎn)過程中，帶束層簾線間距會發(fā)生變化，成品輪胎帶束層簾線角度與其裁斷角度也有明顯差異，這會導致仿真結(jié)果不準確，尤其是1層冠帶層的情況更為明顯。輪胎冠帶層主要有以下作用：（1）保護帶束層并保持其完整性；（2）防止輪胎尺寸變大；（3）提高輪胎速度等級。相對于2層冠帶層輪胎，只有1層冠帶層的輪胎會削弱肩部帶束層的作用，導致成品輪胎帶束層簾線間距和角度變化較大，對接地印痕仿真結(jié)果的精確性影響較大。

本工作主要研究1層冠帶層輪胎接地印痕仿真精確度的提升方法。

1 輪胎接地印痕形狀定義

采用輪胎接地印痕仿真值與試驗值的接近程度，即形狀參數(shù)（Cs）來定量描述接地印痕形狀[8]：

式中：LX為接地印痕中心長軸的長度，mm；LI和LO分別為接地印痕內(nèi)、外側(cè)80%短軸寬處的長軸長度，mm。

Cs用于表征接地印痕形狀的矩形率，Cs越接近于1，接地印痕形狀越接近于矩形；當Cs小于1時，其值越小，接地印痕形狀越接近蝴蝶形；當Cs大于1時，其值越大，接地印痕形狀越接近橢圓形[9-10]。3種不同形狀輪胎接地印痕形狀如圖1所示。

圖1 輪胎接地印痕形狀示意

2 帶束層簾線間距和角度在輪胎斷面中的分布

由于1層冠帶層輪胎胎肩部位帶束層的約束作用減弱，成品輪胎簾線間距和角度與設(shè)計值相比都會發(fā)生變化。輪胎接地印痕仿真中簾線-橡膠復合材料用rebar-layer模型定義鋼絲簾線角度、簾線間距、單根鋼絲截面積等參數(shù)，通過提升簾線角度和簾線間距參數(shù)精度，使其更接近實際值，以提高仿真精度。

2.1 簾線間距

1層冠帶層185/65R14輪胎斷面如圖2所示。由圖2可見，與冠部位置相比，越靠近肩部簾線間距越大，這是由于帶束層膨脹的邊緣效應導致幾何參數(shù)變化[4]。測量后發(fā)現(xiàn)，肩段膨脹增大的帶束層簾線間距約為初始設(shè)定值的3倍。

圖2 1層冠帶層輪胎斷面

2.2 簾線角度

用電阻法找到同一根帶束層簾線的2個端點，即用萬用表黑表筆將斷面最外側(cè)的一根簾線端點固定，用紅表筆分別觸碰斷面另一側(cè)的簾線端點，直至萬用表顯示屏顯示非零數(shù)值，此時代表電路是通路，兩個端點即為同一根簾線的2個端點。將2個端點連接畫一條直線，用半圓形量角器測量該直線與輪胎橫向中心線的角度，見圖3。

圖3 電阻法測定簾線角度

將帶束層簾線分為3段（見圖4），由測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，從胎冠中心到肩部位置，成品輪胎帶束層簾線角度并不是成型裁斷角度，該規(guī)格輪胎帶束層裁斷角度為24°，而實際簾線角度變化較大（見表1）。

圖4 帶束層簾線分段示意

表1 帶束層分3段測量簾線角度結(jié)果 （°）

充氣后輪胎帶束層簾線角度變化復雜，靠近邊緣部位無法測得肩部簾線角度，但可以確定的是因缺少帶束層的約束，越靠近肩部簾線角度越大，因此可以根據(jù)冠段與中段的簾線角度差級外推肩段簾線角度。

3 仿真分析帶束層簾線間距和角度的修正

195/60R16，185/65R14，165/70R14 和225/60R16輪胎帶束層裁斷角度均為24°，且均為1層冠帶層設(shè)計，通過對其仿真模型中帶束層簾線間距和角度參數(shù)進行修正，分別探討帶束層肩段簾線間距增大2倍和帶束層簾線角度修正后的接地印痕仿真精度。

3.1 帶束層肩段簾線間距增大2倍

將肩段帶束層簾線間距增大2倍，4個規(guī)格輪胎接地印痕仿真精度見表2。

表2 帶束層肩段簾線間距修正前后Cs對比

由表2可見，經(jīng)過肩段帶束層簾線間距增大2倍的修正后，輪胎接地印痕仿真精度有所提高，但195/60R16和185/65R14輪胎接地印痕仿真形狀仍為蝴蝶形，與試驗形狀不同。因此，仿真時帶束層肩段簾線間距修正雖能提升接地印痕仿真精度但不顯著，簾線間距不是影響接地印痕仿真精度的主要因素。

3.2 帶束層簾線角度修正

根據(jù)1#帶束層中段簾線角度（26°）和冠段簾線角度（22°）之間的差級將肩段簾線角度修正為30°。

帶束層簾線角度修正后4個規(guī)格輪胎接地印痕仿真精度見表3。

表3 帶束層簾線角度修正前后Cs對比

由表3可得，帶束層簾線角度的分段定義對1層冠帶層結(jié)構(gòu)的輪胎接地印痕形狀影響顯著，帶束層角度修正后，1層冠帶層輪胎接地印痕仿真精度由93%提升到97%以上，其中195/60R16和185/65R14輪胎經(jīng)帶束層簾線角度修正后接地印痕仿真形狀也由橢圓形變成蝴蝶形，與試驗形狀一致。這說明帶束層簾線角度是影響接地印痕仿真精度的主要因素，設(shè)定合理的修正值，修正后仿真精度滿足分析要求。

4 推廣驗證

將以上有限元仿真模型修正方法應用于215/65R16 HT1輪胎仿真，該規(guī)格為1層冠帶層結(jié)構(gòu)，設(shè)計帶束層簾線角度為27°，將帶束層的冠段、中段、肩段簾線角度分別修正為25°，28°和31°，修正前后輪胎接地印痕形狀對比見圖5。

圖5 修正前后輪胎接地印痕形狀對比

215/65R16 HT1輪胎試驗、修正前仿真和修正后仿真的Cs分別為1.00，1.09和1.02。經(jīng)修正，輪胎接地印痕仿真精度提升了6.4%，仿真精度為98%，但是接地印痕形狀較試驗形狀還略有差異，不同裁斷角度的帶束層簾線角度變化復雜，還需進行更深一步的理論探究。

5 結(jié)論

（1）具有1層冠帶層結(jié)構(gòu)的半鋼子午線輪胎由于冠帶層功能弱化導致帶束層約束能力下降，從而導致輪胎的實際帶束層簾線角度與裁斷角度不同。

（2）經(jīng)過帶束層肩段簾線間距增大的模型參數(shù)修正，輪胎接地印痕有限元仿真精度有所提升，但不顯著。

（3）將帶束層分為3段定義，經(jīng)過帶束層簾線肩部角度增大的模型參數(shù)修正，可有效提升輪胎接地印痕仿真精度。

對于具有不同帶束層裁斷角度的輪胎，成品輪胎帶束層簾線角度變化規(guī)律尚不統(tǒng)一，如何獲得準確的修正公式有待進一步研究。