矩形鋼絲圈對胎圈性能的影響

任曉靜，馬向前，何昌偉，石亞玲

（風(fēng)神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

作為汽車與路面接觸的唯一部件，輪胎性能直接影響汽車的安全性和乘坐舒適性。胎圈是輪胎與輪輞結(jié)合的主要部位。全鋼載重子午線輪胎的胎圈部位結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，包含加強層、胎體、鋼絲圈等鋼絲結(jié)構(gòu)和多種復(fù)合橡膠結(jié)構(gòu)[1-5]。其中鋼絲圈是胎圈部位的主要承重部件，承受74%左右的充氣壓力，鋼絲圈性能與輪胎的安全性密不可分。因此，胎圈鋼絲的選擇不僅影響輪胎的使用性能和安全性，同時影響輪胎的裝卸性能[6-9]。

本工作通過有限元分析方法研究輪胎胎圈部位受力，并對六邊形鋼絲圈和矩形鋼絲圈進行對比分析，得出兩種不同類型鋼絲圈的受力特性，可為輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一些方向性和參考性的建議。

1 模型選擇

本工作以275/70R22.5全鋼載重子午線輪胎為研究對象，分別對六邊形鋼絲圈和矩形鋼絲圈進行靜態(tài)加載分析。其中，六邊形鋼絲圈選用圓形鋼絲，直徑為1.65 mm，覆膠直徑為1.8 mm，7-8-9-10-9-8-7方式排列，如圖1所示。矩形鋼絲圈選用截面為2.6 mm×1.39 mm的矩形鋼絲，不覆膠，6×6方式排列，如圖2所示。

圖1 7-10-7六邊形鋼絲圈示意

圖2 6×6矩形鋼絲圈示意

2 材料測試

為得出胎圈鋼絲的力學(xué)特性，分別選取上述圓形和矩形鋼絲（每種鋼絲分別取出5個試樣）進行破斷力試驗。本工作采用德國Zwick-Z010（BT1-FR010TN A50）10 kN型電子萬能材料試驗機，分別對兩種鋼絲進行拉伸試驗。5個試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)的再現(xiàn)性非常好，測試結(jié)果可靠。

兩種胎圈鋼絲的拉伸曲線如圖3所示。

圖3 兩種胎圈鋼絲的拉伸曲線

從圖3可以看出，胎圈鋼絲是彈塑性材料，有明顯的線彈性變形階段和塑性變形階段，但沒有明顯的屈服流動階段[10]。矩形鋼絲的彈性應(yīng)變區(qū)域比圓形鋼絲長，塑性變形（斷裂伸長率為10%附近）比圓形鋼絲（斷裂伸長率為15%附近）小得多，一旦發(fā)生塑性變形很快便出現(xiàn)斷裂。矩形鋼絲的破斷力為5 964 N，圓形鋼絲的破斷力為4 175 N。在輪胎結(jié)構(gòu)的靜態(tài)加載計算中，兩種胎圈鋼絲均可以采用線彈性材料模型。

3 模型建立

對兩種胎圈結(jié)構(gòu)的輪胎進行材料分布圖的繪制。兩種斷面結(jié)構(gòu)除鋼絲圈不同外，其他部位均一致（見圖4）。

圖4 兩種胎圈結(jié)構(gòu)的輪胎材料分布示意

利用網(wǎng)格劃分軟件對材料分布圖進行網(wǎng)格劃分，為區(qū)分重點部位，對胎圈部位進行網(wǎng)格細化，如圖5所示。這樣，既保證了分析計算的準(zhǔn)確性，又減小了計算量。此處鋼絲圈屬性不使用剛體定義，而是根據(jù)上述試驗所得的拉伸曲線用線彈性材料模型定義。

圖5 胎圈部位網(wǎng)格細化

有限元分析時對輪胎橡膠部分采用CGAX3H和CGAX4H單元模擬，輪胎簾線部分用SFMGAX1和REBAR單元模擬，橡膠材料采用YEOH模型，輪輞和路面定義為解析剛體。選擇靜態(tài)加載工況，充氣壓力為900 kPa，負荷為3 150 kg，輪輞為8.25，與國家標(biāo)準(zhǔn)要求相同。

4 結(jié)果與討論

4.1 變形分析

分析靜態(tài)加載后的模型可以發(fā)現(xiàn)，矩形鋼絲圈和六邊形鋼絲圈的旋轉(zhuǎn)角度在接地區(qū)域達到最大，其轉(zhuǎn)動的角度范圍均為2°左右，且矩形鋼絲圈轉(zhuǎn)動的角度比六邊形鋼絲圈增大0.9%，鋼絲圈受力降低。但是六邊形鋼絲圈在接地區(qū)域存在轉(zhuǎn)動角度變小的現(xiàn)象，結(jié)果如圖6所示。

圖6 加載后兩種鋼絲圈的角度變化曲線

同時，矩形鋼絲圈和六邊形鋼絲圈胎體與鋼絲圈的相對旋轉(zhuǎn)角度分別為5.83°和5.89°。相對于六邊形鋼絲圈，加載后矩形鋼絲圈的胎體與鋼絲圈的相對轉(zhuǎn)動大為降低。

4.2 受力分析

輸出胎圈與輪輞部位的接觸應(yīng)力，并將兩種方案的結(jié)果進行對比，對比結(jié)果和接觸應(yīng)力如圖7和8所示。

圖7 胎圈與輪輞部位受力示意

從圖7和8可以看出：矩形鋼絲圈的輪輞與輪胎之間的最大接觸應(yīng)力略微增大；六邊形鋼絲圈接觸受力更均勻。

圖8 兩種鋼絲圈的接觸應(yīng)力曲線

5 結(jié)論

采用矩形鋼絲圈代替六邊形鋼絲圈后，胎圈部位的旋轉(zhuǎn)角度有所減小，但是減小的幅度不大；胎體與鋼絲圈之間的相對轉(zhuǎn)動也大為降低；在胎圈區(qū)域采用矩形鋼絲圈，將得到一個更有利的應(yīng)力狀態(tài)。因此，矩形鋼絲圈常用于公交車輪胎等對胎圈受力和輪胎安全性要求嚴(yán)格的輪胎上。同時，采用矩形鋼絲圈后，輪輞與輪胎之間的最大接觸應(yīng)力略增大，對氣密性有利。六邊形鋼絲圈的胎圈與輪輞接觸應(yīng)力更加均勻。

因此，設(shè)計輪胎時，根據(jù)輪胎對安全性的不同需求可以選用不同類型的鋼絲圈。本工作結(jié)果可為輪胎設(shè)計提供一定的參考。