195/85R16LT輪胎行駛面弧度高對(duì) 成品性能影響的有限元分析

王志勇，車明明，王明偉，任世奪

[1.浦林成山（山東）輪胎有限公司，山東 威海 264300；2.浦林成山（青島）工業(yè)研究設(shè)計(jì)有限公司，山東 青島 266042]

受輪胎滾動(dòng)阻力的影響，載重汽車輪胎燃油消耗量占整個(gè)車輛燃油消耗的25%～35%[1]。我國汽車行業(yè)已經(jīng)實(shí)施國六排放標(biāo)準(zhǔn)，各汽車廠家也要求輪胎制造商降低輪胎的滾動(dòng)阻力，從而降低車輛的油耗。

輪胎購買成本約占整車運(yùn)輸總成本的2%，目前許多商用車輪胎都存在輪胎異常磨損、使用壽命短等問題。輪胎在行駛過程中存在滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦，其中滑動(dòng)摩擦阻力是滾動(dòng)摩擦阻力的40～60倍，因此需重點(diǎn)關(guān)注輪胎行駛中的滑動(dòng)摩擦阻力。從輪胎設(shè)計(jì)角度來說，應(yīng)該降低輪胎胎冠接地部位各點(diǎn)之間的接地壓力差值，使接地各點(diǎn)壓力分布均勻，減小輪胎異常磨損，提高輪胎的耐磨性能。滾動(dòng)阻力和耐磨性能是評(píng)價(jià)輪胎性能的兩個(gè)重要指標(biāo)，在輪胎設(shè)計(jì)中占有重要地位。因此研究輪胎外輪廓曲線參數(shù)值設(shè)計(jì)對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力和耐磨性能的影響尤為重要。

本工作利用有限元分析軟件研究195/85R16LT輪胎外輪廓曲線的行駛面弧度高（h）對(duì)成品輪胎滾動(dòng)阻力和接地印痕等的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)輪胎

試驗(yàn)輪胎為195/85R16LT 12PR無內(nèi)胎全鋼載重子午線輪胎，胎面采用3條縱向花紋。

1.2 軟件

分析采用Abaqus 6.14有限元軟件和AutoCAD 2019制圖軟件。

1.3 試驗(yàn)方案

195/85R16LT 12PR輪胎外輪廓曲線的h從高到低設(shè)計(jì)3種方案，調(diào)整輪胎外輪廓曲線的h時(shí)，依據(jù)繪圖規(guī)則，胎冠弧的終點(diǎn)位置也隨之改變，因此胎冠第1段弧半徑（R1）和第2段弧半徑（R2）都需對(duì)應(yīng)做出調(diào)整（見表1），但3種方案輪胎第1段弧的終點(diǎn)距胎冠中心線的水平寬度均設(shè)計(jì)為40 mm，且其余外輪廓曲線參數(shù)相同，即外直徑為735 mm，斷面寬為200 mm，行駛面寬度為148 mm，胎圈著合寬度為152 mm，胎圈著合直徑為404 mm，輪胎斷面高為165.5 mm。

表1 輪胎胎冠曲線設(shè)計(jì)參數(shù) mm

3種方案采用相同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主要骨架材料為：胎體結(jié)構(gòu) 1層胎體簾布層反包，胎體簾線材料（壓延密度） 3×0.24/9×0.225CCHT鋼絲簾線（50根?dm-1），胎體簾線角度 90°，胎體簾線直徑 0.94 mm，1#和2#帶束層材料（壓延密度） 0.37＋6×0.32ST鋼絲簾線（51根?dm-1），1#和2#帶束層角度 18°，1#和2#帶束層簾線直徑 1.02 mm，加強(qiáng)層材料（壓延密度） 2＋2×0.25HT鋼絲簾線（63根?dm-1），加強(qiáng)層簾線角度 40°，加強(qiáng)層簾線直徑 0.66 mm，鋼絲圈結(jié)構(gòu) 斜六角形（排列方式4-5-6-5），鋼絲圈單絲直徑 1.65 mm。建立3種方案輪胎模型，用于有限元仿真計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 靜負(fù)荷性能

使用有限元軟件進(jìn)行輪胎靜負(fù)荷性能試驗(yàn)仿真，試驗(yàn)輪輞為5 1/2J標(biāo)準(zhǔn)輪輞，充氣壓力為650 kPa，負(fù)荷為1 180 kg；未考慮輪胎花紋塊中鋼片的影響，計(jì)算3種方案輪胎的接地印痕參數(shù)，結(jié)果見 圖1。

圖1 3種方案輪胎的接地印痕

由圖1可見，3種方案輪胎的接地印痕形狀不同，隨著h的減小，輪胎肩部花紋塊的接地壓力逐漸增大、胎冠中心部位花紋塊的接地壓力逐漸減小，使輪胎接地面各點(diǎn)的壓力分布整體趨于均勻，從而提高輪胎的耐磨性能。

3種方案輪胎靜負(fù)荷性能試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。其中，接地因數(shù)＝接地印痕長軸長度/接地印痕短軸長度，矩形率＝接地印痕長軸長度/肩部印痕長度（接地印痕短軸半寬×80%位置，采用有限元仿真計(jì)算的左/右胎肩印痕長度相差很?。?，平均接地壓力＝負(fù)荷/有效接地面積，硬度因數(shù)＝負(fù)荷/（有效接地面積×輪胎充氣壓力）[2]。

表2 輪胎靜負(fù)荷性能試驗(yàn)結(jié)果

由表2可見：方案1輪胎的接地因數(shù)比其他方案輪胎大，表明方案1輪胎接地時(shí)胎冠部位的壓縮和變形更大，抓著性能和操控性能較好，同時(shí)滾動(dòng)阻力較高[3]；方案1輪胎的平均接地壓力較大，輪胎的抓著性能好，但平均接地壓力大會(huì)造成輪胎磨損較嚴(yán)重[3]，且方案1輪胎接地壓力分布不均勻，易造成輪胎胎肩部位偏磨現(xiàn)象。

矩形率＞1時(shí)，接地印痕形狀為圓形；矩形 率＝1時(shí)，接地印痕形狀為矩形；矩形率＜1時(shí)，接地印痕形狀為蝴蝶型[4]。由表2可見，方案3輪胎的矩形率接近1，接地印痕形狀為矩形，輪胎的耐磨性能好。

接地壓力偏度值是表征輪胎胎冠接地壓力分布離散程度的指標(biāo)，即計(jì)算胎冠部位各點(diǎn)接地壓力樣本總體的標(biāo)準(zhǔn)偏差。相同條件下，接地壓力分布均勻性是評(píng)價(jià)子午線輪胎磨損的重要指標(biāo)，因此接地壓力偏度值可作為反映輪胎接地特性的指標(biāo)[5]。方案3輪胎的接地壓力偏度值最小、平均接地壓力也較小，因此方案3輪胎的胎冠部位磨損均勻，輪胎耐磨性能好。

當(dāng)硬度因數(shù)＝1時(shí)，表明輪胎充氣壓力正好能夠承受輪胎全部負(fù)荷；硬度因數(shù)＜1時(shí)，表明輪胎充氣壓力足夠承受輪胎負(fù)荷且有剩余；硬度因 數(shù)＞1時(shí)，表明輪胎充氣壓力不足以承受輪胎負(fù)荷，部分負(fù)荷需要輪胎自身材料強(qiáng)度承受，此時(shí)輪胎易提前損壞。由表2可見，3種方案輪胎硬度因數(shù)都大于1，表明3種方案輪胎充氣壓力都不夠承受輪胎全部負(fù)荷，輪胎部分負(fù)荷需自身材料參與承擔(dān)，此時(shí)輪胎自身材料變形會(huì)增大，而輪胎滾動(dòng)阻力主要來源于材料變形，因此需降低輪胎的硬度因數(shù)。

2.2 滾動(dòng)阻力和耐久性能

輪胎對(duì)汽車燃油能量的消耗主要表現(xiàn)在滾動(dòng)阻力上，輪胎滾動(dòng)阻力主要表現(xiàn)為空氣阻力、輪胎變形產(chǎn)生的滯后損失和摩擦阻力3個(gè)方面。其中空氣阻力占比為0～15%，輪胎滯后損失占比為80%～90%，摩擦阻力占比小于5%，因此輪胎滾動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因主要是輪胎自身材料變形帶來的能量消耗[1]。通過有限元仿真計(jì)算輪胎滾動(dòng)阻力，未考慮輪胎花紋塊中鋼片的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見 表3。

表3 輪胎滾動(dòng)阻力和應(yīng)變能密度

圖3 3種方案輪胎胎圈部位應(yīng)力分布

調(diào)整輪胎h，不僅會(huì)改變輪胎胎肩部位的受力分布，也會(huì)改變胎圈部位的受力分布，如圖2和3所示。使用基于有限元分析計(jì)算應(yīng)變能密度的方法可以預(yù)測(cè)輪胎的耐久性能[6-7]。從表3及圖2和3可見，方案2輪胎的2#帶束層端點(diǎn)應(yīng)變能密度、胎體簾布反包端點(diǎn)應(yīng)變能密度和加強(qiáng)層反包端點(diǎn)應(yīng)變能密度（所選骨架材料的端點(diǎn)位置都是輪胎行駛中易損壞部位）比其他兩個(gè)方案輪胎小，說明方案2輪胎的耐久性能優(yōu)于其他兩個(gè)方案輪胎。

圖2 3種方案輪胎胎肩部位應(yīng)力分布

3 結(jié)論

有限元分析結(jié)果表明，通過調(diào)整195/85R16LT輪胎外輪廓曲線的h，一方面可改變輪胎接地印痕形狀、胎冠部位接地壓力分布，另一方面也改變了輪胎整體變形，即：隨著h的減小，輪胎胎肩部位花紋塊的接地壓力逐漸增大、胎冠中心部位花紋塊的接地壓力逐漸減小，胎肩部位的受力分布和胎圈部位的受力分布也發(fā)生變化；方案1輪胎（h＝6.5 mm）的接地因數(shù)和平均接地壓力最大，接地壓力分布不均勻，抓著性能和操控性能較好，滾動(dòng)阻力較高，耐磨性能差；方案3輪胎（h＝5.5 mm）接地印痕的矩形率接近1，接地印痕形狀為矩形，接地壓力偏度值最小，平均接地壓力也較小，耐磨性能好；方案2輪胎（h＝6 mm）的2#帶束層端點(diǎn)應(yīng)變能密度、胎體簾布反包端點(diǎn)應(yīng)變能密度和加強(qiáng)層反包端點(diǎn)應(yīng)變能密度最小，耐久性能最好。這為優(yōu)化輪胎外輪廓曲線設(shè)計(jì)提供了樣本參考。