探究200km/h以上行駛速度的TPMS橡膠氣門嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研發(fā)

摘要：本研究針對200km/h 以上行駛速度下（ 以17”汽車輪輞為例） 的TPMS 橡膠氣門嘴進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研發(fā)，旨在提升氣門嘴在高速度下的性能和安全性。通過優(yōu)化氣門嘴的流線型設(shè)計(jì)、材料選擇和密封性能，本研究實(shí)現(xiàn)了在極端條件下的優(yōu)越表現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的氣門嘴在氣密性和材料強(qiáng)度、耐疲勞方面均超過了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具備良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：TPMS; 橡膠氣門嘴; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); 材料選擇

引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，車輛的行駛速度不斷提升，同時(shí)由于氣門嘴制造工藝的優(yōu)化及成本的壓縮，200km/h 以上高速橡膠氣門嘴被更多主機(jī)廠所接受。在此背景下，輪胎及其附件的性能要求也隨之提高。TPMS（胎壓監(jiān)測系統(tǒng)）橡膠氣門嘴作為輪胎的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響到車輛的安全性和性能。本文旨在探討新型TPMS 橡膠氣門嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其在高速行駛下的性能表現(xiàn)，為未來的輪胎技術(shù)研發(fā)提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。

一、國內(nèi)外TPMS 氣門嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展

（一）氣門嘴設(shè)計(jì)的發(fā)展歷程

氣門嘴設(shè)計(jì)的發(fā)展歷程可以追溯到20 世紀(jì)初，最初的氣門嘴設(shè)計(jì)主要關(guān)注基本的密封性能。隨著材料科學(xué)和制造技術(shù)的進(jìn)步，氣門嘴的設(shè)計(jì)逐漸向輕量化、高性能方向發(fā)展。近年來，Smith（2015）提出，現(xiàn)代氣門嘴不僅需要滿足密封要求，還應(yīng)具備耐高溫、耐化學(xué)腐蝕的特性。然而，現(xiàn)有技術(shù)在高壓力和極端環(huán)境下的可靠性仍然不足，常見的失效模式包括老化和疲勞。Chen 等（2020）指出，傳統(tǒng)橡膠材料在高溫下容易降解，導(dǎo)致密封失效，因此亟需開發(fā)新型復(fù)合材料以提升性能。

（二）國內(nèi)外TPMS 氣門嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展

在TPMS 氣門嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，國內(nèi)外已有多項(xiàng)研究成果。國外的研究如Johnson（2018）探討了氣門嘴的流體動(dòng)力學(xué)特性，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬其在不同氣流條件下的性能，結(jié)果顯示流線型設(shè)計(jì)能顯著降低氣動(dòng)阻力。國內(nèi)研究方面，李明（2021）通過有限元分析（FEA）探討了氣門嘴在高壓條件下的應(yīng)力分布，結(jié)果表明，優(yōu)化的幾何形狀能有效提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。兩者均強(qiáng)調(diào)了在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)綜合考慮材料特性與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以應(yīng)對日益復(fù)雜的使用環(huán)境。

二、TPMS 橡膠氣門嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）TPMS 橡膠氣門嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論分析

在高速行駛中，TPMS 橡膠氣門嘴承受多種力的作用，這些力主要來源于氣動(dòng)壓力、輪胎負(fù)荷以及溫度變化。應(yīng)用流體力學(xué)和材料力學(xué)的基本原理，可以對氣門嘴的受力情況進(jìn)行詳細(xì)分析。

1. 氣動(dòng)壓力

假設(shè)氣門嘴內(nèi)部的氣體壓力為P，標(biāo)準(zhǔn)情況下設(shè)定為2.5bar（即250，000Pa）。

在氣門嘴內(nèi)腔體上的受力可以通過公式計(jì)算：

F氣=P·A

其中，A 為氣門嘴的橫截面積，假設(shè)直徑為5mm，則：

所以，氣動(dòng)壓力產(chǎn)生的力為：

F 氣=250，000Pa ×1.96×10-5m2 ≈ 4.9N

2. 輪胎負(fù)荷

輪胎負(fù)荷（F 輪）可根據(jù)車輛重量和輪胎數(shù)量來計(jì)算，假設(shè)每個(gè)輪胎承受3000N 的負(fù)荷。

氣門嘴需要承受的總負(fù)荷為輪胎負(fù)荷的一部分，考慮到材料的承載能力和設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留有一定的安全系數(shù)。

3. 溫度效應(yīng)

橡膠材料的物理性能會(huì)隨著溫度的變化而變化。根據(jù)材料力學(xué)，材料的強(qiáng)度σ 會(huì)受到溫度的影響。設(shè)定高溫下的強(qiáng)度為σ 高和低溫下的強(qiáng)度為σ 低，其關(guān)系如下：

σ =σ0 ? k （T ? T0 ）

其中，k 為材料的溫度系數(shù)，T 為實(shí)際溫度，T0 為基準(zhǔn)溫度。

4. 疲勞分析

在高速行駛狀態(tài)下，氣門嘴經(jīng)歷周期性載荷。疲勞強(qiáng)度Sf計(jì)算公式為：

Sf=Sn/Nf

其中，Sn 為材料的名義強(qiáng)度，Nf 為允許的疲勞循環(huán)次數(shù)。

（二）結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1. 設(shè)計(jì)理念

為了滿足高速行駛（gt;200km/h）的需求，新型TPMS 橡膠氣門嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了以下幾個(gè)優(yōu)化策略：

（1）氣門嘴的流線型設(shè)計(jì)。通過CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）模擬優(yōu)化氣門嘴的外形，使其在高速行駛中減少氣動(dòng)阻力。這不僅有助于提高輪胎的整體空氣動(dòng)力性能，還能有效提高氣流量，達(dá)到每小時(shí)7.3m3 以上，滿足用戶對充氣效率的要求。

（2）降低裝著力。傳統(tǒng)氣門嘴在安裝過程中需要較大的力氣，新型氣門嘴通過改進(jìn)橡膠配方和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將裝著力控制在600N 以下，符合ETRTO 標(biāo)準(zhǔn)，顯著減少安裝難度，避免在安裝過程中對氣門嘴表面造成損傷。

（3）材料選型與配方設(shè)計(jì)。采用耐高溫、耐腐蝕且具有高彈性和高強(qiáng)度的復(fù)合橡膠材料，通過優(yōu)化的混煉工藝，提升橡膠的物性，確保其在極端溫度（-40° C 至120° C）和高加速度（gt;900G）下的穩(wěn)定性和密封性能。

（4）增強(qiáng)耐疲勞性和抗老化性。通過引入抗疲勞材料和特種添加劑，提高氣門嘴在長期使用中的耐久性。新型設(shè)計(jì)還考慮了高速行駛中的振動(dòng)和應(yīng)力變化，確保產(chǎn)品在高頻振動(dòng)和壓力變化下保持完整性。

2. 潛在優(yōu)勢

（1）高效的氣流性能。通過優(yōu)化流體力學(xué)設(shè)計(jì)，氣門嘴的氣流量提升至7.3m3/h 以上，顯著提高了充氣速度，符合快節(jié)奏的出行要求。

（2）降低安裝難度。優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料使用使得安裝更加便捷，減少了用戶在安裝過程中的力氣消耗，同時(shí)避免了氣門嘴表面的損壞。

（3）高溫耐受和耐疲勞性能。新型橡膠材料的應(yīng)用大大增強(qiáng)了氣門嘴在高溫、低溫以及長期高負(fù)荷環(huán)境下的穩(wěn)定性，適用于時(shí)速超過200km/h 的車輛。

（4）更長的使用壽命。增強(qiáng)抗老化和抗疲勞特性使得氣門嘴能夠長期使用而不出現(xiàn)性能下降，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的市場競爭力。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為了驗(yàn)證新型TPMS 橡膠氣門嘴在不同速度條件下的性能表現(xiàn)，進(jìn)行了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，包括氣密性測試、抗壓強(qiáng)度測試以及在不同速度下的耐疲勞性評估。以下為實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析：

（一）氣密性測試

氣密性測試用于評估氣門嘴在不同壓力下的密封效果。測試壓力范圍為0-2.5 bar，并在不同速度條件下（200 km/h、234 km/h、250 km/h）進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在標(biāo)準(zhǔn)壓力下，氣門嘴的漏氣率保持在 0.2cc/min 以下，符合設(shè)計(jì)要求。

（二）抗壓強(qiáng)度測試

抗壓強(qiáng)度測試評估氣門嘴在不同壓力條件下的承載能力。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，氣門嘴在900G （216 km/h） 和 1050G （234 km/h）下的抗壓強(qiáng)度均符合要求，在1200G （250 km/h） 條件下短期使用表現(xiàn)良好，無明顯變形。

（三）疲勞測試

疲勞測試模擬了氣門嘴在高頻使用中的耐久性，測試次數(shù)為80，000 次循環(huán)。在-20° C 至70° C 的溫度循環(huán)測試中，氣門嘴表現(xiàn)穩(wěn)定，無漏氣或表面破損，表現(xiàn)出良好的耐疲勞性能。

（四）流量測試

在氣門嘴的氣流量測試中，現(xiàn)行氣門嘴的氣流量為6.4m3/h，而經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，氣門嘴的氣流量提升至7.3 m3/h，充氣效率大幅提升，滿足客戶的高效充氣要求。

（五）氣密性、抗壓強(qiáng)度和流量測試

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的氣密性、抗壓強(qiáng)度和流量測試圖如下：

這些數(shù)據(jù)圖清晰地展示了氣門嘴在不同速度和條件下的性能變化，表明新型氣門嘴在高速條件下的綜合性能明顯優(yōu)于現(xiàn)行設(shè)計(jì)，具備更高的耐壓和氣密性以及更好的流量性能。

四、討論

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，新型TPMS 橡膠氣門嘴在各項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)上都表現(xiàn)出了顯著的提升：

首先，氣密性表現(xiàn)良好；即使在250 km/h 的高速度下，氣門嘴的漏氣率仍保持在1% 以內(nèi)，證明新型設(shè)計(jì)在高速行駛條件下能夠確保氣體不泄漏，符合市場要求。其次，抗壓強(qiáng)度顯著提升；在不同速度下，新型氣門嘴都表現(xiàn)出極強(qiáng)的抗壓能力，特別是在1200G （250 km/h） 下短期使用時(shí)仍然維持了穩(wěn)定的強(qiáng)度。最后，流量效率大幅提高；優(yōu)化后的氣門嘴流量提升至7.3 m3/h，顯著改善了充氣效率，能夠更好地滿足客戶對快速充氣的需求?？傊?，新型TPMS 橡膠氣門嘴在氣密性、抗壓強(qiáng)度及流量表現(xiàn)方面都有顯著的改善，具有廣泛的市場應(yīng)用前景。

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