缺氣保用輪胎胎圈輪廓設(shè)計與就位氣壓的相關(guān)性研究

李娜娜，韓圣強，楊和濤，邢偉運，郭磊磊

（中策橡膠集團有限公司，浙江 杭州 310018）

輪胎對汽車的行駛安全性至關(guān)重要，尤其是在汽車高速行駛時，一旦爆胎或被扎破漏氣后就無法繼續(xù)為行駛中的汽車提供足夠的支撐力和側(cè)向穩(wěn)定性，駕駛員無法控制方向和制動，很容易導致交通事故。缺氣保用輪胎胎側(cè)增加了一層高強度支撐膠，結(jié)合強度優(yōu)化的三角膠，使得胎側(cè)強度遠高于普通輪胎，大大降低了爆胎概率，確保輪胎在零胎壓下依然能夠支撐整車總質(zhì)量，并保證車輛繼續(xù)正常行駛一段時間[1-4]。但另一方面由于缺氣保用輪胎胎側(cè)剛性大，與輪輞裝配時易出現(xiàn)因就位氣壓大而導致就位困難的問題，優(yōu)化胎圈設(shè)計能夠在一定程度上減小輪胎就位氣壓，改善輪胎就位困難問題。

1 胎圈輪廓設(shè)計因子

轎車輪胎所配輪輞基本為J型標準輪輞，J型標準輪輞左右曲線坡度有區(qū)別，且在胎圈座位置有凸峰。輪胎就位過程中胎圈在內(nèi)壓推動下，先是滑移翻過輪輞凸峰，最后在胎圈座上滑移至就位。整個就位過程中輪胎在胎圈座最后處的就位氣壓明顯大于其他部分。因此通常所說的就位氣壓是指胎圈座最后處就位時的輪胎內(nèi)壓。

通過有限元仿真模擬輪胎充氣就位過程[5]，如圖1和2所示，輪輞模型采用外側(cè)胎圈座有凸峰、內(nèi)側(cè)無凸峰形式，圖2橫坐標起點為輪胎胎踵與凸峰起點重合位置。

圖1 有限元仿真模擬輪胎充氣過程

圖2 胎圈最大接觸壓力隨位移的變化曲線

從圖1和2可以看出，輪胎越過凸峰后，隨著輪胎逐步就位，胎圈接觸壓力逐漸增大，最后處就位時，胎圈壓力達到最大值，因此輪胎完全就位時的胎圈壓力側(cè)面反應(yīng)了輪胎就位氣壓的大小。

由于輪胎與輪輞裝配是過盈配合，如圖3所示，胎圈過盈配合區(qū)面積直接影響胎圈壓力的大小。因此輪胎胎圈設(shè)計從影響輪胎與輪輞過盈配合的7個因子入手，即胎圈著合直徑（Dr）、胎圈一段寬度（A1）、胎圈二段寬度（A2）、胎圈一段角度（α）、胎圈二段角度（β）、胎圈一段與二段連接弧半徑（r）和胎踵半徑（R），如圖4所示。

圖3 輪胎與輪輞裝配示意

圖4 胎圈輪廓設(shè)計示意

2 胎圈設(shè)計方案

輪胎規(guī)格選擇245/45RF18，方案A為基礎(chǔ)方案，胎圈總寬度（A1＋A2）保持不變，只改變A1/A2比例。方案B在方案A的基礎(chǔ)上增大A2，減小Dr，R，α，β和A1。方案C在方案A的基礎(chǔ)上增大A2，減小R，α，β和A1。方案D在方案C的基礎(chǔ)上增加連接弧。與方案B相比，方案C的Dr，α和β增大。

胎圈設(shè)計方案對比如圖5—7所示。

圖5 方案A與方案B對比

圖6 方案A與方案C對比

圖7 方案C與方案D對比

3 胎圈接觸壓力仿真分析

3.1 輪胎充氣就位后與輪輞的最大接觸壓力

將245/45RF18輪胎在250 kPa充氣壓力下裝配到8.0J標準輪輞上進行仿真分析。方案A—D輪胎與輪輞的最大接觸壓力分別為6.021，6.093，5.351和5.298 MPa。胎圈接觸壓力分布曲線如圖8所示。

圖8 胎圈接觸壓力分布曲線

從圖8可以看出，方案C和方案D的最大接觸壓力明顯低于方案A和方案B，方案A的最大接觸壓力與方案B相當，方案C的最大接觸壓力與方案D相當。由此推測方案C和方案D的就位氣壓低于方案A和方案B，方案A的就位氣壓與方案B相當，方案C的就位氣壓與方案D相當。方案D在方案C的基礎(chǔ)上增加了連接弧，說明連接弧對輪胎就位氣壓的影響較小。

3.2 胎圈接觸壓力分布

4種方案的胎圈接觸壓力分布分別如圖9—12所示。

從圖9—12可以看出，4種方案的接觸壓力最大值均出現(xiàn)在胎圈一段寬度區(qū)域，說明胎圈一段角度和寬度對就位氣壓影響較大。

圖9 方案A胎圈接觸壓力分布云圖

4 就位氣壓實測對比

由于方案C的最大胎圈接觸壓力與方案D相當，因此選擇方案A—C進行模具加工。每個方案制作8條試驗輪胎進行就位氣壓測試，最終就位氣壓取8條輪胎的平均值。方案A—C輪胎的實測平均就位氣壓分別為350，332和243 kPa。

圖10 方案B胎圈接觸壓力分布云圖

圖11 方案C胎圈接觸壓力分布云圖

圖12 方案D胎圈接觸壓力分布云圖

由此可見，與方案A和方案B相比，方案C的平均就位氣壓明顯降低。實際測試結(jié)果與有限元分析結(jié)果一致。

5 結(jié)論

（1）胎圈接觸壓力能夠側(cè)面反映輪胎就位氣壓的大小。

（2）胎圈接觸壓力分布云圖顯示胎圈壓力最大值出現(xiàn)在胎圈一段寬度區(qū)域，說明該區(qū)域的寬度和角度是影響輪胎就位氣壓的關(guān)鍵因素，角度減小，輪胎就位氣壓減小。

（3）著合直徑是影響輪胎就位氣壓的關(guān)鍵因素，著合直徑增大，輪胎就位氣壓減小。

（4）通過有限元仿真分析和實際輪胎就位氣壓測試得出，方案C就位氣壓最小，為本項目最佳改善方案。