缺氣保用輪胎結構設計有限元仿真

李亞東, 馮希金, 田 健

（特拓（青島）輪胎技術有限公司, 山東 青島 266061）

缺氣保用輪胎結構設計有限元仿真

李亞東, 馮希金, 田 健

（特拓（青島）輪胎技術有限公司, 山東 青島 266061）

利用Abaqus有限元分析軟件建立225/45R17規(guī)格的不同設計方案的缺氣保用輪胎模型，分析該規(guī)格不同結構在完全缺氣下靜負荷的力學性能，并根據仿真模擬結果優(yōu)化設計方案。實驗結果表明：此Abaqus有限元仿真能夠合理、高效地指導缺氣保用輪胎的結構設計，預測輪胎在完全缺氣狀態(tài)下的耐久性能。

缺氣保用；有限元分析；結構設計；低氣壓耐久

0 前 言

一般輪胎在失去內部氣壓的時候，輪胎只能依靠輪轂來與地面接觸，此時的輪胎徹底失去抓地力和操控性。而缺氣保用輪胎是在失壓情況下依靠胎側剛性或支撐結構依舊能夠繼續(xù)以較高的時速行駛一定距離的輪胎。缺氣保用輪胎具有如下特性：輪胎失壓后，車輛仍能以80 km/h的速度安全行駛80 km；充氣壓力為零時的操控性等同于普通輪胎充氣壓力在100 kPa以上的操縱性；在顛簸路面上表現出色，駕駛者在車輛行駛過程中很難發(fā)覺其與普通輪胎的差別；可與常規(guī)輪輞配合使用，消費者無需更換輪輞，且省去了出行攜帶備用輪胎的不便，增大了車輛的可利用面積[1]。

基于abaqus有限元分析軟件，建立了225/45R17規(guī)格的不同結構方案的缺氣保用輪胎模型，分析了輪胎在低氣壓下靜負荷的力學性能，以確定輪胎結構設計的優(yōu)化方向。

1 有限元模型建立及條件加載

在輪胎樣胎試制前，制定了兩種初始設計方案進行仿真模擬，用于指導該規(guī)格結構設計的方向。主要從接地印痕形狀及面積，輪胎內部變形情況及應力對比進行分析。

兩種初始方案在結構上主要有以下幾部分的不同設計：

（1）帶束層的強度；

（2）支撐膠的形狀；

（3）三角膠芯的高度和厚度。

1.1 單元及材料參數選擇

橡膠材料具有超彈性、不可壓縮性和大變形等力學特性，其應力-應變關系表現為明顯的非線性，根據試驗曲線的擬合結果，選用Yeoh材料模型[2]。冠帶層、帶束層以及胎體層等復合部位采用Rebar嵌入式單元進行處理。圖1為方案1建立之后的有限元模型。

圖1 輪胎二維有限元模型

1.2 邊界條件

根據歐洲輪胎輪輞技術組織標準手冊（ETRTO）中的規(guī)定，在輪胎氣密層的內表面施加初始均布壓力340 kPa，并將輪輞固定，對地面施加向上的標準負荷6566 N。在仿真中將輪胎內的壓力逐漸減小至0 kPa，觀察各方案在完全缺氣下的力學性能。

2 初始方案仿真結果分析

圖2 方案1接地印痕

圖3 方案2接地印痕

圖4 方案1接地面積曲線

2.1 接地印痕形狀及面積分析

圖2和圖3分別示出了兩種方案的缺氣保用胎在完全缺氣下的結構變形情況。從接地印痕的應力云圖可以看出，在輪胎發(fā)生缺氣之后，由于內部氣壓的缺失，胎面中間部分向內部方向凸起，不再接觸路面，基本已經無法起到承載負荷的作用，絕大部分的負荷都集中在兩側的胎肩處，所有的負載基本都由胎側部分承擔。

圖4、圖5為兩種方案從輪胎充氣到靜態(tài)加載過程至最后缺氣過程的輪胎和路面的接觸面積曲線，從曲線的趨勢中可以看出：在輪胎逐漸缺氣的過程中，由于缺氣輪胎下沉量逐漸增大，導致輪胎與路面的接觸面積逐漸增大。隨后由于氣壓的不斷減小，氣壓對于氣密層的作用力已無法使胎面中心部分起到支撐作用，并且胎面中心部分開始向輪胎內部凸起，導致輪胎的接地面積不斷減小。

圖5 方案2接地面積曲線

2.2 輪胎內部應力應變

圖6、圖7為兩種方案的缺氣保用輪胎在完全缺氣狀態(tài)下的內部變形情況，表1為兩種方案的應力、應變等數據的對比。從圖中以及提取出的數據得出結論：高應力應變以及高應變能密度主要集中在胎側支撐膠上，這意味著以上部位在缺氣狀態(tài)下行駛時會產生過多的熱量，導致膠料損壞。不難看出胎側支撐膠膠料的生熱性能以及抗屈撓等性能會對輪胎缺氣狀態(tài)下的耐久性有比較大的影響。

由于兩種方案結構設計上的不同，可以從圖中看出兩種方案的輪胎在缺氣后的變形集中位置以及變形程度明顯不同。方案1的應力集中處有兩個位置，缺氣狀態(tài)下行駛的發(fā)熱量肯定要高于方案2，對于耐久性有明顯的負面影響；方案2 的應力應變主要集中在某一點位置，并且從提取出的數據來看，應力及應變能密度要比方案1小。初步斷定方案2的結構設計要更合理一些。

圖6 方案1內部變形圖

圖7 方案2內部變形圖

表1 方案1與方案2應力集中處數據對比

3 挑選方案進行樣胎試制

按照上述分析，用兩種方案分別試制出成品胎，進行完全缺氣下的耐久性實驗。結果發(fā)現：方案2的成品胎在完全缺氣下的持續(xù)行駛時間比方案1的持續(xù)時間要提高60%（見表2），并且從試驗后輪胎的斷面上可以發(fā)現兩種方案輪胎的破壞形式均為支撐膠在應力集中點處發(fā)生破壞，導致支撐膠磨損斷裂，輪胎內部結構破壞嚴重，與仿真結果吻合（如圖8所示）。

表2 方案1與方案2試驗結果

圖8 方案1試驗后斷面圖

4 結構改善

根據樣胎試制的試驗結果，對方案2的輪胎結構進行改善，得出方案3。主要調整部位有：

（1）調整三角膠芯高度及厚度。膠芯的高度及厚度對于輪胎的徑向剛度等力學性能有較大影響。車輛在凹凸不平的道路上行駛時，輪胎的徑向剛度對車輛的平順性有較大影響，合適的徑向剛度不僅能保證駕駛者和乘坐者的舒適性，還能減輕貨物由于道路顛簸所造成的危害[3]。

（2）加強帶束層強度。帶束層在輪胎缺氣狀態(tài)時，能起到緩解胎面中心部位向輪胎內部凸起的作用。

（3）更改胎側支撐膠形狀。在輪胎缺氣負載時，絕大部分負荷都是由胎側支撐膠承受的，在車輛行駛過程中，胎側處的支撐膠反復地周期性變形，從而產生大量的熱量，且熱量無法很快散掉，因此支撐膠容易發(fā)生疲勞破壞。而且很有可能由于貼合面生熱過大和粘合強度不足，使得產生貼合破壞而產生脫空，從而降低輪胎的使用壽命和安全性能。因此合理的支撐膠結構設計和材料選擇對于降低輪胎疲勞破壞和提高輪胎使用壽命具有重要意義[4-6]。

（4）調整胎體層強度。如圖9和圖10所示，輪胎在缺氣狀態(tài)下，胎體簾線的應力比正常充氣狀態(tài)下的應力高出70%左右，適當調整胎體層強度可以讓輪胎在缺氣狀態(tài)下的下沉量減小。由于橡膠應力松弛現象的存在，下沉量的減小對于輪胎的低氣壓耐久性有比較大的影響。

圖9 充氣狀態(tài)下的胎體應力

圖10 缺氣后的胎體應力

5 改進后仿真模擬對比分析

圖11為方案3在完全缺氣狀態(tài)下的輪胎內部變形，表3為方案2與方案3的結果對比。通過仿真結果可以看出：改進后的缺氣保用輪胎在內部最大應力與應變能密度上都有一定程度的減少，并且缺氣后輪胎下沉量下降了7.05 mm，且胎側支撐膠的內部應力分布更均勻些，應力過于集中的狀況有所改善。

圖11 方案3的輪胎內部變形

表3 方案2與方案3應力集中處數據對比

6 改進后實驗結果

表4 方案2與方案3試驗結果

對新方案的缺氣保用輪胎進行完全缺氣下的耐久性試驗，測試結果表明（表4）：新方案的輪胎在完全缺氣下的耐久性比方案2提高了140%以上，并且超過相關法規(guī)的要求。輪胎在缺氣后可安全行駛的距離有了明顯提高。

7 結 論

（1）在缺氣保用輪胎的設計中充分應用了有限元分析仿真技術，通過有限元預測，找出結構的應力集中點，從而進行有針對性的優(yōu)化設計。缺氣保用輪胎的開發(fā)過程驗證了有限元在輪胎結構設計中的作用是可靠的。

（2）缺氣保用輪胎在缺氣之后，絕大部分載荷都由胎側支撐膠來承擔，胎側支撐膠的形狀、抗屈撓性能、強度和生熱性能會直接影響輪胎在缺氣之后的耐久性能。

（3）結構調整以及輪胎試驗測試結果對比發(fā)現：缺氣保用輪胎合理的結構設計對輪胎缺氣狀態(tài)下的耐久性能有很大的影響。通過調整三角膠芯高度及厚度、帶束層胎體層強度以及胎側支撐膠的形狀等結構因素，明顯改善了缺氣保用輪胎的耐久性能。

[1] 韓正勇, 何曉玫. 跑氣保用輪胎力學性能分析[J].輪胎工業(yè), 2010(5)：307-312.

[2] 黃建龍, 解廣娟, 劉正偉.基于Mooney-Rivlin模型和Yeoh模型的超彈性橡膠材料有限元分析[J].橡膠工業(yè), 2008, 55(8)：466-472.

[3] 喻凡, 林逸.汽車系統動力學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005：30-67.

[4] Kageyama I, Kuwahara S. A Study on Tire Modeling for Camber Thrust and Camber Torque [J]. JSAE Review, 2002, 23(3) ： 325-331.

[5] Kim S, Kondo K, Akasaka T. Contact Pressure Distribution of Radial Tire in Motion with Camber Angle [J]. Tire Science and Technology, 2000, 28(1) ： 2-32.

[6] 薛梓晨, 賀建蕓, 唐霞, 等. 跑氣保用輪胎側傾滾動力學性能有限元分析[J]. 北京：北京化工大學學報(自然科學版), 2013, 40(S1)：52-57.

[責任編輯：朱 胤]

Finite Element Analysis Aided Architecture Design of Run-Flat Tire

Li Yadong, Feng Xijin, Tian Jian
(TTa(Qingdao) Tire Technology alliance co., Ltd., Qingdao 266000, china)

The research and development of run-flat tire was on the agenda according to the market demand. Different kinds of 225/45R17 tire models were created in the abaqus fnite element analysis software. The mechanical properties of those run-flat tires under zero inf ation pressure was analyzed and compared with each other to propose the optimal architecture design. The results shows that the f nite element analysis technology provides important and eff cient guidance for the design of run-flat tire. The low pressure durability of run-flat tire can be forecasted by this technology.

Run-Flat Tire; Finite Element analysis; architecture Design; Low Pressure Durability

TQ336.1

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1671-8232(2014)12-0021-05

2014-11-06