子午線輪胎花紋槽溝問題影響因素探討

胡長旭，王慎平，周 潔，姜世元，林文俊，王 鋒

（山東玲瓏輪胎股份有限公司，山東 招遠 264000）

在美國的加利福尼亞、洛杉磯等州以及日本的北陸地區(qū)，受當?shù)亟涤炅康挠绊?，常在高速公路路面鋪設與車輛輪胎同行駛方向的溝槽。當輪胎花紋溝與路面溝槽接觸時，由于花紋塊內(nèi)嵌作用發(fā)生，將在車輛橫向產(chǎn)生作用力，這被稱為花紋槽溝（Groove Wander）現(xiàn)象，路面排水溝槽如圖1所示[1]。如果這個作用力過大，將會影響車輛的操控性和舒適性。因此，對于銷往該地區(qū)的輪胎，主機廠都要求配套輪胎必須包含該項技術指標參數(shù)。本工作借助Abaqus/Explicit模塊，研究輪胎結構設計參數(shù)對花紋槽溝橫向作用力的影響。

圖1 路面排水溝槽示意

1 產(chǎn)生機理

關于輪胎花紋槽溝問題的產(chǎn)生機理早在20世紀中后期就被許多學者研究探討[2-3]，但仍存在一些理論無法解釋的現(xiàn)象。直到本世紀初期，橫向應力理論[4]的提出對研究輪胎花紋槽溝問題具有里程碑式的意義。

2 輪胎模型建立及有限元仿真計算

由于本工作是基于先前研究所做的進一步探討，因此有關輪胎模型構建過程和有限元仿真參數(shù)均可參考文獻[5]。

從輪胎材料分布圖出發(fā)（以185/65R15規(guī)格輪胎為例），通過幾何掃掠和網(wǎng)格劃分可得到輪胎2D有限元模型，使用Abaqus中SMG命令（*SYMMETRIC MODEL GENERATION）得到輪胎3D計算模型，見圖2。路面構建使用解析剛體來模擬，通過設置輪胎行駛方向與路面溝槽方向間微小夾角（0.2°）的方式[5]，使用Abaqus顯式動力學方法來模擬輪胎的花紋槽溝滾動過程。

圖2 185/65R15有限元仿真模型

3 結果與討論

3.1 花紋設計參數(shù)的影響

輪胎作為車輛與路面的唯一接觸部件，通常安裝在金屬輪輞上，能支承車身，緩沖外界沖擊，實現(xiàn)與路面的接觸并保證車輛的行駛性能，而這些都與輪胎花紋設計密切相關。因此，合理設計輪胎花紋結構參數(shù)不僅可以降低生產(chǎn)成本和使用成本，還能提高車輛的行駛安全性能和操縱性能。

3.1.1 花紋縱溝形狀和條數(shù)

眾所周知，常見半鋼子午線輪胎花紋縱溝形狀有兩種，分別為直溝和鋸齒溝[6]。另外，市場上的輪胎花紋縱溝數(shù)以3條和4條為主，縱溝條數(shù)的變化對輪胎橫向力波動有較大的影響。關于花紋縱溝形狀和條數(shù)對輪胎槽溝波動的影響結果詳見文獻[5]，在此就不做贅述。

3.1.2 花紋類型

輪胎花紋類型多種多樣，對205/55R16規(guī)格輪胎而言，我公司設計的花紋也很多，較為經(jīng)典的3款花紋類型如圖3所示。不同花紋類型對橫向力波動的影響如圖4所示。

圖3 不同花紋類型

由圖4可知，花紋A的花紋槽溝橫向力波動最大，花紋B處于中間，而花紋C最小。這是因為花紋A，B，C肩部溝槽都比較趨于橫向，但花紋A，B靠近主溝槽附近都有細小縱溝槽；胎面中部溝槽趨向則各有不同，花紋A縱向趨勢最強，花紋B次之，花紋C則最弱，幾乎趨于橫向。

圖4 不同花紋類型對205/55R16輪胎橫向力波動的影響

3.2 骨架結構參數(shù)的影響

對于半鋼子午線輪胎，帶束層作為主要受力部件，由橡膠與鋼絲簾線復合而成，而胎體簾布層和冠帶層則由橡膠-錦綸/聚酯簾線復合而成。

3.2.1 帶束層寬度

帶束層寬度對輪胎橫向力波動的影響如圖5所示。

從圖5可以看出：對185/65R15輪胎而言，橫向力波動幅度隨著帶束層寬度而變化；對265/35R18輪胎而言，橫向力波動幅度與帶束層寬度的增減關系不大。造成這種結果的原因，可能是輪胎斷面高寬比的不同而導致輪胎側向剛度不同所致。

圖5 帶束層寬度對橫向力波動的影響

3.2.2 胎體簾布層數(shù)

胎體簾布層數(shù)對兩種不同規(guī)格輪胎橫向力波動的影響如圖6所示。

從圖6可以看出，胎體簾布層數(shù)對輪胎橫向力波動的影響較小。這是因為胎體簾線材料為錦綸或聚酯，改變簾布層數(shù)對輪胎橫向剛度影響較小，從而產(chǎn)生較小的橫向力波動變化。

圖6 胎體簾布層數(shù)對輪胎橫向力波動的影響

3.2.3 冠帶層簾布層數(shù)

冠帶層簾布層數(shù)對兩種不同規(guī)格輪胎橫向力波動的影響如圖7所示。

從圖7可以看出，冠帶層簾布層數(shù)對輪胎橫向力波動的影響較小，這是因為冠帶層簾線是聚酯或錦綸材料，由此產(chǎn)生的橫向剛度變化較小。

圖7 冠帶層簾布層數(shù)對輪胎橫向力波動的影響

4 結論

本工作利用Abaqus仿真軟件研究輪胎的花紋溝槽橫向力波動問題，詳細討論了輪胎結構設計參數(shù)（花紋和骨架結構）對橫向力波動的影響。得到如下結論。

（1）花紋設計參數(shù)對花紋槽溝橫向力波動的影響較大：直溝型產(chǎn)生的橫向力波動大于曲折溝型；4條花紋縱溝輪胎的舒適性好于3條花紋縱溝輪胎；花紋溝方向越趨向于縱溝，產(chǎn)生的橫向力波動越大。

（2）骨架材料中帶束層的設計參數(shù)對花紋槽溝橫向力波動影響較大。對高斷面輪胎而言，橫向力波動隨著帶束層寬度增大而增大，而低斷面輪胎幾乎不受帶束層寬度變化的影響。胎體簾布層和冠帶層設計參數(shù)對輪胎花紋槽溝橫向力波動幾乎無影響。

本研究可為設計人員開發(fā)高性能花紋槽溝輪胎提供一定的參考。