高性能橡膠輪胎結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究

陳 寧

（青島市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，山東 青島 266100）

輪胎作為車輛的重要組成部分，它的作用是承擔(dān)起車輛的自重、牽引力、制動(dòng)力和轉(zhuǎn)向，并能有效地消除路面上的顛簸。沒(méi)有了輪胎的牽引力，引擎的功率、車身的剛度、懸吊的質(zhì)量以及空氣動(dòng)力學(xué)的優(yōu)勢(shì)，都是徒勞的。

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車輪胎的需求量越來(lái)越大，在低碳、綠色、高效、環(huán)保等理念的引導(dǎo)下，汽車輪胎的研制越來(lái)越受到重視，而新輪胎的性能和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也成了汽車輪胎研究的重點(diǎn)。針對(duì)輪胎生產(chǎn)中常見(jiàn)的問(wèn)題，如輪胎截面外形畸變、滾動(dòng)阻力大、磨損嚴(yán)重等問(wèn)題，研究者大都以開(kāi)發(fā)新的輪胎橡膠為目標(biāo)，很難將精力集中在開(kāi)發(fā)新的輪胎和輪胎的結(jié)構(gòu)上，以改善現(xiàn)有的輪胎結(jié)構(gòu)及使用狀態(tài)。

1 三角平衡輪廓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 三角平衡輪廓結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為克服常規(guī)輪胎外形畸變和滾動(dòng)阻力大的缺點(diǎn)，文章在對(duì)傳統(tǒng)輪胎外形進(jìn)行分析的前提下，建立了一種新的輪胎三邊均衡輪廓——三角平衡輪廓。主要針對(duì)以下四方面對(duì)輪胎輪廓結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化：

①增加橫截面橫向軸距輪胎的自由位置；②降低輪胎側(cè)面粘合劑和肩粘合劑的厚度，以改善新型外形的熱輻射；③縮短輪胎接縫的寬度；④內(nèi)側(cè)面密封層和胎肩連接處，以更改胎體內(nèi)部外形的構(gòu)造。

圖1、圖2顯示了三角平衡輪廓胎外形的剖面剖視圖。從圖1、圖2中可以看出，三角平衡輪廓在其處于其自由位置時(shí)，胎冠部分和胎側(cè)處所涵蓋的胎體層的外形是三角形的，而與常規(guī)的外形胎胎體層的三角形相比，該三角形的外形胎面的角值要大得多。在該三角形對(duì)稱型胎的內(nèi)部外形經(jīng)受了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的膨脹壓力條件，該軸承坐落在胎肩和胎側(cè)的內(nèi)側(cè)表面上的一個(gè)支座會(huì)繼續(xù)被膨脹的氣壓所壓，從而使該被壓住的支撐塊在一個(gè)時(shí)刻對(duì)著胎頂和胎冠進(jìn)行連續(xù)的加壓，致使胎冠部分在張力的影響下沿著胎面的側(cè)向被拉伸，而在這個(gè)時(shí)候，胎冠部分的胎體簾線是高度緊張的?？傮w上改善了胎冠和胎面的剛性，使胎體層剖面在滾動(dòng)時(shí)不發(fā)生變化，胎體截面形狀呈現(xiàn)出一種穩(wěn)定的等腰三角形狀，從而改善了車輛的行駛穩(wěn)定性。

圖1 傳統(tǒng)輪廓輪胎

圖2 三角平衡輪廓輪胎

高強(qiáng)度支撐體：

在三角平衡輪廓在正常的氣壓條件下，由支座與氣壓兩種載荷作用在一起；當(dāng)三角形均衡型輪胎被刺穿或爆胎時(shí)，它不需要借助氣壓來(lái)支持汽車，而是需要一個(gè)獨(dú)立的支架來(lái)支持汽車，所以它就像是老虎的翅膀一樣，可以極大地提升汽車的安全性。支承塊不僅可以改善輪胎的側(cè)向剛度，也可以改善輪胎的抗磨損能力，還可以減少輪胎表面的磨損，減少輪胎表面的磨損。為減少胎面的變形，減少胎面的滾動(dòng)阻力，改善胎面和胎面的總體剛性，可以使胎面下沉、增加徑向剛性、減少翻滾力臂、保持真實(shí)的圓形，達(dá)到減少輪胎的滾動(dòng)阻力。

1.2 三角平衡輪廓結(jié)構(gòu)的模型

利用 ABAQUS，建立了一個(gè)三角平衡輪廓結(jié)構(gòu)幾何模型，并將二維軸對(duì)稱的三維空間進(jìn)行分割。通過(guò)對(duì)側(cè)向溝槽進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，以了解車體外形對(duì)地面和機(jī)械特性的作用。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)“SYMMETRIC MODEL GENERATION”的方法，通過(guò)優(yōu)化三角平衡輪廓外形的接地部分的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，并圍繞著該軸360度的平面軸對(duì)稱模型進(jìn)行360度的三維 FEM建模。在三維有限元分析中，將輪緣與地表作為分析的剛性體（如圖3、圖4所示）。

圖3 輪胎二維斷面模型

圖4 輪胎三維有限元模型

1.3 輪胎的各個(gè)載荷工況

①在輪胎的充氣狀態(tài)：將0.29 MPa的負(fù)載加到與輪胎氣密層相垂直的內(nèi)部表面上。②在靜載條件下，為便于收斂，首先將剛體的輪緣緊固，再將垂直向上的偏移作用在路面上，從而與胎面產(chǎn)生一定的垂直向上的變形，最終將垂直向下的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載5 520 N加到路面。③輪胎驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)和自由翻轉(zhuǎn)狀態(tài)：整個(gè)輪胎以10 km/h的速度運(yùn)行。同時(shí)，使車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度從7 rad/s增加到9 rad/s。④輪胎側(cè)傾翻轉(zhuǎn)狀態(tài)：以10 km/h的車胎運(yùn)行速率為基準(zhǔn)，使其側(cè)面偏轉(zhuǎn)角度從0°開(kāi)始。增加到8°，造成它的側(cè)面傾斜。⑤車輪側(cè)向和側(cè)向組合滾動(dòng)狀態(tài)：側(cè)向和側(cè)向角度各為4°還有8°輪胎的運(yùn)行速率是10 km/h、30 km/h、60 km/h和90 km/h。

1.4 模型驗(yàn)證

兩種輪胎在室溫下，充氣壓力為0.22 Mpa，負(fù)載5 650 N，兩者進(jìn)行了比較?；诔Ｒ?guī)的三維幾何形狀的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的偏差比較少，在7%以內(nèi)，二者吻合程度比較好，滿足了工程應(yīng)用的需要。在同樣的探測(cè)情況下，三角平衡輪廓輪胎的表面印記區(qū)域要比常規(guī)型的要小得多，說(shuō)明三角平衡輪廓可以減少滾動(dòng)阻力（如表1所示）。

表1 三角平衡輪廓輪胎模型驗(yàn)證分析結(jié)果

2 子午斜交胎體結(jié)構(gòu)

2.1 子午斜交胎體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

子午斜交胎面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是根據(jù)其骨架材質(zhì)的受力特性而進(jìn)行的，采用一家公司的255/30R22型低平度的子午胎作為參照，進(jìn)行了胎面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，比較了不同胎面的胎面尺寸、乘坐性能和使用的安全性。圖5為子午輪胎的胎面構(gòu)造示意圖，在該剖面上，所述兩個(gè)胎體層的布簾的方位是沿子午線的。文章介紹一種用于改進(jìn)胎面上的斜交式胎面形狀，以改善地面壓強(qiáng)的均勻性，防止車胎橫截面變形，文章介紹一種具有二層胎體層的胎面構(gòu)造的子午線，以使胎面的胎面構(gòu)造彼此平行重疊，與斜交式胎體結(jié)構(gòu)比較，子午斜交胎體的胎面更容易獲得較小的平整度，從而提高了汽車的高速和操縱穩(wěn)定性，同時(shí)也克服了斜交胎在行駛速度和持續(xù)行駛里程上難以攻克的難題。兩層胎體層在胎邊內(nèi)側(cè)的布簾與子午線之間存在著某種角度，從而形成了一種交錯(cuò)的層疊式，從而提高了胎面的受力和操縱性能，避免了在缺少空氣的情況下發(fā)生胎面的重復(fù)彎曲，造成胎面溫度升高，或者是燒損。子午斜交胎在胎冠部位的構(gòu)造與其基本相同，而其承載著軸向的壓力，所以采用了該結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)子午線的箍緊。

圖5 子午斜交胎體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 子午斜交胎體結(jié)構(gòu)的模型

采用 Abaqus有限元分析程序，設(shè)計(jì)了255/30R22的子午斜交輪胎，并在此基礎(chǔ)上，采用了9 J型的標(biāo)準(zhǔn)輪胎進(jìn)行計(jì)算。該系統(tǒng)通過(guò)Eh-維模式的轉(zhuǎn)動(dòng)生成3D模式，在橡膠部件上使用CGAX3H和CGAX4H，在簾線上使用 SFMGAXl，在圖6中顯示。

圖6 子午斜交胎體結(jié)構(gòu)的模型

2.3 載荷工況

①膨脹狀態(tài)：將均勻負(fù)載從0～29 MPa的均勻負(fù)載施加到總是與輪胎氣密層相垂直的內(nèi)部表面。②靜態(tài)負(fù)載狀態(tài)：首先對(duì)車輪進(jìn)行完全的限制，再在垂直方向上對(duì)地表進(jìn)行5 520 N的荷載。③側(cè)傾翻轉(zhuǎn)狀態(tài)：車輪以10 km/h的時(shí)速運(yùn)行，且側(cè)傾角度0.8°。

2.4 模型驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)中，采用了模擬計(jì)算的方法，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差6%，符合實(shí)際情況，可以應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。

文章采用 Tekscan壓力分布儀對(duì)255/30R22輪胎進(jìn)行了試驗(yàn)，以驗(yàn)證其正確性。通過(guò)對(duì)255/30R22輪胎的地壓進(jìn)行了有限元模擬，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了比較，得出了兩者之間的比較。

2.5 接地印痕及接地壓力分布

采用兩種胎面構(gòu)造的輪胎進(jìn)行地面試驗(yàn)，比較了兩種胎面構(gòu)造情況下的地面特性。研究了兩種胎面構(gòu)造條件下，輪胎在地面上的壓強(qiáng)和地線印記。輪胎的“花瓶型”接地印記，胎面和胎肩部承受的地面壓力很大，在正常工作時(shí)容易造成軸肩的磨損；子午斜交胎的“橢圓形”形貌，使其在地面上的平均地壓均勻度有了顯著提高，接地線上的凹槽也更加合理，從而防止了“花瓶型”的“凹槽”，同時(shí)也使輪胎的耐磨性有了顯著的提高。分析認(rèn)為，由于子午線斜向胎體的構(gòu)造可以改善胎側(cè)剛度，并可有效抑制軸肩的畸變，將多余的軸心向胎面中心位置傳遞，有效減少了胎肩的負(fù)荷，改善了胎面的抗磨性和壽命。

2.6 胎體簾線鋪設(shè)角度對(duì)骨架材料的影響

胎面是一種受力的構(gòu)造，它是幾層簾布和胎環(huán)，它們的作用是相互配合的，通過(guò)對(duì)不同的胎面簾線層的搭接角度進(jìn)行分析，得出不同的胎面布簾的傾角分別為45°、60°以及75°。同時(shí)，還進(jìn)行了對(duì)斜交輪胎的力學(xué)性能的比較。子午斜線胎面構(gòu)造中，胎面胎面的簾線傾角逐漸增加，同時(shí)，胎面上的繩索和繩索的張力也相應(yīng)降低，降低的程度也比較小，而胎面上帶束端部位置的應(yīng)力也相應(yīng)增加，并且增加的程度也比較高。為保持胎體層截面形狀比較平穩(wěn)，帶束層會(huì)持續(xù)地約束著已發(fā)生畸變的胎體層，使其在輪胎軸頸處受到的應(yīng)力持續(xù)增加。

2.7 骨架材料受力分析

而在輪胎外包結(jié)點(diǎn)的脫層、帶束層末端的脫層和在胎肩部位的脫層都比較容易造成結(jié)構(gòu)材料的破壞，其破壞的主要因素是橡膠和橡膠的交界破壞，所以對(duì)其進(jìn)行力學(xué)特性的分析非常必要。與子午胎相比，子午斜交胎在側(cè)向上的應(yīng)力分布較為均勻，軸心處總體上的應(yīng)力比較大，而靠近帶束末端的第一胎體層簾線的應(yīng)力小，第二胎體層簾線的張力大，這與子午胎體層簾線的受力正好是反向的。經(jīng)午斜交胎的束層簾線在胎面中心處的應(yīng)力值，在軸心處偏高，并在帶束末端處產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，表明該胎面形成縱橫層重疊的胎面構(gòu)造，能有效地加強(qiáng)胎側(cè)的剛度，并能更好的減輕胎面和胎肩處的畸變，改善接地印的形態(tài)，使其印跡的形態(tài)更為合理，使其具有更好的操縱能力。

3 結(jié)語(yǔ)

文章分別從輪胎輪廓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面、輪胎骨架材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面和輪胎骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面提出了2種新型輪胎結(jié)構(gòu)——三角平衡輪廓輪胎、子午斜交輪胎，利用有限元軟件ABAQUS對(duì)這2種新型結(jié)構(gòu)輪胎與其相對(duì)應(yīng)的同規(guī)格的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)輪胎在各個(gè)復(fù)雜工況下的力學(xué)性能、接地性能和操控性能進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，并應(yīng)用分析結(jié)果指導(dǎo)實(shí)際輪胎結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，為今后新型輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供一定的參考依據(jù)。