全钢载重子午线轮胎断面宽选择技术分析

姚斌　金寅德

摘 要：轮胎冠部是全钢载重子午线轮胎的重要组成部分，它不仅影响整车性能，也与其使用寿命密切相关。合理的断面宽的选择，将影响轮胎充气后轮廓的变形，进而对轮胎的使用性能产生影响。本文将选定一个系列的全钢载重子午线轮胎作为研究对象，根据国标中给定的断面宽，分成若干个方案，在保持轮胎的行驶面宽度和外直径不变的情况下，通过有限元分析技术和轮廓变形最小理论分析，对方案的结果进行评定，并通过相关实验，进行验证，最后，将分析结果通过MATLAB软件，拟合出全钢载重子午线轮胎断面宽与断面宽度变形量之间的理论公式。通过本文的研究，能给轮胎设计工作者提供一个设计参考，从而大大提升轮胎制造企业的设计效率。

关键词：全钢载重子午线轮胎 断面宽 有限元 设计

1 前言

作为汽车的重要组成部件，轮胎是汽车车身与路面连接的唯一部件，起着支承负荷、向地面传递动力、驱动力和转向力并承担缓冲减震等作用。汽车依靠轮胎支承在路面上，但直接与路面接触的却是轮胎胎冠。轮胎冠部是全钢载重子午线轮胎的重要组成部分，它不仅影响整车性能，也与其使用寿命密切相关。汽车在正常行驶时，在胎面和路面间切向力的作用下，轮胎冠部能产生较大的切向弹性变形，若切向力增加，切向变形随之增大，接触面的“摩擦作用”也就随之增强，进而抑制了胎面与路面打滑趋势。研究表明，影响胎面和路面间摩擦力的因素还包括有这两面间的粘着作用、分子引力作用以及路面小尺寸微凸体对胎面的微切削作用等，但是，起主要作用的仍是冠部变形引起花纹块的弹性变形，而引起花纹块变形的其中一个重要因素就是轮胎的断面宽处的变形。断面宽是指轮胎在正常行驶时与路面的接触面的宽度，由于全钢载重子午线轮胎是橡胶和骨架材料的复合体，在行驶过程中，会产生断面宽度周期性的变化，从而引起周期性的应力和应变，这就是全钢载重子午线轮胎疲劳损坏的主要原因。

全钢载重子午线轮胎断面宽的选择与行驶面宽、着和宽度及外直径有直接的关系，合理的断面宽的选择，将影响轮胎充气后轮廓的变形，进而对轮胎的使用性能产生影响，如：耐久和胎圈耐久性能、轮胎的舒适性能、轮胎的噪音和滚动阻力性能、整车油耗等。

目前，国外对全钢载重子午线轮胎断面宽的设计技术的研究成果，很少见于可查文献;而国内轮胎公司或相应的高校，对该方面的研究也少之又少。国内针对TBR轮胎其最佳断面宽的选定，仍停留在经验阶段，一般的做法就是从国标或从欧标（ETRTO）中选择一个数值，至于数值的合理性研究几乎是没有的，这就迫切需要对选定的断面宽数值进行相关的研究工作，从而能够给轮胎设计工作者提供一个相对合理的参考，让轮胎断面宽的设计不再只从经验出发，而是有了合理可行的理论支撑，从而可以有效提高全钢载重子午线轮胎的使用寿命并降低故障率，即可为轮胎制造企业节约成本，又可以使整车在行驶过程中降低能源消耗，减少污染。

2 全钢载重子午线轮胎断面宽有限元分析模型建立

全钢载重子午线轮胎是复杂的橡胶-钢丝复合体，由多种部件组成，所以在对其断面宽进行有限元分析时，单纯的橡胶部件如胎冠、三角胶、胎肩垫胶采用泊松比较大的弹性材料模型;单纯的钢丝部件如钢丝圈因为是不易变形体，计算时则采用刚体模型;对于橡胶-钢丝帘线复合材料如胎体帘布和带束层、钢包部件，采用目前公认的rebar嵌入式模型来进行模拟分析，且胎体层和带束层要单独建模，设定带束层和胎体层接触面之间无滑动。

在结构设计方面，影响全钢载重子午线轮胎冠部变形因素较多，如冠部弧度尺寸设计、行驶面宽度选择、断面宽度参数选择等，但本文只研究断面宽度对全钢载重子午线轮胎充气变形轮廓的影响，因此建立模型时，假设在其他参数相同，仅有断面宽度参数不同。

建模选取295/75R22.5规格全钢子午线轮胎作为研究對象，改变断面宽度的选择参数，其余所有设计参数都相同，从而减少计算结果中其他因素的影响。采用6个方案进行对比有限元分析，方案参数的选择根据GB/T 29977标准和ETRTO欧洲轮胎设计标准，在保证轮胎的断面宽度不脱离标准的情况下选择尽可能多的断面宽参数，具体方案设计参数如表1所示。

根据方案中轮胎的材料分布，采用TYBAS软件进行前处理的网格划分。在进行网格划分时，将计算的重点轮胎的冠部，网格划分的精密一些，而其他部分的网格划分相对稀疏。网格划分的质量非常重要，直接影响着有限元计算结果收敛与否。因此进行网格划分时，在保证网格质量的情况下，尽量不要出现三角形单元，如果不可避免出现三角形单元，也要尽量避免边长比例大的三角形单元，即使是四边形单元也应遵循长宽比值不能超过3的原则，否则容易增加计算的难度，从而影响分析计算的时间和速度。

将胎体单元和带束层单元看作rebar嵌入单元，并且在前处理软件中对单元进行属性赋值，设定好一切边界条件，为了减少计算的误差，在上述6个方案模型建立的时候，尽量保持网格数量和形状不做变化，前处理网格划分示意图如图1所示。

本文全钢载重子午线轮胎断面宽有限元分析模型建立的工况均为标准气压和标准负荷的情况下的轮胎变形情况。

3 断面宽有限元计算结果分析

通过有限元分析软件ABAQUS，对方案中划分好网格模型，进行有限元分析计算，计算结果如表2所示。根据表2中6种方案的对比数据可知，方案4选择的断面宽的轮胎变形综合性能最好，且接地印痕系数最高，接地印痕系数代表接地印痕形状与矩形的接近程度，系数越高代表轮胎的冠部接地受力月均匀。

根据有限元计算结果，将295/75R22.5轮胎选取方案3、4、5进行实际轮胎的成型，并进行6个月的装车路试，路试结果显示，方案4的轮胎无论是在磨耗方面，还是改善轮胎冠部的异常磨损方面都有明显的优势。

因此，断面宽决定轮胎的上胎侧弧和下胎侧弧的值，上胎侧弧度和下胎侧弧度直接影响冠部弧度的充气变形。合理的断面宽的选择，将影响轮胎充气后轮廓的变形，进而对轮胎的使用性能产生影响。

4 断面宽函数拟合

根据有限元分析及路试结果，选取方案4中的相关数据，将分析结果通过MATLAB软件，拟合出全钢载重子午线轮胎断面宽与断面宽度变形量之间的理论公式，如下所示。

5 结语

全钢载重子午线轮胎价格较高，轮胎的前期沟裂会对用户产生较大的经济损失，影响轮胎公司对产品的销售情况，所以迫切需要通过改进轮胎的设计参数，从而改善轮胎的冠部变形，达到改变轮胎沟底裂现象的目的。由于目前国内轮胎公司或相应的高校，对于全钢载重子午线轮胎断面宽选定技术的空白，如将本论文研究结果应用到实际轮胎的设计中，能给轮胎设计工作者提供一个相对精确的参考，可以大大提升轮胎制造企业的设计效率，让轮胎断面宽的设计不再只从经验出发，从而有了理论的支撑，避免仅凭经验设计而产生的诸多失误，为企业节约设计成本，为客户节约投入成本，为国家节约资源。

但同时由于全钢载重子午线轮胎是一个复杂的橡胶-钢丝复合件，轮胎的使用性能受多种设计参数的共同影响，仅仅研究断面宽度的选择对轮胎的性能影响还是具有一定的局限性。

基金项目：2020年浙江省教育厅一般科研项目“全钢载重子午线轮胎断面宽设计技术开发”（Y202043272）。

参考文献：

[1]俞淇，丁剑平.子午线轮胎结构设计与制造技术[M].化学工业出版社，2006.

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