195/85R16LT轮胎行驶面弧度高对 成品性能影响的有限元分析

王志勇，车明明，王明伟，任世夺

[1.浦林成山（山东）轮胎有限公司，山东 威海 264300；2.浦林成山（青岛）工业研究设计有限公司，山东 青岛 266042]

受轮胎滚动阻力的影响，载重汽车轮胎燃油消耗量占整个车辆燃油消耗的25%～35%[1]。我国汽车行业已经实施国六排放标准，各汽车厂家也要求轮胎制造商降低轮胎的滚动阻力，从而降低车辆的油耗。

轮胎购买成本约占整车运输总成本的2%，目前许多商用车轮胎都存在轮胎异常磨损、使用寿命短等问题。轮胎在行驶过程中存在滑动摩擦和滚动摩擦，其中滑动摩擦阻力是滚动摩擦阻力的40～60倍，因此需重点关注轮胎行驶中的滑动摩擦阻力。从轮胎设计角度来说，应该降低轮胎胎冠接地部位各点之间的接地压力差值，使接地各点压力分布均匀，减小轮胎异常磨损，提高轮胎的耐磨性能。滚动阻力和耐磨性能是评价轮胎性能的两个重要指标，在轮胎设计中占有重要地位。因此研究轮胎外轮廓曲线参数值设计对轮胎滚动阻力和耐磨性能的影响尤为重要。

本工作利用有限元分析软件研究195/85R16LT轮胎外轮廓曲线的行驶面弧度高（h）对成品轮胎滚动阻力和接地印痕等的影响。

1 实验

1.1 试验轮胎

试验轮胎为195/85R16LT 12PR无内胎全钢载重子午线轮胎，胎面采用3条纵向花纹。

1.2 软件

分析采用Abaqus 6.14有限元软件和AutoCAD 2019制图软件。

1.3 试验方案

195/85R16LT 12PR轮胎外轮廓曲线的h从高到低设计3种方案，调整轮胎外轮廓曲线的h时，依据绘图规则，胎冠弧的终点位置也随之改变，因此胎冠第1段弧半径（R1）和第2段弧半径（R2）都需对应做出调整（见表1），但3种方案轮胎第1段弧的终点距胎冠中心线的水平宽度均设计为40 mm，且其余外轮廓曲线参数相同，即外直径为735 mm，断面宽为200 mm，行驶面宽度为148 mm，胎圈着合宽度为152 mm，胎圈着合直径为404 mm，轮胎断面高为165.5 mm。

表1 轮胎胎冠曲线设计参数 mm

3种方案采用相同的内部结构，主要骨架材料为：胎体结构 1层胎体帘布层反包，胎体帘线材料（压延密度） 3×0.24/9×0.225CCHT钢丝帘线（50根・dm-1），胎体帘线角度 90°，胎体帘线直径 0.94 mm，1#和2#带束层材料（压延密度） 0.37＋6×0.32ST钢丝帘线（51根・dm-1），1#和2#带束层角度 18°，1#和2#带束层帘线直径 1.02 mm，加强层材料（压延密度） 2＋2×0.25HT钢丝帘线（63根・dm-1），加强层帘线角度 40°，加强层帘线直径 0.66 mm，钢丝圈结构 斜六角形（排列方式4-5-6-5），钢丝圈单丝直径 1.65 mm。建立3种方案轮胎模型，用于有限元仿真计算。

2 结果与讨论

2.1 静负荷性能

使用有限元软件进行轮胎静负荷性能试验仿真，试验轮辋为5 1/2J标准轮辋，充气压力为650 kPa，负荷为1 180 kg；未考虑轮胎花纹块中钢片的影响，计算3种方案轮胎的接地印痕参数，结果见 图1。

图1 3种方案轮胎的接地印痕

由图1可见，3种方案轮胎的接地印痕形状不同，随着h的减小，轮胎肩部花纹块的接地压力逐渐增大、胎冠中心部位花纹块的接地压力逐渐减小，使轮胎接地面各点的压力分布整体趋于均匀，从而提高轮胎的耐磨性能。

3种方案轮胎静负荷性能试验结果如表2所示。其中，接地因数＝接地印痕长轴长度/接地印痕短轴长度，矩形率＝接地印痕长轴长度/肩部印痕长度（接地印痕短轴半宽×80%位置，采用有限元仿真计算的左/右胎肩印痕长度相差很小），平均接地压力＝负荷/有效接地面积，硬度因数＝负荷/（有效接地面积×轮胎充气压力）[2]。

表2 轮胎静负荷性能试验结果

由表2可见：方案1轮胎的接地因数比其他方案轮胎大，表明方案1轮胎接地时胎冠部位的压缩和变形更大，抓着性能和操控性能较好，同时滚动阻力较高[3]；方案1轮胎的平均接地压力较大，轮胎的抓着性能好，但平均接地压力大会造成轮胎磨损较严重[3]，且方案1轮胎接地压力分布不均匀，易造成轮胎胎肩部位偏磨现象。

矩形率＞1时，接地印痕形状为圆形；矩形 率＝1时，接地印痕形状为矩形；矩形率＜1时，接地印痕形状为蝴蝶型[4]。由表2可见，方案3轮胎的矩形率接近1，接地印痕形状为矩形，轮胎的耐磨性能好。

接地压力偏度值是表征轮胎胎冠接地压力分布离散程度的指标，即计算胎冠部位各点接地压力样本总体的标准偏差。相同条件下，接地压力分布均匀性是评价子午线轮胎磨损的重要指标，因此接地压力偏度值可作为反映轮胎接地特性的指标[5]。方案3轮胎的接地压力偏度值最小、平均接地压力也较小，因此方案3轮胎的胎冠部位磨损均匀，轮胎耐磨性能好。

当硬度因数＝1时，表明轮胎充气压力正好能够承受轮胎全部负荷；硬度因数＜1时，表明轮胎充气压力足够承受轮胎负荷且有剩余；硬度因 数＞1时，表明轮胎充气压力不足以承受轮胎负荷，部分负荷需要轮胎自身材料强度承受，此时轮胎易提前损坏。由表2可见，3种方案轮胎硬度因数都大于1，表明3种方案轮胎充气压力都不够承受轮胎全部负荷，轮胎部分负荷需自身材料参与承担，此时轮胎自身材料变形会增大，而轮胎滚动阻力主要来源于材料变形，因此需降低轮胎的硬度因数。

2.2 滚动阻力和耐久性能

轮胎对汽车燃油能量的消耗主要表现在滚动阻力上，轮胎滚动阻力主要表现为空气阻力、轮胎变形产生的滞后损失和摩擦阻力3个方面。其中空气阻力占比为0～15%，轮胎滞后损失占比为80%～90%，摩擦阻力占比小于5%，因此轮胎滚动阻力产生的原因主要是轮胎自身材料变形带来的能量消耗[1]。通过有限元仿真计算轮胎滚动阻力，未考虑轮胎花纹块中钢片的影响，试验数据见 表3。

表3 轮胎滚动阻力和应变能密度

图3 3种方案轮胎胎圈部位应力分布

调整轮胎h，不仅会改变轮胎胎肩部位的受力分布，也会改变胎圈部位的受力分布，如图2和3所示。使用基于有限元分析计算应变能密度的方法可以预测轮胎的耐久性能[6-7]。从表3及图2和3可见，方案2轮胎的2#带束层端点应变能密度、胎体帘布反包端点应变能密度和加强层反包端点应变能密度（所选骨架材料的端点位置都是轮胎行驶中易损坏部位）比其他两个方案轮胎小，说明方案2轮胎的耐久性能优于其他两个方案轮胎。

图2 3种方案轮胎胎肩部位应力分布

3 结论

有限元分析结果表明，通过调整195/85R16LT轮胎外轮廓曲线的h，一方面可改变轮胎接地印痕形状、胎冠部位接地压力分布，另一方面也改变了轮胎整体变形，即：随着h的减小，轮胎胎肩部位花纹块的接地压力逐渐增大、胎冠中心部位花纹块的接地压力逐渐减小，胎肩部位的受力分布和胎圈部位的受力分布也发生变化；方案1轮胎（h＝6.5 mm）的接地因数和平均接地压力最大，接地压力分布不均匀，抓着性能和操控性能较好，滚动阻力较高，耐磨性能差；方案3轮胎（h＝5.5 mm）接地印痕的矩形率接近1，接地印痕形状为矩形，接地压力偏度值最小，平均接地压力也较小，耐磨性能好；方案2轮胎（h＝6 mm）的2#带束层端点应变能密度、胎体帘布反包端点应变能密度和加强层反包端点应变能密度最小，耐久性能最好。这为优化轮胎外轮廓曲线设计提供了样本参考。