高性能橡胶轮胎结构创新设计研究

陈 宁

（青岛市产品质量检验研究院，山东 青岛 266100）

轮胎作为车辆的重要组成部分，它的作用是承担起车辆的自重、牵引力、制动力和转向，并能有效地消除路面上的颠簸。没有了轮胎的牵引力，引擎的功率、车身的刚度、悬吊的质量以及空气动力学的优势，都是徒劳的。

随着全球经济的快速发展，汽车轮胎的需求量越来越大，在低碳、绿色、高效、环保等理念的引导下，汽车轮胎的研制越来越受到重视，而新轮胎的性能和结构的优化也成了汽车轮胎研究的重点。针对轮胎生产中常见的问题，如轮胎截面外形畸变、滚动阻力大、磨损严重等问题，研究者大都以开发新的轮胎橡胶为目标，很难将精力集中在开发新的轮胎和轮胎的结构上，以改善现有的轮胎结构及使用状态。

1 三角平衡轮廓结构设计

1.1 三角平衡轮廓结构的设计

为克服常规轮胎外形畸变和滚动阻力大的缺点，文章在对传统轮胎外形进行分析的前提下，建立了一种新的轮胎三边均衡轮廓——三角平衡轮廓。主要针对以下四方面对轮胎轮廓结构进行设计及优化：

①增加横截面横向轴距轮胎的自由位置；②降低轮胎侧面粘合剂和肩粘合剂的厚度，以改善新型外形的热辐射；③缩短轮胎接缝的宽度；④内侧面密封层和胎肩连接处，以更改胎体内部外形的构造。

图1、图2显示了三角平衡轮廓胎外形的剖面剖视图。从图1、图2中可以看出，三角平衡轮廓在其处于其自由位置时，胎冠部分和胎侧处所涵盖的胎体层的外形是三角形的，而与常规的外形胎胎体层的三角形相比，该三角形的外形胎面的角值要大得多。在该三角形对称型胎的内部外形经受了一个标准的膨胀压力条件，该轴承坐落在胎肩和胎侧的内侧表面上的一个支座会继续被膨胀的气压所压，从而使该被压住的支撑块在一个时刻对着胎顶和胎冠进行连续的加压，致使胎冠部分在张力的影响下沿着胎面的侧向被拉伸，而在这个时候，胎冠部分的胎体帘线是高度紧张的。总体上改善了胎冠和胎面的刚性，使胎体层剖面在滚动时不发生变化，胎体截面形状呈现出一种稳定的等腰三角形状，从而改善了车辆的行驶稳定性。

图1 传统轮廓轮胎

图2 三角平衡轮廓轮胎

高强度支撑体：

在三角平衡轮廓在正常的气压条件下，由支座与气压两种载荷作用在一起；当三角形均衡型轮胎被刺穿或爆胎时，它不需要借助气压来支持汽车，而是需要一个独立的支架来支持汽车，所以它就像是老虎的翅膀一样，可以极大地提升汽车的安全性。支承块不仅可以改善轮胎的侧向刚度，也可以改善轮胎的抗磨损能力，还可以减少轮胎表面的磨损，减少轮胎表面的磨损。为减少胎面的变形，减少胎面的滚动阻力，改善胎面和胎面的总体刚性，可以使胎面下沉、增加径向刚性、减少翻滚力臂、保持真实的圆形，达到减少轮胎的滚动阻力。

1.2 三角平衡轮廓结构的模型

利用 ABAQUS，建立了一个三角平衡轮廓结构几何模型，并将二维轴对称的三维空间进行分割。通过对侧向沟槽进行简单的分析，以了解车体外形对地面和机械特性的作用。在此基础上，通过“SYMMETRIC MODEL GENERATION”的方法，通过优化三角平衡轮廓外形的接地部分的网格进行细化，并围绕着该轴360度的平面轴对称模型进行360度的三维 FEM建模。在三维有限元分析中，将轮缘与地表作为分析的刚性体（如图3、图4所示）。

图3 轮胎二维断面模型

图4 轮胎三维有限元模型

1.3 轮胎的各个载荷工况

①在轮胎的充气状态：将0.29 MPa的负载加到与轮胎气密层相垂直的内部表面上。②在静载条件下，为便于收敛，首先将刚体的轮缘紧固，再将垂直向上的偏移作用在路面上，从而与胎面产生一定的垂直向上的变形，最终将垂直向下的标准负载5 520 N加到路面。③轮胎驱动、制动和自由翻转状态：整个轮胎以10 km/h的速度运行。同时，使车轮的转动角度从7 rad/s增加到9 rad/s。④轮胎侧倾翻转状态：以10 km/h的车胎运行速率为基准，使其侧面偏转角度从0°开始。增加到8°，造成它的侧面倾斜。⑤车轮侧向和侧向组合滚动状态：侧向和侧向角度各为4°还有8°轮胎的运行速率是10 km/h、30 km/h、60 km/h和90 km/h。

1.4 模型验证

两种轮胎在室温下，充气压力为0.22 Mpa，负载5 650 N，两者进行了比较。基于常规的三维几何形状的模拟结果与实测数据相比，其计算结果与实测数据的偏差比较少，在7%以内，二者吻合程度比较好，满足了工程应用的需要。在同样的探测情况下，三角平衡轮廓轮胎的表面印记区域要比常规型的要小得多，说明三角平衡轮廓可以减少滚动阻力（如表1所示）。

表1 三角平衡轮廓轮胎模型验证分析结果

2 子午斜交胎体结构

2.1 子午斜交胎体结构的设计

子午斜交胎面结构的设计是根据其骨架材质的受力特性而进行的，采用一家公司的255/30R22型低平度的子午胎作为参照，进行了胎面的结构设计，比较了不同胎面的胎面尺寸、乘坐性能和使用的安全性。图5为子午轮胎的胎面构造示意图，在该剖面上，所述两个胎体层的布帘的方位是沿子午线的。文章介绍一种用于改进胎面上的斜交式胎面形状，以改善地面压强的均匀性，防止车胎横截面变形，文章介绍一种具有二层胎体层的胎面构造的子午线，以使胎面的胎面构造彼此平行重叠，与斜交式胎体结构比较，子午斜交胎体的胎面更容易获得较小的平整度，从而提高了汽车的高速和操纵稳定性，同时也克服了斜交胎在行驶速度和持续行驶里程上难以攻克的难题。两层胎体层在胎边内侧的布帘与子午线之间存在着某种角度，从而形成了一种交错的层叠式，从而提高了胎面的受力和操纵性能，避免了在缺少空气的情况下发生胎面的重复弯曲，造成胎面温度升高，或者是烧损。子午斜交胎在胎冠部位的构造与其基本相同，而其承载着轴向的压力，所以采用了该结构来实现对子午线的箍紧。

图5 子午斜交胎体结构示意图

2.2 子午斜交胎体结构的模型

采用 Abaqus有限元分析程序，设计了255/30R22的子午斜交轮胎，并在此基础上，采用了9 J型的标准轮胎进行计算。该系统通过Eh-维模式的转动生成3D模式，在橡胶部件上使用CGAX3H和CGAX4H，在帘线上使用 SFMGAXl，在图6中显示。

图6 子午斜交胎体结构的模型

2.3 载荷工况

①膨胀状态：将均匀负载从0～29 MPa的均匀负载施加到总是与轮胎气密层相垂直的内部表面。②静态负载状态：首先对车轮进行完全的限制，再在垂直方向上对地表进行5 520 N的荷载。③侧倾翻转状态：车轮以10 km/h的时速运行，且侧倾角度0.8°。

2.4 模型验证

在实验中，采用了模拟计算的方法，模拟结果与实测数据进行了比较，结果表明，模拟结果与实测结果相差6%，符合实际情况，可以应用到实际生产中。

文章采用 Tekscan压力分布仪对255/30R22轮胎进行了试验，以验证其正确性。通过对255/30R22轮胎的地压进行了有限元模拟，并与实测值进行了比较，得出了两者之间的比较。

2.5 接地印痕及接地压力分布

采用两种胎面构造的轮胎进行地面试验，比较了两种胎面构造情况下的地面特性。研究了两种胎面构造条件下，轮胎在地面上的压强和地线印记。轮胎的“花瓶型”接地印记，胎面和胎肩部承受的地面压力很大，在正常工作时容易造成轴肩的磨损；子午斜交胎的“椭圆形”形貌，使其在地面上的平均地压均匀度有了显著提高，接地线上的凹槽也更加合理，从而防止了“花瓶型”的“凹槽”，同时也使轮胎的耐磨性有了显著的提高。分析认为，由于子午线斜向胎体的构造可以改善胎侧刚度，并可有效抑制轴肩的畸变，将多余的轴心向胎面中心位置传递，有效减少了胎肩的负荷，改善了胎面的抗磨性和寿命。

2.6 胎体帘线铺设角度对骨架材料的影响

胎面是一种受力的构造，它是几层帘布和胎环，它们的作用是相互配合的，通过对不同的胎面帘线层的搭接角度进行分析，得出不同的胎面布帘的倾角分别为45°、60°以及75°。同时，还进行了对斜交轮胎的力学性能的比较。子午斜线胎面构造中，胎面胎面的帘线倾角逐渐增加，同时，胎面上的绳索和绳索的张力也相应降低，降低的程度也比较小，而胎面上带束端部位置的应力也相应增加，并且增加的程度也比较高。为保持胎体层截面形状比较平稳，带束层会持续地约束着已发生畸变的胎体层，使其在轮胎轴颈处受到的应力持续增加。

2.7 骨架材料受力分析

而在轮胎外包结点的脱层、带束层末端的脱层和在胎肩部位的脱层都比较容易造成结构材料的破坏，其破坏的主要因素是橡胶和橡胶的交界破坏，所以对其进行力学特性的分析非常必要。与子午胎相比，子午斜交胎在侧向上的应力分布较为均匀，轴心处总体上的应力比较大，而靠近带束末端的第一胎体层帘线的应力小，第二胎体层帘线的张力大，这与子午胎体层帘线的受力正好是反向的。经午斜交胎的束层帘线在胎面中心处的应力值，在轴心处偏高，并在带束末端处产生了较大的应力，表明该胎面形成纵横层重叠的胎面构造，能有效地加强胎侧的刚度，并能更好的减轻胎面和胎肩处的畸变，改善接地印的形态，使其印迹的形态更为合理，使其具有更好的操纵能力。

3 结语

文章分别从轮胎轮廓结构设计方面、轮胎骨架材料结构设计方面和轮胎骨架结构设计方面提出了2种新型轮胎结构——三角平衡轮廓轮胎、子午斜交轮胎，利用有限元软件ABAQUS对这2种新型结构轮胎与其相对应的同规格的传统结构轮胎在各个复杂工况下的力学性能、接地性能和操控性能进行分析评价，并应用分析结果指导实际轮胎结构的设计，为今后新型轮胎结构设计和优化提供一定的参考依据。