带束层参数与全钢轻型载重子午线轮胎性能相关性的研究

2023-10-08侯绪国马永禄张晓军

轮胎工业 2023年9期

侯绪国，马永禄，张晓军

（1.赛轮集团股份有限公司，山东青岛 266550；2.青岛市黄岛区检验检测中心，山东青岛 266550）

随着我国高速公路网络的完善，长途运输发展迅速，解决了城际间的货物运输问题，但是市区内最后一公里的短途运输问题日益凸显，轻型载重汽车保有量日益增加，对轻型载重轮胎的需求量明显增大[1-4]。为了提升轻型载重轮胎性能，满足市场需求，本工作选取市场需求量较大的全钢轻型载重子午线轮胎，对影响其性能的相关因素进行研究。

1 常见带束层角度和排列方向

全钢子午线轮胎的带束层通常有0°带束层结构和4层带束层结构，主要用于载重汽车轮胎[5-7]。而全钢轻型载重子午线轮胎为了降低自身质量，带束层一般采用2或3层[8-9]；其中，3层带束层结构通常在0°带束层结构的基础上去掉0°带束层（简称情况1）或在4层带束层结构的基础上去掉4#带束层（简称情况2）。情况1和情况2的3层带束层结构常见带束层角度和排列方向如表1所示，全钢轻型载重子午线轮胎的3层带束层结构与情况1和2不同，其常见带束层角度和排列方向如表2所示。

表1 情况1和2的3层带束层结构常见带束层角度和排列方向

表2 全钢轻型载重子午线轮胎的3层带束层结构常见带束层角度和排列方向

目前，全钢轻型载重子午线轮胎的3层带束层结构的带束层角度和排列方向差异很大，为了研究轮胎带束层角度和排列方向与其性能的关系并合理设计轮胎，本工作借助有限元仿真工具进行了研究。

2 方案设计

选取8.25R16全钢轻型载重子午线轮胎为代表进行研究，该规格为有内胎轻型载重轮胎主流销售和配套规格，在同类轮胎中属于最大规格，产品性能对设计变化敏感度高，便于发现差异。

保持轮胎带束层材料和宽度不变，只变换带束层各层角度和排列方向设计4个试验方案进行有限元分析，并对试验结果进行分析研究。本工作仅研究3层带束层结构的带束层角度和排列方向与有内胎轻型载重轮胎性能的相关性，不考虑其他轮廓参数和材料变化对轮胎性能的影响。

2.1 材料分布和带束层宽度

轮胎材料分布如图1所示。

图1 轮胎材料分布示意

1#—3#带束层宽度分别为140，160，130 mm。

2.2 设计方案

设计方案如表3所示[10]。

表3 设计方案

3 有限元分析

3.1 外缘尺寸

（1）保持1#带束层角度变化（2#，3#带束层角度不变，下同），带束层排列方向为1，按方案1，3，4进行试验，测试标准充气压力和标准负荷下轮胎外缘尺寸，结果如表4所示。

表4 轮胎外缘尺寸试验结果1（带束层排列方向为1）

从表4可以看出：带束层排列方向为1时，1#带束层角度变化对轮胎外缘尺寸的影响均小于0.15%，影响较小；对轮胎下沉量的影响为0.75%。

（2）保持1#带束层角度变化，带束层排列方向为2，按方案1，3，4进行试验，测试标准充气压力和标准负荷下轮胎外缘尺寸，结果如表5所示。

表5 轮胎外缘尺寸试验结果2（带束层排列方向为2）

从表5可以看出，带束层排列方向为2时，随着1#带束层角度的减小，轮胎充气外直径呈减小趋势，充气断面宽呈增大趋势，负荷半径和断面宽基本不受影响（小于0.050%），对轮胎下沉量的影响为2.286%。

从表4和5还可以看出，带束层角度不变、带束层排列方向变化对轮胎外缘尺寸的影响很小，对轮胎下沉量的影响稍大一些，排列方向为2时轮胎下沉量相对较小。

（3）保持2#，3#带束层角度增大（1#带束层角度不变，下同），带束层排列方向为1，按方案2，3进行试验，测试标准充气压力和标准负荷下轮胎外缘尺寸，结果如表6所示。

表6 轮胎外缘尺寸试验结果3（带束层排列方向为1）

从表6可以看出：带束层排列方向为1时，2#，3#带束层角度变化对轮胎外缘尺寸的影响小于0.080%，影响较小；对轮胎下沉量的影响为0.228%。

（4）保持2#，3#带束层角度增大，带束层排列方向为2，按方案2，3进行试验，测试标准充气压力和标准负荷下轮胎外缘尺寸，结果如表7所示。

表7 轮胎外缘尺寸试验结果4（带束层排列方向为2）

从表7可以看出：带束层排列方向为2时，随着2#，3#带束层角度的增大，轮胎外直径呈减小趋势，断面宽呈增大趋势；负荷半径和断面宽基本不受影响（小于0.05%）；对下沉量的影响为1.38%。

3.2 接地印痕

按方案1—4测试轮胎接地印痕，试验条件为标准充气压力和标准负荷（简称-1）时，结果如表8所示；试验条件为标准充气压力和130%标准负荷（简称-2）时，结果如表9所示。轮胎接地印痕矩形比试验结果如图2所示。

图2 轮胎接地印痕矩形比折线图

表8 轮胎接地印痕试验结果-1

表9 轮胎接地印痕试验结果-2

从表8和9及图2可以看出：带束层排列方向为1时，1#带束层角度变化对轮胎接地印痕矩形比没有规律性的影响；随着2#，3#带束层角度的增大，轮胎接地印痕矩形比减小；带束层排列方向为2时，随着1#带束层角度的减小和2#，3#带束层角度的增大，轮胎接地印痕矩形比呈增大趋势。带束层排列方向对轮胎接地印痕长轴、短轴的影响趋势与轮胎接地印痕矩形比类似。

从表8和9及图2还可以看出：带束层排列方向为1时，随着1#带束层角度减小和2#，3#带束层角度的增大，轮胎接地面积均减小；带束层排列方向为2时，随着1#带束层角度减小，轮胎接地面积呈减小趋势；随着2#，3#带束层角度的增大，轮胎接地面积减小。同时，与排列方向为2相比，带束层排列方向为1时各方案的轮胎接地面积较大；与130%标准负荷相比，标准负荷时各方案轮胎的接地印痕矩形比较小。130%标准负荷、带束层排列方向为1时，方案3的轮胎接地印痕矩形比最小，接地面积最大。

3.3 接地压力

轮胎接地压力及其标准差在带束层排列方向1和2上的试验结果分别如表10所示。

表10 轮胎接地压力及其标准差在不同带束层排列方向上的试验结果

从表10可以看出：带束层排列方向为1时，各方案轮胎接地压力平均值和标准差相当，方案1，2略优于方案3，4；带束层排列方向为2时，各方案轮胎接地压力平均值和标准差方案1，2相当，方案3，4相当，并且方案1，2略优于方案3，4。

3.4 带束层及轮胎肩部剪应力及应变能密度

在带束层排列方向为1和2时，轮胎在标准充气压力和标准负荷下的带束层及轮胎肩部剪应力及应变能密度试验结果分别如表11和12所示。

表11 带束层及肩部剪应力及应变能密度试验结果1

表12 带束层及肩部剪应力及应变能密度试验结果2

表11和12的判定原则为：轮胎剪应力和应变能密度以小值为优；剪应力和应变能密度的变化趋势不一致时，优先考虑应变能密度；带束层和轮胎肩部的变化趋势不一致时，优先考虑轮胎肩部。从表11和12可以看出：带束层排列方向为1时，方案1的带束层及肩部的剪应力和应变能密度综合较优；带束层排列方向为2时，方案4的带束层及肩部的剪应力和应变能密度综合较优。

3.5 静态刚性

在标准充气压力和标准负荷下各方案的轮胎静态刚性试验结果如表13所示。

表13 轮胎静态刚性试验结果

从表13可以看出：带束层排列方向为1时，随着1#带束层角度的减小（2#，3#带束层角度不变），轮胎的静态刚性无规律性变化；随着2#，3#带束层角度的增大（1#带束层角度不变），轮胎的静态刚性有减小趋势；带束层排列方向为2时，随着1#带束层角度的减小（2#，3#带束层角度不变），轮胎的静态刚性增大；随着2#，3#带束层角度的增大（1#带束层角度不变），轮胎静态刚性增大。如果需要保证轮胎静态刚性，综合考虑优选方案4、带束层排列方向为2。