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        冠帶條纏繞方式對輪胎性能的影響

        2023-02-22 05:57:04李慧敏劉寶濤張凱凱王龍慶
        橡膠科技 2023年2期
        關(guān)鍵詞:平鋪圈數(shù)螺距

        李慧敏,劉寶濤,張凱凱,王龍慶

        (青島森麒麟輪胎股份有限公司,山東 青島 266229)

        常見的輪胎冠帶條纏繞方式有“2-2-2”和“2-1-2”兩種(見圖1)。

        圖1 冠帶條纏繞方式

        采用“2-1-2”冠帶條纏繞方式,輪胎肩部冠帶條纏繞圈數(shù)(以下簡稱肩部纏繞圈數(shù))增加有利于提高輪胎肩部剛性,增大對帶束層的箍緊作用[1],均衡輪胎內(nèi)部尤其是胎肩部位的剪應力,有利于提升輪胎的高速及耐久性能,但是其對于輪胎力學性能的影響卻鮮少提及;同時受肩部花紋塊寬度及生產(chǎn)成本的約束,肩部纏繞圈數(shù)可調(diào)整范圍有限。

        本工作旨在通過調(diào)整肩部纏繞圈數(shù)、螺距及張力,研究冠帶條纏繞方式對輪胎性能的影響,以根據(jù)實際需求進行冠帶條纏繞方式的精細設計。

        1 仿真分析

        為避免盲目試驗造成不必要的浪費,先選取一種輪胎規(guī)格,對試驗方案進行一定程度的簡化,再進行仿真分析,以指導具體試驗方案的制定。

        1.1 仿真方案的選取原則

        仿真方案的選取原則為:(1)選取采用“2-1-2”纏繞方式的輪胎用于仿真分析;(2)選取負荷速度級別較大的輪胎用于仿真分析;(3)選取輪廓的斷面水平軸位置(H1/H2)較大的輪胎,其應力應變更容易集中于胎肩部位。滿足以上原則的輪胎的性能對于肩部纏繞圈數(shù)的變化更為敏感。

        按以上原則選取275/60R20規(guī)格輪胎,設計了4個仿真分析方案,方案A,B,C,D(見圖2)的肩部纏繞圈數(shù)分別為1,2,3,4。

        圖2 仿真方案示意

        1.2 仿真結(jié)果

        不同方案輪胎的仿真結(jié)果見表1,肩部應力分布見圖3。

        表1 不同方案輪胎的仿真結(jié)果

        因仿真方案的變化量為肩部纏繞圈數(shù),主要對帶束層進行了不同程度的約束,故胎肩部位帶束層端點處的剪應力最受關(guān)注。

        從圖3可以看出:4個方案輪胎的肩部應力分布差異不大,最大應力位置統(tǒng)一;在僅充氣狀態(tài)下,方案A,B,C輪胎的最大應力差異不大,方案D輪胎的最大應力略?。辉诔錃饧迂摵蔂顟B(tài)下,隨著肩部纏繞圈數(shù)的增加,4個方案輪胎的肩部最大應力降低且降幅逐漸減小,方案C與方案D輪胎的最大應力差異較小。

        圖3 不同方案輪胎的肩部應力分布

        1.3 仿真分析結(jié)論

        (1)肩部纏繞圈數(shù)從1增大到4,對輪胎外緣尺寸、接地印痕和接地壓力分布影響不大,整體趨勢為冠帶條肩部寬度增大,接地印痕趨于圓形,這與冠帶條的箍緊作用有關(guān)。

        (2)隨著肩部纏繞圈數(shù)的增加,輪胎整體剛度及胎側(cè)剛度呈增大趨勢。其中肩部纏繞圈數(shù)由1增至2時輪胎剛度明顯增大,纏繞圈數(shù)繼續(xù)增加,剛度變化幅度減小。

        (3)隨著肩部纏繞圈數(shù)的增加,帶束層層間剪切應變和肩部應力呈減小趨勢,肩部耐久性能提升,其中肩部纏繞圈數(shù)由1增至2時性能變化明顯,纏繞圈數(shù)繼續(xù)增加時性能變化減緩。

        (4)隨著肩部纏繞圈數(shù)的增加,胎體反包端點應變能密度減小,胎體端點耐久性能提升。肩部纏繞圈數(shù)由1增至4,應變能密度減幅逐漸減小。

        (5)隨著肩部纏繞圈數(shù)的增加,胎圈部位應力呈降低趨勢,胎圈部位耐久性能提升。

        (6)隨著肩部纏繞圈數(shù)的增加,在充氣狀態(tài)下,1#及2#帶束層靠近胎面中心位置的張力減小,預測在高速離心力下帶束層變形減小,輪胎高速性能提高,其中肩部纏繞圈數(shù)由1增至3時性能提升幅度較大,由3增至4時性能提升減緩。

        2 正交試驗

        2.1 試驗方案

        輪胎規(guī)格 205/55ZR16,花紋 LS388,負荷及速度級別 94W/XL,冠帶條纏繞方式 2-1-2,冠帶條簾線 1400dtex/2錦綸66簾線。

        考慮冠帶條纏繞中的核心影響因素,選取4個因子:肩部纏繞圈數(shù)(因子A)、肩部纏繞螺距(因子B,單位為mm)、肩層張力(因子C,單位為N)、平鋪層張力(因子D,單位為N),肩層與平鋪層示意見圖4,每個因子設置3個水平(見表2)。

        圖4 肩層與平鋪層示意

        表2 正交試驗因子及水平

        2.2 正交試驗結(jié)果

        2.2.1 室內(nèi)安全試驗

        2.2.1.1 傾角高速試驗

        傾角高速試驗條件:輪輞寬度 6.5J×16,充氣壓力 280 kPa,負荷 464.2 kg。

        試驗方法:充氣后輪胎輪輞組合體停放3 h以上,停放溫度控制在(25±3) ℃;停放完成后將輪胎輪輞組合體安裝到高速耐久試驗機上,與試驗轉(zhuǎn)鼓鼓面保持3°傾角,施加相應負荷,在起始速度190 km·h-1下運行10 min后,在240 km·h-1下運行10 min,之后每運行10 min速度提升10 km·h-1,直至輪胎損壞,試驗結(jié)束。

        傾角高速試驗結(jié)果見表3,其中,K1為水平1均值,為水平2均值,為水平3均值,R為極差。

        表3 傾角高速試驗結(jié)果

        9組試驗輪胎損壞形式一致,均為胎側(cè)脫層,說明此規(guī)格輪胎結(jié)構(gòu)設計的短板主要在于胎側(cè)部位的設計。冠帶條在傾角高速試驗中能起到分擔下胎側(cè)部位應力的作用。如前所述,由仿真分析可知,隨著肩部纏繞圈數(shù)的增加,胎體反包端點應變能密度逐漸減小,可以降低由反包端點處應力集中造成的耐久性能損失,因此試驗結(jié)果也會因冠帶條纏繞方式不同而產(chǎn)生一定的差異。

        由表3可知:肩部纏繞圈數(shù)的影響最大,肩部纏繞圈數(shù)為2時傾角高速試驗運行時間最長;肩部纏繞螺距也有較大的影響,螺距為11 mm時,傾角高速試驗運行時間最長;肩部張力越大越利于傾角高速性能;平鋪層張力影響較小,且影響方向不明顯,平鋪層張力為25 N時傾角高速性能最好。

        2.2.1.2 高速性能試驗

        高速性能試驗條件:輪輞寬度 6.5J×16,充氣壓力 360 kPa,負荷 455.6 kg。

        試驗方法:第1階段,10 min內(nèi)速度由零提升至初始速度230 km·h-1;第2階段,在初始速度下運行10 min,之后每個階段速度遞增10 km·h-1,第5和6階段運行時間為20 min,其余各階段運行時間為10 min,直至輪胎損壞,試驗結(jié)束。

        高速性能試驗結(jié)果如表4所示。

        表4 高速性能試驗結(jié)果

        由表4可知:肩部纏繞圈數(shù)越大越有利于高速性能的提升,肩部纏繞圈數(shù)為3時輪胎高速運行時間最長,主要原因是在高速運行過程中,冠帶條對輪胎起到束縛作用,可以抵抗高速運轉(zhuǎn)帶來的離心力;肩部纏繞螺距為12 mm時高速運行時間最長,但值得注意的是,肩部纏繞螺距為12 mm的3組試驗中有兩組輪胎發(fā)生了爆破;肩層張力及平鋪層張力對高速性能試驗結(jié)果的影響規(guī)律不明顯。

        2.2.2 六分力側(cè)偏試驗

        六分力試驗分側(cè)偏、縱滑、垂向剛度3個分試驗,本工作只討論側(cè)偏試驗的結(jié)果。

        六分力側(cè)偏試驗條件:負荷 536 kg,充氣壓力 250 kPa,試驗速度 60 km·h-1。

        試驗方法:設置垂直負荷為測試負荷,輪胎為自由滾動狀態(tài),側(cè)偏角輸入以線性掃掠形式進行,暖胎后側(cè)偏角起始值為-2°,第1結(jié)束值為15°,第2結(jié)束值為-15°,最終結(jié)束值為2°,側(cè)偏角加載速率為2(°)·s-1。選取側(cè)偏剛度和峰值側(cè)向力兩個指標進行具體分析。

        2.2.2.1 側(cè)偏剛度

        側(cè)偏剛度是決定輪胎及車輛操縱穩(wěn)定性的重要參數(shù),車輛的響應特性很大程度上取決于輪胎的側(cè)偏剛度,側(cè)偏剛度過小則車輛容易表現(xiàn)出轉(zhuǎn)向不足、轉(zhuǎn)向不線性等問題[2]。

        側(cè)偏剛度試驗結(jié)果如表5所示。

        表5 側(cè)偏剛度試驗結(jié)果

        由表5可知:肩部纏繞圈數(shù)越小對于側(cè)偏剛度越有利,肩部纏繞圈數(shù)為1時側(cè)偏剛度最大,肩部纏繞圈數(shù)小,冠帶條對胎肩的束縛作用減小,接地面積增大,產(chǎn)生相同角度的側(cè)偏角形變需要的力更大,故側(cè)偏剛度大;肩部纏繞螺距、肩層張力和平鋪層張力對側(cè)偏剛度的影響很小,可以忽略。

        2.2.2.2 峰值側(cè)向力

        峰值側(cè)向力與垂直負荷的比值可以表征輪胎的最大側(cè)向靜摩擦因數(shù);其與輪胎的側(cè)向附著極限有關(guān),對輪胎操縱穩(wěn)定性也有較大的影響。

        峰值側(cè)向力試驗結(jié)果如表6所示。

        表6 峰值側(cè)向力試驗結(jié)果

        由表6可知:肩部纏繞圈數(shù)越小對于峰值側(cè)向力越有利,肩部纏繞圈數(shù)為1時峰值側(cè)向力最大;肩部纏繞螺距、肩層張力及平鋪層張力對峰值側(cè)向力的影響很小,可以忽略。

        2.2.3 接地印痕試驗

        GB/T 22038—2008《汽車輪胎靜態(tài)接地壓力分布試驗方法》印痕試驗涉及十多個指標[3],本工作僅展示部分印痕參數(shù)(見圖5)的分析結(jié)果。

        圖5 接地印痕參數(shù)

        2.2.3.1 接地寬度

        接地寬度試驗結(jié)果如表7所示。

        表7 接地寬度試驗結(jié)果

        由表7可知:肩部纏繞圈數(shù)為1時,冠帶條對輪胎的束縛作用較小,接地寬度最大;肩部纏繞螺距對接地寬度的影響方向不明確;4個因子對接地寬度的影響相對較小,在輪胎輪廓、帶束層寬度、充氣壓力一定時,接地寬度不會有太大的變化。

        2.2.3.2 中間接地長度

        中間接地長度試驗結(jié)果如表8所示。

        表8 中間接地長度試驗結(jié)果

        由表8可知:肩部纏繞圈數(shù)越大,中間接地長度越大,肩部纏繞圈數(shù)為3時冠帶條對肩部的束縛能力最大,在相同充氣壓力下,胎面更容易從中部接地;肩部纏繞螺距為10 mm時中間接地長度最大;肩層張力為20或25 N時中間接地長度較大;平鋪層張力為15 N時中間接地長度最大;從肩層與平鋪層的張力差異來看,趨向于小的平鋪層張力、大的肩層張力能夠得到更大的中間接地長度。

        2.2.3.3 接地長度比值

        通常通過接地長度比值對印痕的形狀進行評估判定[4]。接地長度比值試驗結(jié)果如表9所示。

        表9 接地長度比值試驗結(jié)果

        由表9可知:肩部纏繞圈數(shù)為3時接地長度比值最大,接地印痕更趨向于橢圓形;肩部纏繞螺距為11 mm時接地長度比值最大;肩層張力為20或25 N時接地長度比值較大;平鋪層張力為15 N時接地長度比值最大;趨向于小的平鋪層張力、大的肩層張力能夠得到更大的接地長度比值,冠帶條對肩部束縛能力的增強可使輪胎接地印痕更趨向于 橢圓形。

        2.2.3.4 接地面積

        一般認為接地面積大有利于抓著性能的提升。接地面積試驗結(jié)果如表10所示。

        表10 接地面積試驗結(jié)果

        由表10可知:肩部纏繞圈數(shù)為1時接地面積最大,這是因為冠帶條對輪胎的束縛減小,接地面積增大;肩部纏繞螺距為10 mm時接地面積最大;肩層張力及平鋪層張力對接地面積的影響很小。

        3 結(jié)論

        (1)仿真分析結(jié)果顯示,肩部纏繞圈數(shù)增加,有利于輪胎高速耐久性能的提升,但肩部纏繞圈數(shù)為1—2時性能提升效果明顯,肩部纏繞圈數(shù)繼續(xù)增大,提升效果明顯減緩。

        (2)肩部纏繞圈數(shù)為1時,傾角高速試驗和高速性能試驗運行時間明顯較短,纏繞圈數(shù)為2時傾角高速性能最好,纏繞圈數(shù)為3時高速性能最好。肩層和平鋪層張力及肩部纏繞螺距對室內(nèi)安全性能也有一定影響,但影響方向不明確且可能存在交互作用。

        (3)肩部纏繞圈數(shù)對于側(cè)偏剛度及峰值側(cè)向力是主要影響因素,推測是其改變了冠帶條對胎肩的束縛作用,從而影響了接地狀態(tài),進而影響力學性能。肩部纏繞圈數(shù)越小,側(cè)偏剛度及峰值側(cè)向力越大,但肩部纏繞圈數(shù)為2時可保證六分力及室內(nèi)安全性能得到較好的均衡。

        (4)冠帶條纏繞方式尤其是肩部纏繞圈數(shù)對接地印痕參數(shù)中的接地長度比值和接地面積影響較大;肩部纏繞圈數(shù)增加,接地面積減小,接地長度比值增大,接地印痕更趨向于橢圓形。

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