侯緒國(guó)，馬永祿，張曉軍

（1.賽輪集團(tuán)股份有限公司，山東 青島 266550；2.青島市黃島區(qū)檢驗(yàn)檢測(cè)中心，山東 青島 266550）

隨著我國(guó)高速公路網(wǎng)絡(luò)的完善，長(zhǎng)途運(yùn)輸發(fā)展迅速，解決了城際間的貨物運(yùn)輸問(wèn)題，但是市區(qū)內(nèi)最后一公里的短途運(yùn)輸問(wèn)題日益凸顯，輕型載重汽車(chē)保有量日益增加，對(duì)輕型載重輪胎的需求量明顯增大[1-4]。為了提升輕型載重輪胎性能，滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，本工作選取市場(chǎng)需求量較大的全鋼輕型載重子午線(xiàn)輪胎，對(duì)影響其性能的相關(guān)因素進(jìn)行研究。

1 常見(jiàn)帶束層角度和排列方向

全鋼子午線(xiàn)輪胎的帶束層通常有0°帶束層結(jié)構(gòu)和4層帶束層結(jié)構(gòu)，主要用于載重汽車(chē)輪胎[5-7]。而全鋼輕型載重子午線(xiàn)輪胎為了降低自身質(zhì)量，帶束層一般采用2或3層[8-9]；其中，3層帶束層結(jié)構(gòu)通常在0°帶束層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上去掉0°帶束層（簡(jiǎn)稱(chēng)情況1）或在4層帶束層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上去掉4#帶束層（簡(jiǎn)稱(chēng)情況2）。情況1和情況2的3層帶束層結(jié)構(gòu)常見(jiàn)帶束層角度和排列方向如表1所示，全鋼輕型載重子午線(xiàn)輪胎的3層帶束層結(jié)構(gòu)與情況1和2不同，其常見(jiàn)帶束層角度和排列方向如表2所示。

表1 情況1和2的3層帶束層結(jié)構(gòu)常見(jiàn)帶束層角度和排列方向

表2 全鋼輕型載重子午線(xiàn)輪胎的3層帶束層結(jié)構(gòu)常見(jiàn)帶束層角度和排列方向

目前，全鋼輕型載重子午線(xiàn)輪胎的3層帶束層結(jié)構(gòu)的帶束層角度和排列方向差異很大，為了研究輪胎帶束層角度和排列方向與其性能的關(guān)系并合理設(shè)計(jì)輪胎，本工作借助有限元仿真工具進(jìn)行了研究。

2 方案設(shè)計(jì)

選取8.25R16全鋼輕型載重子午線(xiàn)輪胎為代表進(jìn)行研究，該規(guī)格為有內(nèi)胎輕型載重輪胎主流銷(xiāo)售和配套規(guī)格，在同類(lèi)輪胎中屬于最大規(guī)格，產(chǎn)品性能對(duì)設(shè)計(jì)變化敏感度高，便于發(fā)現(xiàn)差異。

保持輪胎帶束層材料和寬度不變，只變換帶束層各層角度和排列方向設(shè)計(jì)4個(gè)試驗(yàn)方案進(jìn)行有限元分析，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究。本工作僅研究3層帶束層結(jié)構(gòu)的帶束層角度和排列方向與有內(nèi)胎輕型載重輪胎性能的相關(guān)性，不考慮其他輪廓參數(shù)和材料變化對(duì)輪胎性能的影響。

2.1 材料分布和帶束層寬度

輪胎材料分布如圖1所示。

圖1 輪胎材料分布示意

1#—3#帶束層寬度分別為140，160，130 mm。

2.2 設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)方案如表3所示[10]。

表3 設(shè)計(jì)方案

3 有限元分析

3.1 外緣尺寸

（1）保持1#帶束層角度變化（2#，3#帶束層角度不變，下同），帶束層排列方向?yàn)?，按方案1，3，4進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力和標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷下輪胎外緣尺寸，結(jié)果如表4所示。

表4 輪胎外緣尺寸試驗(yàn)結(jié)果1（帶束層排列方向?yàn)?）

從表4可以看出：帶束層排列方向?yàn)?時(shí)，1#帶束層角度變化對(duì)輪胎外緣尺寸的影響均小于0.15%，影響較??；對(duì)輪胎下沉量的影響為0.75%。

（2）保持1#帶束層角度變化，帶束層排列方向?yàn)?，按方案1，3，4進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力和標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷下輪胎外緣尺寸，結(jié)果如表5所示。

表5 輪胎外緣尺寸試驗(yàn)結(jié)果2（帶束層排列方向?yàn)?）

從表5可以看出，帶束層排列方向?yàn)?時(shí)，隨著1#帶束層角度的減小，輪胎充氣外直徑呈減小趨勢(shì)，充氣斷面寬呈增大趨勢(shì)，負(fù)荷半徑和斷面寬基本不受影響（小于0.050%），對(duì)輪胎下沉量的影響為2.286%。

從表4和5還可以看出，帶束層角度不變、帶束層排列方向變化對(duì)輪胎外緣尺寸的影響很小，對(duì)輪胎下沉量的影響稍大一些，排列方向?yàn)?時(shí)輪胎下沉量相對(duì)較小。

（3）保持2#，3#帶束層角度增大（1#帶束層角度不變，下同），帶束層排列方向?yàn)?，按方案2，3進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力和標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷下輪胎外緣尺寸，結(jié)果如表6所示。

表6 輪胎外緣尺寸試驗(yàn)結(jié)果3（帶束層排列方向?yàn)?）

從表6可以看出：帶束層排列方向?yàn)?時(shí)，2#，3#帶束層角度變化對(duì)輪胎外緣尺寸的影響小于0.080%，影響較?。粚?duì)輪胎下沉量的影響為0.228%。

（4）保持2#，3#帶束層角度增大，帶束層排列方向?yàn)?，按方案2，3進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力和標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷下輪胎外緣尺寸，結(jié)果如表7所示。

表7 輪胎外緣尺寸試驗(yàn)結(jié)果4（帶束層排列方向?yàn)?）

從表7可以看出：帶束層排列方向?yàn)?時(shí)，隨著2#，3#帶束層角度的增大，輪胎外直徑呈減小趨勢(shì)，斷面寬呈增大趨勢(shì)；負(fù)荷半徑和斷面寬基本不受影響（小于0.05%）；對(duì)下沉量的影響為1.38%。

3.2 接地印痕

按方案1—4測(cè)試輪胎接地印痕，試驗(yàn)條件為標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力和標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷（簡(jiǎn)稱(chēng)-1）時(shí)，結(jié)果如表8所示；試驗(yàn)條件為標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力和130%標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷（簡(jiǎn)稱(chēng)-2）時(shí)，結(jié)果如表9所示。輪胎接地印痕矩形比試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 輪胎接地印痕矩形比折線(xiàn)圖

表8 輪胎接地印痕試驗(yàn)結(jié)果-1

表9 輪胎接地印痕試驗(yàn)結(jié)果-2

從表8和9及圖2可以看出：帶束層排列方向?yàn)?時(shí)，1#帶束層角度變化對(duì)輪胎接地印痕矩形比沒(méi)有規(guī)律性的影響；隨著2#，3#帶束層角度的增大，輪胎接地印痕矩形比減??；帶束層排列方向?yàn)?時(shí)，隨著1#帶束層角度的減小和2#，3#帶束層角度的增大，輪胎接地印痕矩形比呈增大趨勢(shì)。帶束層排列方向?qū)喬ソ拥赜『坶L(zhǎng)軸、短軸的影響趨勢(shì)與輪胎接地印痕矩形比類(lèi)似。

從表8和9及圖2還可以看出：帶束層排列方向?yàn)?時(shí)，隨著1#帶束層角度減小和2#，3#帶束層角度的增大，輪胎接地面積均減??；帶束層排列方向?yàn)?時(shí)，隨著1#帶束層角度減小，輪胎接地面積呈減小趨勢(shì)；隨著2#，3#帶束層角度的增大，輪胎接地面積減小。同時(shí)，與排列方向?yàn)?相比，帶束層排列方向?yàn)?時(shí)各方案的輪胎接地面積較大；與130%標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷相比，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷時(shí)各方案輪胎的接地印痕矩形比較小。130%標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷、帶束層排列方向?yàn)?時(shí)，方案3的輪胎接地印痕矩形比最小，接地面積最大。

3.3 接地壓力

輪胎接地壓力及其標(biāo)準(zhǔn)差在帶束層排列方向1和2上的試驗(yàn)結(jié)果分別如表10所示。

表10 輪胎接地壓力及其標(biāo)準(zhǔn)差在不同帶束層排列方向上的試驗(yàn)結(jié)果

從表10可以看出：帶束層排列方向?yàn)?時(shí)，各方案輪胎接地壓力平均值和標(biāo)準(zhǔn)差相當(dāng)，方案1，2略?xún)?yōu)于方案3，4；帶束層排列方向?yàn)?時(shí)，各方案輪胎接地壓力平均值和標(biāo)準(zhǔn)差方案1，2相當(dāng)，方案3，4相當(dāng)，并且方案1，2略?xún)?yōu)于方案3，4。

3.4 帶束層及輪胎肩部剪應(yīng)力及應(yīng)變能密度

在帶束層排列方向?yàn)?和2時(shí)，輪胎在標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力和標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷下的帶束層及輪胎肩部剪應(yīng)力及應(yīng)變能密度試驗(yàn)結(jié)果分別如表11和12所示。

表11 帶束層及肩部剪應(yīng)力及應(yīng)變能密度試驗(yàn)結(jié)果1

表12 帶束層及肩部剪應(yīng)力及應(yīng)變能密度試驗(yàn)結(jié)果2

表11和12的判定原則為：輪胎剪應(yīng)力和應(yīng)變能密度以小值為優(yōu)；剪應(yīng)力和應(yīng)變能密度的變化趨勢(shì)不一致時(shí)，優(yōu)先考慮應(yīng)變能密度；帶束層和輪胎肩部的變化趨勢(shì)不一致時(shí)，優(yōu)先考慮輪胎肩部。從表11和12可以看出：帶束層排列方向?yàn)?時(shí)，方案1的帶束層及肩部的剪應(yīng)力和應(yīng)變能密度綜合較優(yōu)；帶束層排列方向?yàn)?時(shí)，方案4的帶束層及肩部的剪應(yīng)力和應(yīng)變能密度綜合較優(yōu)。

3.5 靜態(tài)剛性

在標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力和標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷下各方案的輪胎靜態(tài)剛性試驗(yàn)結(jié)果如表13所示。

表13 輪胎靜態(tài)剛性試驗(yàn)結(jié)果

從表13可以看出：帶束層排列方向?yàn)?時(shí)，隨著1#帶束層角度的減?。?#，3#帶束層角度不變），輪胎的靜態(tài)剛性無(wú)規(guī)律性變化；隨著2#，3#帶束層角度的增大（1#帶束層角度不變），輪胎的靜態(tài)剛性有減小趨勢(shì)；帶束層排列方向?yàn)?時(shí)，隨著1#帶束層角度的減?。?#，3#帶束層角度不變），輪胎的靜態(tài)剛性增大；隨著2#，3#帶束層角度的增大（1#帶束層角度不變），輪胎靜態(tài)剛性增大。如果需要保證輪胎靜態(tài)剛性，綜合考慮優(yōu)選方案4、帶束層排列方向?yàn)?。

4 結(jié)語(yǔ)

借助有限元工具對(duì)4種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，總結(jié)帶束層角度和排列方向?qū)θ撦p型載重子午線(xiàn)輪胎性能的影響規(guī)律。如果需要保證輪胎接地性能，應(yīng)優(yōu)選方案1、帶束層排列方向?yàn)?。如果需要保證輪胎肩部、帶束層受力及輪胎靜態(tài)剛性，應(yīng)優(yōu)選方案4、帶束層排列方向?yàn)?。本工作可為全鋼輕型載重子午線(xiàn)輪胎設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。