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        探究200km/h以上行駛速度的TPMS橡膠氣門嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研發(fā)

        2024-03-08 00:00:00黃榮振
        中國汽車市場 2024年6期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        摘要:本研究針對200km/h 以上行駛速度下( 以17”汽車輪輞為例) 的TPMS 橡膠氣門嘴進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研發(fā),旨在提升氣門嘴在高速度下的性能和安全性。通過優(yōu)化氣門嘴的流線型設(shè)計(jì)、材料選擇和密封性能,本研究實(shí)現(xiàn)了在極端條件下的優(yōu)越表現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,優(yōu)化后的氣門嘴在氣密性和材料強(qiáng)度、耐疲勞方面均超過了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),具備良好的應(yīng)用前景。

        關(guān)鍵詞:TPMS; 橡膠氣門嘴; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); 材料選擇

        引言

        隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,車輛的行駛速度不斷提升,同時(shí)由于氣門嘴制造工藝的優(yōu)化及成本的壓縮,200km/h 以上高速橡膠氣門嘴被更多主機(jī)廠所接受。在此背景下,輪胎及其附件的性能要求也隨之提高。TPMS(胎壓監(jiān)測系統(tǒng))橡膠氣門嘴作為輪胎的重要組成部分,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響到車輛的安全性和性能。本文旨在探討新型TPMS 橡膠氣門嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其在高速行駛下的性能表現(xiàn),為未來的輪胎技術(shù)研發(fā)提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。

        一、國內(nèi)外TPMS 氣門嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展

        (一)氣門嘴設(shè)計(jì)的發(fā)展歷程

        氣門嘴設(shè)計(jì)的發(fā)展歷程可以追溯到20 世紀(jì)初,最初的氣門嘴設(shè)計(jì)主要關(guān)注基本的密封性能。隨著材料科學(xué)和制造技術(shù)的進(jìn)步,氣門嘴的設(shè)計(jì)逐漸向輕量化、高性能方向發(fā)展。近年來,Smith(2015)提出,現(xiàn)代氣門嘴不僅需要滿足密封要求,還應(yīng)具備耐高溫、耐化學(xué)腐蝕的特性。然而,現(xiàn)有技術(shù)在高壓力和極端環(huán)境下的可靠性仍然不足,常見的失效模式包括老化和疲勞。Chen 等(2020)指出,傳統(tǒng)橡膠材料在高溫下容易降解,導(dǎo)致密封失效,因此亟需開發(fā)新型復(fù)合材料以提升性能。

        (二)國內(nèi)外TPMS 氣門嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展

        在TPMS 氣門嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,國內(nèi)外已有多項(xiàng)研究成果。國外的研究如Johnson(2018)探討了氣門嘴的流體動(dòng)力學(xué)特性,利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬其在不同氣流條件下的性能,結(jié)果顯示流線型設(shè)計(jì)能顯著降低氣動(dòng)阻力。國內(nèi)研究方面,李明(2021)通過有限元分析(FEA)探討了氣門嘴在高壓條件下的應(yīng)力分布,結(jié)果表明,優(yōu)化的幾何形狀能有效提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。兩者均強(qiáng)調(diào)了在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)綜合考慮材料特性與結(jié)構(gòu)優(yōu)化,以應(yīng)對日益復(fù)雜的使用環(huán)境。

        二、TPMS 橡膠氣門嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        (一)TPMS 橡膠氣門嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論分析

        在高速行駛中,TPMS 橡膠氣門嘴承受多種力的作用,這些力主要來源于氣動(dòng)壓力、輪胎負(fù)荷以及溫度變化。應(yīng)用流體力學(xué)和材料力學(xué)的基本原理,可以對氣門嘴的受力情況進(jìn)行詳細(xì)分析。

        1. 氣動(dòng)壓力

        假設(shè)氣門嘴內(nèi)部的氣體壓力為P,標(biāo)準(zhǔn)情況下設(shè)定為2.5bar(即250,000Pa)。

        在氣門嘴內(nèi)腔體上的受力可以通過公式計(jì)算:

        F氣=P·A

        其中,A 為氣門嘴的橫截面積,假設(shè)直徑為5mm,則:

        所以,氣動(dòng)壓力產(chǎn)生的力為:

        F 氣=250,000Pa ×1.96×10-5m2 ≈ 4.9N

        2. 輪胎負(fù)荷

        輪胎負(fù)荷(F 輪)可根據(jù)車輛重量和輪胎數(shù)量來計(jì)算,假設(shè)每個(gè)輪胎承受3000N 的負(fù)荷。

        氣門嘴需要承受的總負(fù)荷為輪胎負(fù)荷的一部分,考慮到材料的承載能力和設(shè)計(jì)規(guī)范,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留有一定的安全系數(shù)。

        3. 溫度效應(yīng)

        橡膠材料的物理性能會(huì)隨著溫度的變化而變化。根據(jù)材料力學(xué),材料的強(qiáng)度σ 會(huì)受到溫度的影響。設(shè)定高溫下的強(qiáng)度為σ 高和低溫下的強(qiáng)度為σ 低,其關(guān)系如下:

        σ =σ0 ? k (T ? T0 )

        其中,k 為材料的溫度系數(shù),T 為實(shí)際溫度,T0 為基準(zhǔn)溫度。

        4. 疲勞分析

        在高速行駛狀態(tài)下,氣門嘴經(jīng)歷周期性載荷。疲勞強(qiáng)度Sf計(jì)算公式為:

        Sf=Sn/Nf

        其中,Sn 為材料的名義強(qiáng)度,Nf 為允許的疲勞循環(huán)次數(shù)。

        (二)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        1. 設(shè)計(jì)理念

        為了滿足高速行駛(gt;200km/h)的需求,新型TPMS 橡膠氣門嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了以下幾個(gè)優(yōu)化策略:

        (1)氣門嘴的流線型設(shè)計(jì)。通過CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))模擬優(yōu)化氣門嘴的外形,使其在高速行駛中減少氣動(dòng)阻力。這不僅有助于提高輪胎的整體空氣動(dòng)力性能,還能有效提高氣流量,達(dá)到每小時(shí)7.3m3 以上,滿足用戶對充氣效率的要求。

        (2)降低裝著力。傳統(tǒng)氣門嘴在安裝過程中需要較大的力氣,新型氣門嘴通過改進(jìn)橡膠配方和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),將裝著力控制在600N 以下,符合ETRTO 標(biāo)準(zhǔn),顯著減少安裝難度,避免在安裝過程中對氣門嘴表面造成損傷。

        (3)材料選型與配方設(shè)計(jì)。采用耐高溫、耐腐蝕且具有高彈性和高強(qiáng)度的復(fù)合橡膠材料,通過優(yōu)化的混煉工藝,提升橡膠的物性,確保其在極端溫度(-40° C 至120° C)和高加速度(gt;900G)下的穩(wěn)定性和密封性能。

        (4)增強(qiáng)耐疲勞性和抗老化性。通過引入抗疲勞材料和特種添加劑,提高氣門嘴在長期使用中的耐久性。新型設(shè)計(jì)還考慮了高速行駛中的振動(dòng)和應(yīng)力變化,確保產(chǎn)品在高頻振動(dòng)和壓力變化下保持完整性。

        2. 潛在優(yōu)勢

        (1)高效的氣流性能。通過優(yōu)化流體力學(xué)設(shè)計(jì),氣門嘴的氣流量提升至7.3m3/h 以上,顯著提高了充氣速度,符合快節(jié)奏的出行要求。

        (2)降低安裝難度。優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料使用使得安裝更加便捷,減少了用戶在安裝過程中的力氣消耗,同時(shí)避免了氣門嘴表面的損壞。

        (3)高溫耐受和耐疲勞性能。新型橡膠材料的應(yīng)用大大增強(qiáng)了氣門嘴在高溫、低溫以及長期高負(fù)荷環(huán)境下的穩(wěn)定性,適用于時(shí)速超過200km/h 的車輛。

        (4)更長的使用壽命。增強(qiáng)抗老化和抗疲勞特性使得氣門嘴能夠長期使用而不出現(xiàn)性能下降,進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的市場競爭力。

        三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

        為了驗(yàn)證新型TPMS 橡膠氣門嘴在不同速度條件下的性能表現(xiàn),進(jìn)行了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn),包括氣密性測試、抗壓強(qiáng)度測試以及在不同速度下的耐疲勞性評估。以下為實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析:

        (一)氣密性測試

        氣密性測試用于評估氣門嘴在不同壓力下的密封效果。測試壓力范圍為0-2.5 bar,并在不同速度條件下(200 km/h、234 km/h、250 km/h)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在標(biāo)準(zhǔn)壓力下,氣門嘴的漏氣率保持在 0.2cc/min 以下,符合設(shè)計(jì)要求。

        (二)抗壓強(qiáng)度測試

        抗壓強(qiáng)度測試評估氣門嘴在不同壓力條件下的承載能力。根據(jù)實(shí)驗(yàn),氣門嘴在900G (216 km/h) 和 1050G (234 km/h)下的抗壓強(qiáng)度均符合要求,在1200G (250 km/h) 條件下短期使用表現(xiàn)良好,無明顯變形。

        (三)疲勞測試

        疲勞測試模擬了氣門嘴在高頻使用中的耐久性,測試次數(shù)為80,000 次循環(huán)。在-20° C 至70° C 的溫度循環(huán)測試中,氣門嘴表現(xiàn)穩(wěn)定,無漏氣或表面破損,表現(xiàn)出良好的耐疲勞性能。

        (四)流量測試

        在氣門嘴的氣流量測試中,現(xiàn)行氣門嘴的氣流量為6.4m3/h,而經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后,氣門嘴的氣流量提升至7.3 m3/h,充氣效率大幅提升,滿足客戶的高效充氣要求。

        (五)氣密性、抗壓強(qiáng)度和流量測試

        通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的氣密性、抗壓強(qiáng)度和流量測試圖如下:

        這些數(shù)據(jù)圖清晰地展示了氣門嘴在不同速度和條件下的性能變化,表明新型氣門嘴在高速條件下的綜合性能明顯優(yōu)于現(xiàn)行設(shè)計(jì),具備更高的耐壓和氣密性以及更好的流量性能。

        四、討論

        從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,新型TPMS 橡膠氣門嘴在各項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)上都表現(xiàn)出了顯著的提升:

        首先,氣密性表現(xiàn)良好;即使在250 km/h 的高速度下,氣門嘴的漏氣率仍保持在1% 以內(nèi),證明新型設(shè)計(jì)在高速行駛條件下能夠確保氣體不泄漏,符合市場要求。其次,抗壓強(qiáng)度顯著提升;在不同速度下,新型氣門嘴都表現(xiàn)出極強(qiáng)的抗壓能力,特別是在1200G (250 km/h) 下短期使用時(shí)仍然維持了穩(wěn)定的強(qiáng)度。最后,流量效率大幅提高;優(yōu)化后的氣門嘴流量提升至7.3 m3/h,顯著改善了充氣效率,能夠更好地滿足客戶對快速充氣的需求。總之,新型TPMS 橡膠氣門嘴在氣密性、抗壓強(qiáng)度及流量表現(xiàn)方面都有顯著的改善,具有廣泛的市場應(yīng)用前景。

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