帶束層角度對全鋼載重子午線輪胎性能的影響

趙 龍 ，萬 同

（1.天津科技大學，天津 300457；2.銀川佳通輪胎有限公司，寧夏 銀川 750021）

近年來，我國公路建設和公路運輸快速發展，全鋼載重子午線輪胎的需求量逐年增大。目前，絕大部分長途客運汽車和相當數量的長途貨運汽車使用全鋼載重子午線輪胎。

為滿足市場需求，提高經濟效益，我公司開始研發了4層帶束層結構的全鋼載重子午線輪胎。帶束層是輪胎的重要組成部件，其設計合理性直接影響輪胎的使用壽命。本工作主要利用有限元仿真技術，研究帶束層角度變化對全鋼載重子午線輪胎性能的影響。

1 方案設計

針對12R22.5 18PR全鋼載重子午線輪胎，根據材料分布圖，通過Abaqus/CAE軟件建立輪胎二維對稱軸模型；設置胎圈與輪輞接觸對，實現輪胎的裝配和充氣工況；橡膠采用CGAX3H和CGAX4H軸對稱單元模擬；帶束層、胎體、鋼絲包布和簾線采用SFMGAX1平面膜單元模擬，鋼絲簾線與橡膠之間的作用可使用*rebar layer和*embedded element來實現；在二維模型基礎上，再使用*symmetric modelgeneration命令建立三維模型，輪輞和路面簡化為解析剛體。輪胎二維和三維有限元模型如圖1所示。

圖1 輪胎有限元模型

本工作在充氣和加載下對輪胎進行有限元仿真分析，對輪胎充氣后的接地面積、帶束層剪切應力進行討論分析。各種分析都在充氣壓力930 kPa和標準負荷3550 kg下進行。

1#帶束層鋼絲簾線結構為3 × 0 . 2 0 +6×0.35HT，密度為50根·cm-1；2#和3#帶束層鋼絲簾線結構為3+8×0.33HT，密度為45根·cm-1；4#帶束層鋼絲簾線結構為3×4×0.22HT，密度為40根·cm-1。帶束層角度方案見表1。

表1 帶束層角度方案 （°）

2 結果與討論

2.1 仿真接地分析

輪胎行駛過程中接地面積趨于矩形、接地壓力分布均勻，有利于改善輪胎的耐磨性能和抓著性能，并能有效降低輪胎使用過程中肩部應力，減少胎肩帶束層端點處的生熱，從而提高輪胎耐久性能。3種帶束層角度方案的輪胎仿真接地印痕見圖2，輪胎仿真接地尺寸見表2。

表2 輪胎仿真接地尺寸 mm

圖2 輪胎仿真接地印痕

從圖2和表2可以看出：方案1和2的輪胎接地印痕、接地面積、下沉量相近，接地壓力梯度變化不明顯；方案3的輪胎接地印痕近似橢圓，接地面積比方案1和2小，下沉量明顯減小，接地壓力梯度變化明顯。這說明隨著帶束層角度減小，輪胎剛性增大，下沉量減小，接地面積減小，接地壓力集中，有利于提高輪胎強度性能。

2.2 帶束層端點的剪切應力分析

全鋼載重子午線輪胎帶束層是輪胎主要承壓和受力部件之一，輪胎在行駛過程中帶束層端點處會受到周期性的剪切應力。根據應變能最小理論，輪胎帶束層端點應變能降低或分散有利于提高輪胎耐久性能，也就是說降低帶束層端點的剪切應力可以提高輪胎耐久性能。充氣和加載下的輪胎剪切應力分布分別見圖3和4，帶束層端點的剪切應力見表3。

從圖3和4與表3可以看出：方案1和2的帶束層端點的剪切應力接近，說明1#帶束層角度變化對帶束層端點的剪切應力影響較小；方案3的帶束層端點的剪切應力較小，說明帶束層角度整體減小會使帶束層端點的剪切應力減小。根據應變能最小理論，剪切應力減小，該部位的生熱會降低，有利于改善輪胎的耐久性能。

表3 帶束層端點的剪切應力 N

圖3 充氣下的輪胎剪切應力分布

圖4 加載下的輪胎剪切應力分布

2.3 成品輪胎性能

針對有限元仿真分析結果，采用方案1和3試制12R22.5 18PR無內胎全鋼載重子午線輪胎，并測試其耐久性能和強度性能。成品輪胎耐久性能和強度性能見表4。其中耐久性能按照GB/T 4501—2008進行，試驗條件：充氣壓力930 kPa，額定負荷3550 kg，初始行駛速度為55 km·h-1，輪胎行駛47 h后每10 h速度增大5 km·h-1，負荷率增大10%，直至輪胎破壞；強度性能按照GB/T 4501—2008進行，試驗條件：充氣壓力930 kPa，壓頭直徑38 mm，以一定速度壓入胎冠直至刺穿爆破。

從表4可以看出：方案1輪胎的耐久性能為101.2 h，方案3輪胎的耐久性能為107.5 h，2種方案輪胎的耐久性能均達到國家標準47 h的要求，其中方案3輪胎的耐久性能優于方案1輪胎；方案1輪胎的強度性能為6096.1 J，方案3輪胎的強度性能為7152.2 J，均滿足國家標準2203 J的要求，方案3輪胎的強度性能優于方案1輪胎。說明隨著帶束層角度減小，輪胎肩部剪切應力減小，生熱降低，有利于提高成品輪胎耐久性能；輪胎接地下沉量減小，有利于提高成品輪胎強度性能。

表4 成品輪胎耐久性能和強度性能

3 結論

通過有限元仿真技術，可以較準確地分析帶束層角度對全鋼載重子午線輪胎性能的影響，帶束層角度對輪胎的接地印痕和接地面積影響較大。隨著帶束層角度減小，輪胎剛性增大，下沉量減小，接地面積減小，接地壓力集中，有利于提高成品輪胎的強度性能；輪胎肩部剪切應力減小，生熱降低，有利于防止輪胎肩空，提高成品輪胎的耐久性能。但帶束層角度并不是越小越好，如果過小，會產生輪胎偏磨等問題，為追求完美的輪胎品質還需找到帶束層角度的最佳方案。