汽車輪胎平衡性的分析

楊章林

（滁州職業技術學院，安徽滁州239000）

汽車行駛是由機械和電子兩大系統的多個部件統一協調完成的。為了追求行駛的平順性，對汽車轉動部件的平衡性提出了很高的要求。汽車輪胎由于直接和地面接觸，反饋各個方面的載荷作用，它的材料結構、裝配方法、磨損及受力情況都受到平衡性的約束，因而輪胎的平衡性對汽車行駛有著重要的意義[1-2]。這里，筆者在其他因素理想化前提下，研究磨損對平衡性的影響。

1 平衡性影響因素

轉動的部件在運動過程中受諸多因素影響，會因為不平衡性而產生離心力，其計算公式如式（1）所示。

式（1）中：G為轉動部件質量（kg）；e為偏心距（mm）；w為角速度（rad∕s）；g為重力加速度（m∕s2）；F為離心力（N）。通過式（1）可知，不平衡性產生的離心力和偏心距成正比，偏心距越大，不平衡性越凸顯，易導致行駛過程中出現振動、打擺等不良現象。影響偏心距的因素很多，如材料質量、裝配誤差、磨損的不均勻性引起的形位誤差等。鑒于當前道路環境的改善和裝配技術的提高，此二因素對偏心距的影響降低，故在本文中主要分析輪胎磨損不均勻引起的不平衡性。

2 輪胎的靜態載荷分析

2.1 輪胎的結構

汽車的廣泛性用途決定了輪胎種類的繁多，常用的是子午線輪胎。子午線輪胎主要由胎冠、緩沖層、胎肩、簾布層、胎側和胎圈6個部分組成，結構如圖1所示。這種輪胎由于無內胎，完全依靠外胎密封，性能可靠。根據實際工作需要，在胎冠上面設計不同類型的花紋。簾布層結構較復雜，按照子午線形式分布，可以產生很高的強度。胎圈用于在輪輞上固定輪胎。這些部件組合起來為輪胎的順利工作提供了良好的保障。

圖1 輪胎結構

2.2 靜載荷分析

2.2.1 模型建立

輪胎的制作材料特別是簾布層的加強材料種類繁多。輪胎生產以彈性模量（E）和泊松比（v）為主要參數，同時注意材料性能的各向同性和各向異性兩個方面。計算方法如式（2）、式（3）和式（4）所示[3-4]。

各向同性計算：

各向異性計算：

利用ANSYS軟件自帶的SOLID45∕SOLID46功能對其控制單元體和控制層單元進行設立，并且設定材料屬性（MaterialModel Number 6），為了更貼近實際，需要綜合考慮材料的兩種不同性能，按照具體要求和條件，建立1∕2輪胎模型圖，如圖2所示。此處以常用的15英寸內徑子午線輪胎為對象建立模型。

圖2 1/2輪胎模型

2.2.2 施加載荷

輪胎在實際應用過程中主要承受支承方向上的力、制動狀態的摩擦力、行駛狀態的其他方向側面受力等，各種約束比較復雜。為了便于分析，筆者選擇豎直方向上的載荷，并且以剛性接觸環境進行模擬。在選擇汽車輪胎的胎壓時，需要結合汽車載荷和速度兩大參數。根據胎壓，可以將目前常用的汽車輪胎分為三種：大型工具車的超低壓胎、常見的低壓胎和特殊用途的高壓胎。其中，低壓胎的氣壓值為0.2-0.5MPa，這是一個優良的范圍，因為在該范圍內輪胎的很多性能如彈性、散熱性和緩和振動性等均有良好體現。本研究中將胎壓確定為0.22MPa，為了便于體現結果，對其他因素進行理想化。在前述建立的模型基礎上，模擬均布載荷的施加（如圖3）。載荷方向為徑向，從輪胎內部作用出來，為方便顯示以紅色網格線進行表達。

圖3 施加載荷

2.2.3 結果分析

給予豎直方向上載荷后，由于地面反饋的反向力導致輪胎的不同部位承受壓力明顯有異，外形在橫向和縱向上有了明顯變化，其壓力變形如圖4所示。

圖4 輪胎變形圖

根據圖4，我們不難發現其變形是不規則的，整個區域呈扁平化，中間部分是胎面，接地部分是胎冠，面積較大，壓力也最大，所以變形量較大，與地面之間的摩擦最大，因其上附胎紋緩和沖擊，且能提供較高的抓地力。胎紋因摩擦力的增大會進一步加劇材料的磨損程度，又因材料磨損的不均勻性進一步加劇了偏心距，此時對稱位置的失圓性成了不平衡的誘因。各種不同工況也成為改變胎面磨損率的推手。再看兩邊的胎肩和胎側部分，這些部位也成為變形較明顯的地方。汽車實際行駛中會隨著路況的變化而出現載荷的波動，隨之而來的是周期性的交變變形。輪胎變形的不規則性對輪胎外部磨損量及其偏心距的實時產生都有重要影響。另外，從微觀角度看，需要再從應力方面進行分析（如圖5）。

圖5 應力圖

在圖5中可以看出，整個輪胎的應力分布具有規則性，相對均勻，從中間開始呈放射性增大，到胎側中間部分發生逆向變化，再往上又開始縮小。對應工作情況，可以明顯看出胎側受到最大的應力，結合變形情況可知任意截面的失圓率都在變化。胎側由于受到交變應力的影響，容易出現失效，同時在變形影響下胎側外鼓，這對本身就比較柔軟的胎側影響甚大。不同部位由于所受應力不一致，在工作中如果再考慮材料因素，不難發現不同部位的磨損情況不同。這些因素容易導致輪胎偏心距產生并變大，在輪胎制造過程中務必充分注意這些問題。

3 結論

通過上述分析可以發現，在單獨進行豎直載荷作用時，輪胎各個部位的變形和所受應力的變化與輪胎因磨損而產生的偏心距之間有直接關系。輪胎的不平衡性影響汽車的正常行駛。利用ANSYS軟件分析，得出為解決輪胎不平衡性問題而需要在材料耐磨性方面做出更多研究的結論。