基于有限元分析的輪胎胎圈耐久性能優化

楊嬌嬌，張建浩，張永鋒

[浦林成山（青島）工業研究設計有限公司，山東 青島 266042]

胎圈是輪胎主要的受力部件之一，對輪胎的承載性能具有重要作用。輪胎胎圈部位材料分布較多且受力復雜，在車輛行駛過程中，胎圈會受到較高頻率力的作用，尤其在重載條件下，極易造成胎圈裂口、脫層。此外，在輪胎使用過程中，熱氧老化也會降低材料的耐疲勞性能，縮短輪胎使用壽命[1]。因此胎圈部位材料分布的優化對提高輪胎的耐久性能具有重要意義。

我公司新開發的175/70R14半鋼子午線輪胎在重載耐久性試驗條件下出現胎圈裂口現象，未達到內控標準要求。通過斷面剖析發現，裂口部位均在胎體簾布反包端點處，如圖1所示。經分析，產生裂口的原因為應力性破壞而非熱學破壞。針對此問題，本工作從胎體簾布反包端點的受力出發，分析胎圈裂口的原因。

圖1 胎圈破壞位置

1 有限元仿真分析

1.1 模型建立

為保證分析的準確性，復原輪胎斷面得到有限元分析的材料分布圖，使用Abaqus有限元分析軟件進行輪胎的充氣和加載狀態分析[2]。根據輪胎材料及各部件的力學特性，選用Yeoh本構模型對橡膠材料進行描述，胎體、帶束層以及冠帶結構選用Rebar單元定義[3-5]。本研究對象為胎圈部位，故忽略了胎面幾何形狀，模型只考慮輪胎花紋縱溝，簡化了花紋的橫溝和細小鋼片，有限元模型見圖2。

圖2 輪胎網格模型

1.2 可靠性驗證

結合輪胎橡膠和骨架材料的有限元模型與原始方案的材料分布圖，對原始方案進行有限元分析，充氣壓力為250 kPa，徑向負荷為4 900 N。輪胎接地印痕仿真和試驗結果如圖3所示。

由圖3可見，仿真與實測接地印痕的長軸均為1 650 mm，短軸分別為1 240和1 265 mm，仿真結果與實測結果基本一致，也驗證了仿真模型的可靠性。

圖3 原始方案仿真和實測接地印痕

1.3 耐久性能分析

根據輪胎有限元模型，對原始方案進行重載條件下的仿真分析，充氣壓力為250 kPa，徑向負荷為7 350 N。根據輪胎破壞情況，分析胎體反包端點的簾線張力和應變能分布情況。

原始方案胎體反包簾線張力的分布情況如圖4所示。

由圖4可以看出，反包端點部位簾線張力在充氣和負荷狀態下的差值為1.48 N。在輪胎滾動過程中，胎體簾布反包端點區域會受到周期性的作用力，端點部位的橡膠在周期性作用力下會發生疲勞破壞，因此需要降低胎體簾布反包端點處的張力差值。

圖4 原始方案胎體反包簾線張力分布

原始方案胎圈部位應變能分布情況如圖5所示。

從圖5可以看出，胎體反包端點處應變能明顯高于周圍部分，因此將胎體簾布反包端點處應變能作為評價輪胎耐久性能的一個指標。

圖5 原始方案胎圈部位的應變能

2 改進方案

根據以上分析可知，胎體簾布反包端點處應力和應變能較大，因此推斷增大胎體簾布反包端點高度能夠改善胎圈裂口現象。原始方案的胎體簾布反包高度為40 mm，改進方案將反包端點上移15 mm，建立與原始方案相同工況的仿真模型，并進行有限元分析。

2.1 簾線張力

改進方案胎體反包簾線張力分布結果如圖6所示。

由圖6可以看出，改進方案胎體簾布反包端點處充氣和負荷狀態下的簾線張力差值為0.31 N，比原始方案降低了79%，反包端點處的受力狀態得到明顯改善。

圖6 改進方案胎體反包簾線張力分布

2.2 胎圈部位應變能

改進前后胎圈部位的應變能分布對比如圖7所示。

由圖7可以看出，改進方案胎圈部位應變能分布的均勻性明顯改善，原始方案反包端點應變能達到0.032 mJ，改進方案相同部位應變能為0.008 mJ，應變能明顯減小。

圖7 胎圈部位應變能分布對比

2.3 成品性能

根據以上分析結果，對原始方案進行施工調整，對改進前后的成品輪胎進行耐久性及其他相關性能測試，結果見表1。

由表1可見，改進方案輪胎的耐久性能比原始方案輪胎提高35%，達到改進目標。

表1 改進前后成品輪胎性能對比

3 結語

針對輪胎胎圈部位裂口問題，建立有限元仿真模型，分析胎圈部位簾線張力和應變能分布情況，探討胎圈破壞機理。研究結果表明，增大胎體簾布反包端點高度，使胎體簾布反包端點避開胎圈應力集中區，能夠有效改善胎圈裂口問題，仿真結果與試驗結果相吻合，達到了改進目標。也進一步說明利用有限元分析的方法指導輪胎性能優化，能夠縮短新產品的研發周期、降低研發成本。