全鋼載重子午線輪胎斷面寬選擇技術分析

姚斌　金寅德

摘 要：輪胎冠部是全鋼載重子午線輪胎的重要組成部分，它不僅影響整車性能，也與其使用壽命密切相關。合理的斷面寬的選擇，將影響輪胎充氣后輪廓的變形，進而對輪胎的使用性能產生影響。本文將選定一個系列的全鋼載重子午線輪胎作為研究對象，根據國標中給定的斷面寬，分成若干個方案，在保持輪胎的行駛面寬度和外直徑不變的情況下，通過有限元分析技術和輪廓變形最小理論分析，對方案的結果進行評定，并通過相關實驗，進行驗證，最后，將分析結果通過MATLAB軟件，擬合出全鋼載重子午線輪胎斷面寬與斷面寬度變形量之間的理論公式。通過本文的研究，能給輪胎設計工作者提供一個設計參考，從而大大提升輪胎制造企業的設計效率。

關鍵詞：全鋼載重子午線輪胎 斷面寬 有限元 設計

1 前言

作為汽車的重要組成部件，輪胎是汽車車身與路面連接的唯一部件，起著支承負荷、向地面傳遞動力、驅動力和轉向力并承擔緩沖減震等作用。汽車依靠輪胎支承在路面上，但直接與路面接觸的卻是輪胎胎冠。輪胎冠部是全鋼載重子午線輪胎的重要組成部分，它不僅影響整車性能，也與其使用壽命密切相關。汽車在正常行駛時，在胎面和路面間切向力的作用下，輪胎冠部能產生較大的切向彈性變形，若切向力增加，切向變形隨之增大，接觸面的“摩擦作用”也就隨之增強，進而抑制了胎面與路面打滑趨勢。研究表明，影響胎面和路面間摩擦力的因素還包括有這兩面間的粘著作用、分子引力作用以及路面小尺寸微凸體對胎面的微切削作用等，但是，起主要作用的仍是冠部變形引起花紋塊的彈性變形，而引起花紋塊變形的其中一個重要因素就是輪胎的斷面寬處的變形。斷面寬是指輪胎在正常行駛時與路面的接觸面的寬度，由于全鋼載重子午線輪胎是橡膠和骨架材料的復合體，在行駛過程中，會產生斷面寬度周期性的變化，從而引起周期性的應力和應變，這就是全鋼載重子午線輪胎疲勞損壞的主要原因。

全鋼載重子午線輪胎斷面寬的選擇與行駛面寬、著和寬度及外直徑有直接的關系，合理的斷面寬的選擇，將影響輪胎充氣后輪廓的變形，進而對輪胎的使用性能產生影響，如：耐久和胎圈耐久性能、輪胎的舒適性能、輪胎的噪音和滾動阻力性能、整車油耗等。

目前，國外對全鋼載重子午線輪胎斷面寬的設計技術的研究成果，很少見于可查文獻;而國內輪胎公司或相應的高校，對該方面的研究也少之又少。國內針對TBR輪胎其最佳斷面寬的選定，仍停留在經驗階段，一般的做法就是從國標或從歐標（ETRTO）中選擇一個數值，至于數值的合理性研究幾乎是沒有的，這就迫切需要對選定的斷面寬數值進行相關的研究工作，從而能夠給輪胎設計工作者提供一個相對合理的參考，讓輪胎斷面寬的設計不再只從經驗出發，而是有了合理可行的理論支撐，從而可以有效提高全鋼載重子午線輪胎的使用壽命并降低故障率，即可為輪胎制造企業節約成本，又可以使整車在行駛過程中降低能源消耗，減少污染。

2 全鋼載重子午線輪胎斷面寬有限元分析模型建立

全鋼載重子午線輪胎是復雜的橡膠-鋼絲復合體，由多種部件組成，所以在對其斷面寬進行有限元分析時，單純的橡膠部件如胎冠、三角膠、胎肩墊膠采用泊松比較大的彈性材料模型;單純的鋼絲部件如鋼絲圈因為是不易變形體，計算時則采用剛體模型;對于橡膠-鋼絲簾線復合材料如胎體簾布和帶束層、鋼包部件，采用目前公認的rebar嵌入式模型來進行模擬分析，且胎體層和帶束層要單獨建模，設定帶束層和胎體層接觸面之間無滑動。

在結構設計方面，影響全鋼載重子午線輪胎冠部變形因素較多，如冠部弧度尺寸設計、行駛面寬度選擇、斷面寬度參數選擇等，但本文只研究斷面寬度對全鋼載重子午線輪胎充氣變形輪廓的影響，因此建立模型時，假設在其他參數相同，僅有斷面寬度參數不同。

建模選取295/75R22.5規格全鋼子午線輪胎作為研究對象，改變斷面寬度的選擇參數，其余所有設計參數都相同，從而減少計算結果中其他因素的影響。采用6個方案進行對比有限元分析，方案參數的選擇根據GB/T 29977標準和ETRTO歐洲輪胎設計標準，在保證輪胎的斷面寬度不脫離標準的情況下選擇盡可能多的斷面寬參數，具體方案設計參數如表1所示。

根據方案中輪胎的材料分布，采用TYBAS軟件進行前處理的網格劃分。在進行網格劃分時，將計算的重點輪胎的冠部，網格劃分的精密一些，而其他部分的網格劃分相對稀疏。網格劃分的質量非常重要，直接影響著有限元計算結果收斂與否。因此進行網格劃分時，在保證網格質量的情況下，盡量不要出現三角形單元，如果不可避免出現三角形單元，也要盡量避免邊長比例大的三角形單元，即使是四邊形單元也應遵循長寬比值不能超過3的原則，否則容易增加計算的難度，從而影響分析計算的時間和速度。

將胎體單元和帶束層單元看作rebar嵌入單元，并且在前處理軟件中對單元進行屬性賦值，設定好一切邊界條件，為了減少計算的誤差，在上述6個方案模型建立的時候，盡量保持網格數量和形狀不做變化，前處理網格劃分示意圖如圖1所示。

本文全鋼載重子午線輪胎斷面寬有限元分析模型建立的工況均為標準氣壓和標準負荷的情況下的輪胎變形情況。

3 斷面寬有限元計算結果分析

通過有限元分析軟件ABAQUS，對方案中劃分好網格模型，進行有限元分析計算，計算結果如表2所示。根據表2中6種方案的對比數據可知，方案4選擇的斷面寬的輪胎變形綜合性能最好，且接地印痕系數最高，接地印痕系數代表接地印痕形狀與矩形的接近程度，系數越高代表輪胎的冠部接地受力月均勻。

根據有限元計算結果，將295/75R22.5輪胎選取方案3、4、5進行實際輪胎的成型，并進行6個月的裝車路試，路試結果顯示，方案4的輪胎無論是在磨耗方面，還是改善輪胎冠部的異常磨損方面都有明顯的優勢。

因此，斷面寬決定輪胎的上胎側弧和下胎側弧的值，上胎側弧度和下胎側弧度直接影響冠部弧度的充氣變形。合理的斷面寬的選擇，將影響輪胎充氣后輪廓的變形，進而對輪胎的使用性能產生影響。

4 斷面寬函數擬合

根據有限元分析及路試結果，選取方案4中的相關數據，將分析結果通過MATLAB軟件，擬合出全鋼載重子午線輪胎斷面寬與斷面寬度變形量之間的理論公式，如下所示。

5 結語

全鋼載重子午線輪胎價格較高，輪胎的前期溝裂會對用戶產生較大的經濟損失，影響輪胎公司對產品的銷售情況，所以迫切需要通過改進輪胎的設計參數，從而改善輪胎的冠部變形，達到改變輪胎溝底裂現象的目的。由于目前國內輪胎公司或相應的高校，對于全鋼載重子午線輪胎斷面寬選定技術的空白，如將本論文研究結果應用到實際輪胎的設計中，能給輪胎設計工作者提供一個相對精確的參考，可以大大提升輪胎制造企業的設計效率，讓輪胎斷面寬的設計不再只從經驗出發，從而有了理論的支撐，避免僅憑經驗設計而產生的諸多失誤，為企業節約設計成本，為客戶節約投入成本，為國家節約資源。

但同時由于全鋼載重子午線輪胎是一個復雜的橡膠-鋼絲復合件，輪胎的使用性能受多種設計參數的共同影響，僅僅研究斷面寬度的選擇對輪胎的性能影響還是具有一定的局限性。

基金項目：2020年浙江省教育廳一般科研項目“全鋼載重子午線輪胎斷面寬設計技術開發”（Y202043272）。

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