基于帶束層簾線(xiàn)模型的輪胎靜態(tài)接地印痕仿真精度提升研究

張偉偉，孫世悅，傅相誠(chéng)，任 帥

[浦林成山（青島）工業(yè)研究設(shè)計(jì)有限公司，山東 青島 266042]

輪胎接地印痕仿真方法已經(jīng)在輪胎行業(yè)普遍應(yīng)用，但在實(shí)際仿真預(yù)測(cè)中偶有出現(xiàn)接地印痕仿真形狀與實(shí)測(cè)形狀不一致的情況[1-2]。對(duì)大量的輪胎接地印痕仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，具有1層冠帶層結(jié)構(gòu)的半鋼子午線(xiàn)輪胎接地印痕仿真精度普遍較低[3]。

帶束層是子午線(xiàn)輪胎的核心部件，起著箍緊胎體、承受周向拉力和提高輪胎穩(wěn)定性的作用[4-7]。在輪胎生產(chǎn)過(guò)程中，帶束層簾線(xiàn)間距會(huì)發(fā)生變化，成品輪胎帶束層簾線(xiàn)角度與其裁斷角度也有明顯差異，這會(huì)導(dǎo)致仿真結(jié)果不準(zhǔn)確，尤其是1層冠帶層的情況更為明顯。輪胎冠帶層主要有以下作用：（1）保護(hù)帶束層并保持其完整性；（2）防止輪胎尺寸變大；（3）提高輪胎速度等級(jí)。相對(duì)于2層冠帶層輪胎，只有1層冠帶層的輪胎會(huì)削弱肩部帶束層的作用，導(dǎo)致成品輪胎帶束層簾線(xiàn)間距和角度變化較大，對(duì)接地印痕仿真結(jié)果的精確性影響較大。

本工作主要研究1層冠帶層輪胎接地印痕仿真精確度的提升方法。

1 輪胎接地印痕形狀定義

采用輪胎接地印痕仿真值與試驗(yàn)值的接近程度，即形狀參數(shù)（Cs）來(lái)定量描述接地印痕形狀[8]：

式中：LX為接地印痕中心長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度，mm；LI和LO分別為接地印痕內(nèi)、外側(cè)80%短軸寬處的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度，mm。

Cs用于表征接地印痕形狀的矩形率，Cs越接近于1，接地印痕形狀越接近于矩形；當(dāng)Cs小于1時(shí)，其值越小，接地印痕形狀越接近蝴蝶形；當(dāng)Cs大于1時(shí)，其值越大，接地印痕形狀越接近橢圓形[9-10]。3種不同形狀輪胎接地印痕形狀如圖1所示。

圖1 輪胎接地印痕形狀示意

2 帶束層簾線(xiàn)間距和角度在輪胎斷面中的分布

由于1層冠帶層輪胎胎肩部位帶束層的約束作用減弱，成品輪胎簾線(xiàn)間距和角度與設(shè)計(jì)值相比都會(huì)發(fā)生變化。輪胎接地印痕仿真中簾線(xiàn)-橡膠復(fù)合材料用rebar-layer模型定義鋼絲簾線(xiàn)角度、簾線(xiàn)間距、單根鋼絲截面積等參數(shù)，通過(guò)提升簾線(xiàn)角度和簾線(xiàn)間距參數(shù)精度，使其更接近實(shí)際值，以提高仿真精度。

2.1 簾線(xiàn)間距

1層冠帶層185/65R14輪胎斷面如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，與冠部位置相比，越靠近肩部簾線(xiàn)間距越大，這是由于帶束層膨脹的邊緣效應(yīng)導(dǎo)致幾何參數(shù)變化[4]。測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，肩段膨脹增大的帶束層簾線(xiàn)間距約為初始設(shè)定值的3倍。

圖2 1層冠帶層輪胎斷面

2.2 簾線(xiàn)角度

用電阻法找到同一根帶束層簾線(xiàn)的2個(gè)端點(diǎn)，即用萬(wàn)用表黑表筆將斷面最外側(cè)的一根簾線(xiàn)端點(diǎn)固定，用紅表筆分別觸碰斷面另一側(cè)的簾線(xiàn)端點(diǎn)，直至萬(wàn)用表顯示屏顯示非零數(shù)值，此時(shí)代表電路是通路，兩個(gè)端點(diǎn)即為同一根簾線(xiàn)的2個(gè)端點(diǎn)。將2個(gè)端點(diǎn)連接畫(huà)一條直線(xiàn)，用半圓形量角器測(cè)量該直線(xiàn)與輪胎橫向中心線(xiàn)的角度，見(jiàn)圖3。

圖3 電阻法測(cè)定簾線(xiàn)角度

將帶束層簾線(xiàn)分為3段（見(jiàn)圖4），由測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，從胎冠中心到肩部位置，成品輪胎帶束層簾線(xiàn)角度并不是成型裁斷角度，該規(guī)格輪胎帶束層裁斷角度為24°，而實(shí)際簾線(xiàn)角度變化較大（見(jiàn)表1）。

圖4 帶束層簾線(xiàn)分段示意

表1 帶束層分3段測(cè)量簾線(xiàn)角度結(jié)果 （°）

充氣后輪胎帶束層簾線(xiàn)角度變化復(fù)雜，靠近邊緣部位無(wú)法測(cè)得肩部簾線(xiàn)角度，但可以確定的是因缺少帶束層的約束，越靠近肩部簾線(xiàn)角度越大，因此可以根據(jù)冠段與中段的簾線(xiàn)角度差級(jí)外推肩段簾線(xiàn)角度。

3 仿真分析帶束層簾線(xiàn)間距和角度的修正

195/60R16，185/65R14，165/70R14 和225/60R16輪胎帶束層裁斷角度均為24°，且均為1層冠帶層設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)其仿真模型中帶束層簾線(xiàn)間距和角度參數(shù)進(jìn)行修正，分別探討帶束層肩段簾線(xiàn)間距增大2倍和帶束層簾線(xiàn)角度修正后的接地印痕仿真精度。

3.1 帶束層肩段簾線(xiàn)間距增大2倍

將肩段帶束層簾線(xiàn)間距增大2倍，4個(gè)規(guī)格輪胎接地印痕仿真精度見(jiàn)表2。

表2 帶束層肩段簾線(xiàn)間距修正前后Cs對(duì)比

由表2可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)肩段帶束層簾線(xiàn)間距增大2倍的修正后，輪胎接地印痕仿真精度有所提高，但195/60R16和185/65R14輪胎接地印痕仿真形狀仍為蝴蝶形，與試驗(yàn)形狀不同。因此，仿真時(shí)帶束層肩段簾線(xiàn)間距修正雖能提升接地印痕仿真精度但不顯著，簾線(xiàn)間距不是影響接地印痕仿真精度的主要因素。

3.2 帶束層簾線(xiàn)角度修正

根據(jù)1#帶束層中段簾線(xiàn)角度（26°）和冠段簾線(xiàn)角度（22°）之間的差級(jí)將肩段簾線(xiàn)角度修正為30°。

帶束層簾線(xiàn)角度修正后4個(gè)規(guī)格輪胎接地印痕仿真精度見(jiàn)表3。

表3 帶束層簾線(xiàn)角度修正前后Cs對(duì)比

由表3可得，帶束層簾線(xiàn)角度的分段定義對(duì)1層冠帶層結(jié)構(gòu)的輪胎接地印痕形狀影響顯著，帶束層角度修正后，1層冠帶層輪胎接地印痕仿真精度由93%提升到97%以上，其中195/60R16和185/65R14輪胎經(jīng)帶束層簾線(xiàn)角度修正后接地印痕仿真形狀也由橢圓形變成蝴蝶形，與試驗(yàn)形狀一致。這說(shuō)明帶束層簾線(xiàn)角度是影響接地印痕仿真精度的主要因素，設(shè)定合理的修正值，修正后仿真精度滿(mǎn)足分析要求。

4 推廣驗(yàn)證

將以上有限元仿真模型修正方法應(yīng)用于215/65R16 HT1輪胎仿真，該規(guī)格為1層冠帶層結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)帶束層簾線(xiàn)角度為27°，將帶束層的冠段、中段、肩段簾線(xiàn)角度分別修正為25°，28°和31°，修正前后輪胎接地印痕形狀對(duì)比見(jiàn)圖5。

圖5 修正前后輪胎接地印痕形狀對(duì)比

215/65R16 HT1輪胎試驗(yàn)、修正前仿真和修正后仿真的Cs分別為1.00，1.09和1.02。經(jīng)修正，輪胎接地印痕仿真精度提升了6.4%，仿真精度為98%，但是接地印痕形狀較試驗(yàn)形狀還略有差異，不同裁斷角度的帶束層簾線(xiàn)角度變化復(fù)雜，還需進(jìn)行更深一步的理論探究。

5 結(jié)論

（1）具有1層冠帶層結(jié)構(gòu)的半鋼子午線(xiàn)輪胎由于冠帶層功能弱化導(dǎo)致帶束層約束能力下降，從而導(dǎo)致輪胎的實(shí)際帶束層簾線(xiàn)角度與裁斷角度不同。

（2）經(jīng)過(guò)帶束層肩段簾線(xiàn)間距增大的模型參數(shù)修正，輪胎接地印痕有限元仿真精度有所提升，但不顯著。

（3）將帶束層分為3段定義，經(jīng)過(guò)帶束層簾線(xiàn)肩部角度增大的模型參數(shù)修正，可有效提升輪胎接地印痕仿真精度。

對(duì)于具有不同帶束層裁斷角度的輪胎，成品輪胎帶束層簾線(xiàn)角度變化規(guī)律尚不統(tǒng)一，如何獲得準(zhǔn)確的修正公式有待進(jìn)一步研究。