高性能橡膠輪胎結構創新設計研究

陳 寧

（青島市產品質量檢驗研究院，山東 青島 266100）

輪胎作為車輛的重要組成部分，它的作用是承擔起車輛的自重、牽引力、制動力和轉向，并能有效地消除路面上的顛簸。沒有了輪胎的牽引力，引擎的功率、車身的剛度、懸吊的質量以及空氣動力學的優勢，都是徒勞的。

隨著全球經濟的快速發展，汽車輪胎的需求量越來越大，在低碳、綠色、高效、環保等理念的引導下，汽車輪胎的研制越來越受到重視，而新輪胎的性能和結構的優化也成了汽車輪胎研究的重點。針對輪胎生產中常見的問題，如輪胎截面外形畸變、滾動阻力大、磨損嚴重等問題，研究者大都以開發新的輪胎橡膠為目標，很難將精力集中在開發新的輪胎和輪胎的結構上，以改善現有的輪胎結構及使用狀態。

1 三角平衡輪廓結構設計

1.1 三角平衡輪廓結構的設計

為克服常規輪胎外形畸變和滾動阻力大的缺點，文章在對傳統輪胎外形進行分析的前提下，建立了一種新的輪胎三邊均衡輪廓——三角平衡輪廓。主要針對以下四方面對輪胎輪廓結構進行設計及優化：

①增加橫截面橫向軸距輪胎的自由位置；②降低輪胎側面粘合劑和肩粘合劑的厚度，以改善新型外形的熱輻射；③縮短輪胎接縫的寬度；④內側面密封層和胎肩連接處，以更改胎體內部外形的構造。

圖1、圖2顯示了三角平衡輪廓胎外形的剖面剖視圖。從圖1、圖2中可以看出，三角平衡輪廓在其處于其自由位置時，胎冠部分和胎側處所涵蓋的胎體層的外形是三角形的，而與常規的外形胎胎體層的三角形相比，該三角形的外形胎面的角值要大得多。在該三角形對稱型胎的內部外形經受了一個標準的膨脹壓力條件，該軸承坐落在胎肩和胎側的內側表面上的一個支座會繼續被膨脹的氣壓所壓，從而使該被壓住的支撐塊在一個時刻對著胎頂和胎冠進行連續的加壓，致使胎冠部分在張力的影響下沿著胎面的側向被拉伸，而在這個時候，胎冠部分的胎體簾線是高度緊張的。總體上改善了胎冠和胎面的剛性，使胎體層剖面在滾動時不發生變化，胎體截面形狀呈現出一種穩定的等腰三角形狀，從而改善了車輛的行駛穩定性。

圖1 傳統輪廓輪胎

圖2 三角平衡輪廓輪胎

高強度支撐體：

在三角平衡輪廓在正常的氣壓條件下，由支座與氣壓兩種載荷作用在一起；當三角形均衡型輪胎被刺穿或爆胎時，它不需要借助氣壓來支持汽車，而是需要一個獨立的支架來支持汽車，所以它就像是老虎的翅膀一樣，可以極大地提升汽車的安全性。支承塊不僅可以改善輪胎的側向剛度，也可以改善輪胎的抗磨損能力，還可以減少輪胎表面的磨損，減少輪胎表面的磨損。為減少胎面的變形，減少胎面的滾動阻力，改善胎面和胎面的總體剛性，可以使胎面下沉、增加徑向剛性、減少翻滾力臂、保持真實的圓形，達到減少輪胎的滾動阻力。

1.2 三角平衡輪廓結構的模型

利用 ABAQUS，建立了一個三角平衡輪廓結構幾何模型，并將二維軸對稱的三維空間進行分割。通過對側向溝槽進行簡單的分析，以了解車體外形對地面和機械特性的作用。在此基礎上，通過“SYMMETRIC MODEL GENERATION”的方法，通過優化三角平衡輪廓外形的接地部分的網格進行細化，并圍繞著該軸360度的平面軸對稱模型進行360度的三維 FEM建模。在三維有限元分析中，將輪緣與地表作為分析的剛性體（如圖3、圖4所示）。

圖3 輪胎二維斷面模型

圖4 輪胎三維有限元模型

1.3 輪胎的各個載荷工況

①在輪胎的充氣狀態：將0.29 MPa的負載加到與輪胎氣密層相垂直的內部表面上。②在靜載條件下，為便于收斂，首先將剛體的輪緣緊固，再將垂直向上的偏移作用在路面上，從而與胎面產生一定的垂直向上的變形，最終將垂直向下的標準負載5 520 N加到路面。③輪胎驅動、制動和自由翻轉狀態：整個輪胎以10 km/h的速度運行。同時，使車輪的轉動角度從7 rad/s增加到9 rad/s。④輪胎側傾翻轉狀態：以10 km/h的車胎運行速率為基準，使其側面偏轉角度從0°開始。增加到8°，造成它的側面傾斜。⑤車輪側向和側向組合滾動狀態：側向和側向角度各為4°還有8°輪胎的運行速率是10 km/h、30 km/h、60 km/h和90 km/h。

1.4 模型驗證

兩種輪胎在室溫下，充氣壓力為0.22 Mpa，負載5 650 N，兩者進行了比較。基于常規的三維幾何形狀的模擬結果與實測數據相比，其計算結果與實測數據的偏差比較少，在7%以內，二者吻合程度比較好，滿足了工程應用的需要。在同樣的探測情況下，三角平衡輪廓輪胎的表面印記區域要比常規型的要小得多，說明三角平衡輪廓可以減少滾動阻力（如表1所示）。

表1 三角平衡輪廓輪胎模型驗證分析結果

2 子午斜交胎體結構

2.1 子午斜交胎體結構的設計

子午斜交胎面結構的設計是根據其骨架材質的受力特性而進行的，采用一家公司的255/30R22型低平度的子午胎作為參照，進行了胎面的結構設計，比較了不同胎面的胎面尺寸、乘坐性能和使用的安全性。圖5為子午輪胎的胎面構造示意圖，在該剖面上，所述兩個胎體層的布簾的方位是沿子午線的。文章介紹一種用于改進胎面上的斜交式胎面形狀，以改善地面壓強的均勻性，防止車胎橫截面變形，文章介紹一種具有二層胎體層的胎面構造的子午線，以使胎面的胎面構造彼此平行重疊，與斜交式胎體結構比較，子午斜交胎體的胎面更容易獲得較小的平整度，從而提高了汽車的高速和操縱穩定性，同時也克服了斜交胎在行駛速度和持續行駛里程上難以攻克的難題。兩層胎體層在胎邊內側的布簾與子午線之間存在著某種角度，從而形成了一種交錯的層疊式，從而提高了胎面的受力和操縱性能，避免了在缺少空氣的情況下發生胎面的重復彎曲，造成胎面溫度升高，或者是燒損。子午斜交胎在胎冠部位的構造與其基本相同，而其承載著軸向的壓力，所以采用了該結構來實現對子午線的箍緊。

圖5 子午斜交胎體結構示意圖

2.2 子午斜交胎體結構的模型

采用 Abaqus有限元分析程序，設計了255/30R22的子午斜交輪胎，并在此基礎上，采用了9 J型的標準輪胎進行計算。該系統通過Eh-維模式的轉動生成3D模式，在橡膠部件上使用CGAX3H和CGAX4H，在簾線上使用 SFMGAXl，在圖6中顯示。

圖6 子午斜交胎體結構的模型

2.3 載荷工況

①膨脹狀態：將均勻負載從0～29 MPa的均勻負載施加到總是與輪胎氣密層相垂直的內部表面。②靜態負載狀態：首先對車輪進行完全的限制，再在垂直方向上對地表進行5 520 N的荷載。③側傾翻轉狀態：車輪以10 km/h的時速運行，且側傾角度0.8°。

2.4 模型驗證

在實驗中，采用了模擬計算的方法，模擬結果與實測數據進行了比較，結果表明，模擬結果與實測結果相差6%，符合實際情況，可以應用到實際生產中。

文章采用 Tekscan壓力分布儀對255/30R22輪胎進行了試驗，以驗證其正確性。通過對255/30R22輪胎的地壓進行了有限元模擬，并與實測值進行了比較，得出了兩者之間的比較。

2.5 接地印痕及接地壓力分布

采用兩種胎面構造的輪胎進行地面試驗，比較了兩種胎面構造情況下的地面特性。研究了兩種胎面構造條件下，輪胎在地面上的壓強和地線印記。輪胎的“花瓶型”接地印記，胎面和胎肩部承受的地面壓力很大，在正常工作時容易造成軸肩的磨損；子午斜交胎的“橢圓形”形貌，使其在地面上的平均地壓均勻度有了顯著提高，接地線上的凹槽也更加合理，從而防止了“花瓶型”的“凹槽”，同時也使輪胎的耐磨性有了顯著的提高。分析認為，由于子午線斜向胎體的構造可以改善胎側剛度，并可有效抑制軸肩的畸變，將多余的軸心向胎面中心位置傳遞，有效減少了胎肩的負荷，改善了胎面的抗磨性和壽命。

2.6 胎體簾線鋪設角度對骨架材料的影響

胎面是一種受力的構造，它是幾層簾布和胎環，它們的作用是相互配合的，通過對不同的胎面簾線層的搭接角度進行分析，得出不同的胎面布簾的傾角分別為45°、60°以及75°。同時，還進行了對斜交輪胎的力學性能的比較。子午斜線胎面構造中，胎面胎面的簾線傾角逐漸增加，同時，胎面上的繩索和繩索的張力也相應降低，降低的程度也比較小，而胎面上帶束端部位置的應力也相應增加，并且增加的程度也比較高。為保持胎體層截面形狀比較平穩，帶束層會持續地約束著已發生畸變的胎體層，使其在輪胎軸頸處受到的應力持續增加。

2.7 骨架材料受力分析

而在輪胎外包結點的脫層、帶束層末端的脫層和在胎肩部位的脫層都比較容易造成結構材料的破壞，其破壞的主要因素是橡膠和橡膠的交界破壞，所以對其進行力學特性的分析非常必要。與子午胎相比，子午斜交胎在側向上的應力分布較為均勻，軸心處總體上的應力比較大，而靠近帶束末端的第一胎體層簾線的應力小，第二胎體層簾線的張力大，這與子午胎體層簾線的受力正好是反向的。經午斜交胎的束層簾線在胎面中心處的應力值，在軸心處偏高，并在帶束末端處產生了較大的應力，表明該胎面形成縱橫層重疊的胎面構造，能有效地加強胎側的剛度，并能更好的減輕胎面和胎肩處的畸變，改善接地印的形態，使其印跡的形態更為合理，使其具有更好的操縱能力。

3 結語

文章分別從輪胎輪廓結構設計方面、輪胎骨架材料結構設計方面和輪胎骨架結構設計方面提出了2種新型輪胎結構——三角平衡輪廓輪胎、子午斜交輪胎，利用有限元軟件ABAQUS對這2種新型結構輪胎與其相對應的同規格的傳統結構輪胎在各個復雜工況下的力學性能、接地性能和操控性能進行分析評價，并應用分析結果指導實際輪胎結構的設計，為今后新型輪胎結構設計和優化提供一定的參考依據。