帶束層參數與全鋼輕型載重子午線輪胎性能相關性的研究

侯緒國，馬永祿，張曉軍

（1.賽輪集團股份有限公司，山東 青島 266550；2.青島市黃島區檢驗檢測中心，山東 青島 266550）

隨著我國高速公路網絡的完善，長途運輸發展迅速，解決了城際間的貨物運輸問題，但是市區內最后一公里的短途運輸問題日益凸顯，輕型載重汽車保有量日益增加，對輕型載重輪胎的需求量明顯增大[1-4]。為了提升輕型載重輪胎性能，滿足市場需求，本工作選取市場需求量較大的全鋼輕型載重子午線輪胎，對影響其性能的相關因素進行研究。

1 常見帶束層角度和排列方向

全鋼子午線輪胎的帶束層通常有0°帶束層結構和4層帶束層結構，主要用于載重汽車輪胎[5-7]。而全鋼輕型載重子午線輪胎為了降低自身質量，帶束層一般采用2或3層[8-9]；其中，3層帶束層結構通常在0°帶束層結構的基礎上去掉0°帶束層（簡稱情況1）或在4層帶束層結構的基礎上去掉4#帶束層（簡稱情況2）。情況1和情況2的3層帶束層結構常見帶束層角度和排列方向如表1所示，全鋼輕型載重子午線輪胎的3層帶束層結構與情況1和2不同，其常見帶束層角度和排列方向如表2所示。

表1 情況1和2的3層帶束層結構常見帶束層角度和排列方向

表2 全鋼輕型載重子午線輪胎的3層帶束層結構常見帶束層角度和排列方向

目前，全鋼輕型載重子午線輪胎的3層帶束層結構的帶束層角度和排列方向差異很大，為了研究輪胎帶束層角度和排列方向與其性能的關系并合理設計輪胎，本工作借助有限元仿真工具進行了研究。

2 方案設計

選取8.25R16全鋼輕型載重子午線輪胎為代表進行研究，該規格為有內胎輕型載重輪胎主流銷售和配套規格，在同類輪胎中屬于最大規格，產品性能對設計變化敏感度高，便于發現差異。

保持輪胎帶束層材料和寬度不變，只變換帶束層各層角度和排列方向設計4個試驗方案進行有限元分析，并對試驗結果進行分析研究。本工作僅研究3層帶束層結構的帶束層角度和排列方向與有內胎輕型載重輪胎性能的相關性，不考慮其他輪廓參數和材料變化對輪胎性能的影響。

2.1 材料分布和帶束層寬度

輪胎材料分布如圖1所示。

圖1 輪胎材料分布示意

1#—3#帶束層寬度分別為140，160，130 mm。

2.2 設計方案

設計方案如表3所示[10]。

表3 設計方案

3 有限元分析

3.1 外緣尺寸

（1）保持1#帶束層角度變化（2#，3#帶束層角度不變，下同），帶束層排列方向為1，按方案1，3，4進行試驗，測試標準充氣壓力和標準負荷下輪胎外緣尺寸，結果如表4所示。

表4 輪胎外緣尺寸試驗結果1（帶束層排列方向為1）

從表4可以看出：帶束層排列方向為1時，1#帶束層角度變化對輪胎外緣尺寸的影響均小于0.15%，影響較小；對輪胎下沉量的影響為0.75%。

（2）保持1#帶束層角度變化，帶束層排列方向為2，按方案1，3，4進行試驗，測試標準充氣壓力和標準負荷下輪胎外緣尺寸，結果如表5所示。

表5 輪胎外緣尺寸試驗結果2（帶束層排列方向為2）

從表5可以看出，帶束層排列方向為2時，隨著1#帶束層角度的減小，輪胎充氣外直徑呈減小趨勢，充氣斷面寬呈增大趨勢，負荷半徑和斷面寬基本不受影響（小于0.050%），對輪胎下沉量的影響為2.286%。

從表4和5還可以看出，帶束層角度不變、帶束層排列方向變化對輪胎外緣尺寸的影響很小，對輪胎下沉量的影響稍大一些，排列方向為2時輪胎下沉量相對較小。

（3）保持2#，3#帶束層角度增大（1#帶束層角度不變，下同），帶束層排列方向為1，按方案2，3進行試驗，測試標準充氣壓力和標準負荷下輪胎外緣尺寸，結果如表6所示。

表6 輪胎外緣尺寸試驗結果3（帶束層排列方向為1）

從表6可以看出：帶束層排列方向為1時，2#，3#帶束層角度變化對輪胎外緣尺寸的影響小于0.080%，影響較小；對輪胎下沉量的影響為0.228%。

（4）保持2#，3#帶束層角度增大，帶束層排列方向為2，按方案2，3進行試驗，測試標準充氣壓力和標準負荷下輪胎外緣尺寸，結果如表7所示。

表7 輪胎外緣尺寸試驗結果4（帶束層排列方向為2）

從表7可以看出：帶束層排列方向為2時，隨著2#，3#帶束層角度的增大，輪胎外直徑呈減小趨勢，斷面寬呈增大趨勢；負荷半徑和斷面寬基本不受影響（小于0.05%）；對下沉量的影響為1.38%。

3.2 接地印痕

按方案1—4測試輪胎接地印痕，試驗條件為標準充氣壓力和標準負荷（簡稱-1）時，結果如表8所示；試驗條件為標準充氣壓力和130%標準負荷（簡稱-2）時，結果如表9所示。輪胎接地印痕矩形比試驗結果如圖2所示。

圖2 輪胎接地印痕矩形比折線圖

表8 輪胎接地印痕試驗結果-1

表9 輪胎接地印痕試驗結果-2

從表8和9及圖2可以看出：帶束層排列方向為1時，1#帶束層角度變化對輪胎接地印痕矩形比沒有規律性的影響；隨著2#，3#帶束層角度的增大，輪胎接地印痕矩形比減小；帶束層排列方向為2時，隨著1#帶束層角度的減小和2#，3#帶束層角度的增大，輪胎接地印痕矩形比呈增大趨勢。帶束層排列方向對輪胎接地印痕長軸、短軸的影響趨勢與輪胎接地印痕矩形比類似。

從表8和9及圖2還可以看出：帶束層排列方向為1時，隨著1#帶束層角度減小和2#，3#帶束層角度的增大，輪胎接地面積均減小；帶束層排列方向為2時，隨著1#帶束層角度減小，輪胎接地面積呈減小趨勢；隨著2#，3#帶束層角度的增大，輪胎接地面積減小。同時，與排列方向為2相比，帶束層排列方向為1時各方案的輪胎接地面積較大；與130%標準負荷相比，標準負荷時各方案輪胎的接地印痕矩形比較小。130%標準負荷、帶束層排列方向為1時，方案3的輪胎接地印痕矩形比最小，接地面積最大。

3.3 接地壓力

輪胎接地壓力及其標準差在帶束層排列方向1和2上的試驗結果分別如表10所示。

表10 輪胎接地壓力及其標準差在不同帶束層排列方向上的試驗結果

從表10可以看出：帶束層排列方向為1時，各方案輪胎接地壓力平均值和標準差相當，方案1，2略優于方案3，4；帶束層排列方向為2時，各方案輪胎接地壓力平均值和標準差方案1，2相當，方案3，4相當，并且方案1，2略優于方案3，4。

3.4 帶束層及輪胎肩部剪應力及應變能密度

在帶束層排列方向為1和2時，輪胎在標準充氣壓力和標準負荷下的帶束層及輪胎肩部剪應力及應變能密度試驗結果分別如表11和12所示。

表11 帶束層及肩部剪應力及應變能密度試驗結果1

表12 帶束層及肩部剪應力及應變能密度試驗結果2

表11和12的判定原則為：輪胎剪應力和應變能密度以小值為優；剪應力和應變能密度的變化趨勢不一致時，優先考慮應變能密度；帶束層和輪胎肩部的變化趨勢不一致時，優先考慮輪胎肩部。從表11和12可以看出：帶束層排列方向為1時，方案1的帶束層及肩部的剪應力和應變能密度綜合較優；帶束層排列方向為2時，方案4的帶束層及肩部的剪應力和應變能密度綜合較優。

3.5 靜態剛性

在標準充氣壓力和標準負荷下各方案的輪胎靜態剛性試驗結果如表13所示。

表13 輪胎靜態剛性試驗結果

從表13可以看出：帶束層排列方向為1時，隨著1#帶束層角度的減小（2#，3#帶束層角度不變），輪胎的靜態剛性無規律性變化；隨著2#，3#帶束層角度的增大（1#帶束層角度不變），輪胎的靜態剛性有減小趨勢；帶束層排列方向為2時，隨著1#帶束層角度的減小（2#，3#帶束層角度不變），輪胎的靜態剛性增大；隨著2#，3#帶束層角度的增大（1#帶束層角度不變），輪胎靜態剛性增大。如果需要保證輪胎靜態剛性，綜合考慮優選方案4、帶束層排列方向為2。

4 結語

借助有限元工具對4種設計方案進行分析，總結帶束層角度和排列方向對全鋼輕型載重子午線輪胎性能的影響規律。如果需要保證輪胎接地性能，應優選方案1、帶束層排列方向為1。如果需要保證輪胎肩部、帶束層受力及輪胎靜態剛性，應優選方案4、帶束層排列方向為2。本工作可為全鋼輕型載重子午線輪胎設計提供理論指導。