帶束層角度與經線密度對轎車子午線輪胎靜態性能的影響

翟明榮，王 君，孟照宏，宋美芹，史彩霞，于成龍

（1.青島輪云設計研究院有限責任公司，山東 青島 266400；2.青島雙星輪胎工業有限公司，山東 青島 266400）

轎車子午線輪胎是由橡膠材料與骨架材料復合而成的車輛承載部件，其帶束層是子午線輪胎的主要受力部件，承受60%～75%的輪胎應力，在很大程度上決定充氣子午線輪胎的形狀以及由內充氣壓力引起的輪胎各部件的初始應力[1-4]。子午線輪胎的耐磨性能、牽引性能、操縱穩定性、滾動阻力、乘坐舒適性等都與其帶束層密切相關[5-7]。因此，帶束層是子午線輪胎的核心部件，起著箍緊胎體、承受周向拉力和增加輪胎穩定性的作用[8]，其結構直接影響輪胎的胎冠部位的剛度和接地應力分布，是輪胎結構設計的關鍵參數之一[9]。

陳燕國等[1]分析了帶束層結構對205/55R16轎車子午線輪胎靜態接地印痕、高速制動印痕和制動性能的影響；寧衛明等[5]分析了帶束層角度對235/45R18轎車子午線輪胎高速性能的影響；黃兆閣等[8]對235/45R18輪胎的帶束層簾線截面積、簾線間距和簾線角度進行了優化設計；崔志博等[9]研究了帶束層膨脹對235/75R17.5輪胎接地印痕的影響；王寶凱[10]研究了205/55R16轎車子午線輪胎結構對其性能的影響。

目前，帶束層角度對輪胎性能的影響研究大多局限于單一規格輪胎，為了系統探究帶束層角度與經線密度對輪胎靜態性能的影響，為輪胎設計提供全面的指導，本工作通過對具有不同名義斷面寬、扁平率、輪輞直徑及花紋的8種轎車子午線輪胎（以下簡稱輪胎）進行了仿真與試驗一致性的驗證分析，在確保仿真精度的前提下，采用單一變量法探究了帶束層角度與經線密度變化對輪胎靜態性能的影響。

1 有限元仿真

1.1 輪胎有限元模型的建立

輪胎是由橡膠材料和骨架材料構成的復合結構體，具有對稱性，基于輪胎有限元結構模型及材料建模成果[11-15]，可選其軸對稱模型進行仿真分析，輪胎有限元模型構建流程如圖1所示，8種輪胎的基本信息如表1所示，其有限元模型如圖2所示。

表1 8種輪胎的基本信息Tab.1 Basic informations of 8 types of tires

圖1 輪胎有限元模型構建流程Fig.1 Construction procedure of finite element model of tire

圖2 8種輪胎的有限元模型Fig.2 Finite element models of 8 types of tires

橡膠材料采用粘彈性模型，在德國Gabo公司生產的Eplexor?150 N型動態熱力學分析（DMA）儀上測試其粘彈特性，在溫度為－30～120 ℃、頻率為0.5～100 Hz、各部件膠料動應變為±0.3%和±3%時測試膠料的儲能模量、損耗模量、損耗因子隨動應變的變化情況，測試數據用時溫等效方程（WLF）進行表征，相關材料參數均基于前期研究成果[12]。

采用英國Testrite的MK3干熱收縮儀測試輪胎硫化過程中以及硫化后充氣過程中簾線的干熱收縮特性，之后在美國英斯特朗公司生產的Instron 5966型高低溫材料拉伸試驗機上以5 mm·min-1的拉伸速率測試簾線的彈性模量。

1.2 測試方法及仿真方案的設定

1.2.1 測試方法

為了確保有限元仿真結果的精確度，本工作首先對8種輪胎進行仿真與試驗一致性的驗證分析，在確保較高仿真精度的前提下，開展設計靈敏度性能探究。

仿真與試驗測試方法統一為：靜負荷性能按照HG/T 2443—2012測試，接地印痕分析按照GB/T 22038—2020在美國TekScan公司生產的輪胎壓力測量系統上測試，徑向剛性和橫向剛性按照GB/T 23663—2020在天津久榮車輪技術有限公司生產的五剛度試驗機上測試。

1.2.2 仿真方案的設定

排除輪胎結構與材料參數等因素的影響，本工作采用單一變量法，在原始輪胎設計方案（以下稱參考方案）的基礎上制定仿真方案。

帶束層角度的設計：根據既要考慮帶束層對胎體的箍緊作用，又要考慮便于加工的原則，設計5個方案，各方案帶束層角度依次為24°，27°，28°，29°和30°，其中24°為參考方案。

帶束層經線密度的設計：在考慮帶束層強度以及鋼絲簾線附著力和覆膠量的前提下，設計5個方案。將參考方案的經線密度視為100%，其他4個方案的經線密度依次為參考方案的80%，90%，110%和120%。

為了便于觀察帶束層角度與經線密度對輪胎靜態性能的影響，對設計方案與參考方案均采用差值處理的方法進行數據分析。

2 結果與討論

2.1 輪胎的靜態接地特性分析

帶束層角度與經線密度變化最終均影響帶束層對胎體的箍緊作用，進而對輪胎的接地特性產生影響，其中輪胎的下沉量和接地印痕是輪胎設計過程中重要的考察指標[9]。

2.1.1 仿真與試驗結果的一致性對比

輪胎的下沉量仿真值與試驗值的相關性如圖3所示，輪胎的接地印痕仿真結果與試驗結果的對比如表2所示。

表2 輪胎的接地印痕仿真結果與試驗結果的對比Tab.2 Comparison of footprint simulation results and test results of tires

圖3 輪胎的下沉量仿真值與試驗值的相關性Fig.3 Correlation between deflection simulation values and test values of tires

從圖3可以看出，在相同仿真與測試條件下，輪胎的下沉量仿真值與試驗值的變化趨勢具有一致性，兩者具有很高的相關性。

從表2可以看出，8種輪胎的接地印痕的仿真與試驗結果具有很高的相似度。

2.1.2 帶束層角度與經線密度對輪胎下沉量的影響

輪胎的下沉量與帶束層角度和經線密度的變化相關性分別如圖4和5所示。

圖4 輪胎的下沉量與帶束層角度的變化相關性Fig.4 Variation correlation between deflections and belt angles of tires

從圖4和5可以看出：輪胎的下沉量隨帶束層角度的增大呈增大趨勢，最大變化范圍為＋0.3～＋1.4 mm；輪胎下沉量隨帶束層經線密度的增大呈減小趨勢，最大變化范圍為0～＋0.5 mm；與帶束層經線密度相比，帶束層角度變化對輪胎的下沉量影響更大；輪胎的扁平率低于40時，下沉量隨帶束層角度與經線密度的變化均不明顯。

2.1.3 帶束層角度與經線密度對輪胎接地印痕的影響

輪胎的接地印痕與帶束層角度和經線密度的變化相關性分別如表3和4所示。

表3 輪胎的接地印痕與帶束層角度的變化相關性Tab.3 Variation correlation between footprints and belt angles of tires

表4 輪胎的接地印痕與帶束層經線密度的變化相關性Tab.4 Variation correlation between footprints and belt warp densities of tires

從表3和4可以看出：當帶束層角度由24°變為30°時，輪胎的接地短軸長度隨帶束層角度的增大呈減小趨勢，最大變化范圍為－9.1～－2.0 mm，即帶束層角度每增大1°，接地短軸長度減小約0.3～1.5 mm；接地長軸長度和有效接地面積隨帶束層角度的增大呈增大趨勢；帶束層角度對接地印痕的影響大于帶束層經線密度的影響。

從圖5和表3還可以看出，輪胎的下沉量和有效接地面積隨帶束層角度的增大呈增大趨勢，表明隨帶束層角度的增大，輪胎的徑向變形增大，對輪胎的乘坐舒適性有利，但對輪胎的使用壽命不利。

圖5 輪胎的下沉量與帶束層經線密度的變化相關性Fig.5 Variation correlation between deflections and belt warp densities of tires

2.2 輪胎的靜態接地剛性分析

2.2.1 仿真與試驗結果的一致性對比

輪胎的徑向剛性與其振動、舒適性有關，輪胎的徑向剛性過大，輪胎的展平能力差，車輛的行駛平順性差以及高頻和低頻共振都較大，不利于輪胎吸收所受的路面沖擊；輪胎的徑向剛性過小，輪胎的使用壽命縮短。輪胎的橫向剛性影響其滾動阻力及負荷改變時胎冠切向力的再分布，從而直接影響車輛的操縱性能，是影響車輛的方向響應動態特性的主要因素之一[16]。

在120%負荷下輪胎的剛性仿真值與試驗值的相關性如圖6所示。

圖6 在120%負荷下輪胎的剛性仿真值與試驗值的相關性Fig.6 Correlation of stiffness simulation values and test values of tires under 120% load

從圖6可以看出，在相同仿真與測試條件下，輪胎的徑向剛性和橫向剛性仿真值與試驗值的變化趨勢具有一致性，兩者具有很高的相關性。

2.2.2 帶束層角度與經線密度對輪胎徑向剛性和橫向剛性的影響

輪胎的剛性與帶束層角度的變化相關性如圖7所示，帶束層角度與經線密度對輪胎剛性變化值的影響如表5所示。

表5 帶束層角度與經線密度對輪胎剛性變化值的影響Tab.5 Influence of belt angles and warp densities on stiffness variation values of tires N·mm-1

圖7 輪胎的剛性與帶束層角度的變化相關性Fig.7 Variation correlation between stiffnesses and belt angles of tires

從圖7和表5可以看出：當帶束層角度由24°增大到30°時，輪胎的徑向剛性最大變化范圍為－14.8～0 N·mm-1，橫向剛性最大變化范圍為－2.7～＋8.8 N·mm-1，即帶束層角度每增大1°，徑向剛性變化范圍為－2.5～0 N·mm-1，橫向剛性變化范圍為－0.5～＋1.5 N·mm-1，由此可知輪胎的徑向剛性對帶束層角度變化更敏感；同時，輪胎的徑向剛性隨帶束層角度增大呈減小趨勢，此結論與帶束層角度增大輪胎變軟的經驗一致[10]。

從表5還可以看出，與帶束層經線密度相比，帶束層角度變化對輪胎的剛性影響更大。

3 結論

（1）與帶束層經線密度相比，帶束層角度變化對輪胎的下沉量、接地印痕和剛性影響較大，輪胎的徑向剛性和橫向剛性隨帶束層角度的增大總體呈減小趨勢。

（2）輪胎的靜態性能隨帶束層角度變化的趨勢還受輪胎的扁平率影響。