楊嬌嬌，張建浩，張永鋒

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

胎圈是輪胎主要的受力部件之一，對(duì)輪胎的承載性能具有重要作用。輪胎胎圈部位材料分布較多且受力復(fù)雜，在車輛行駛過程中，胎圈會(huì)受到較高頻率力的作用，尤其在重載條件下，極易造成胎圈裂口、脫層。此外，在輪胎使用過程中，熱氧老化也會(huì)降低材料的耐疲勞性能，縮短輪胎使用壽命[1]。因此胎圈部位材料分布的優(yōu)化對(duì)提高輪胎的耐久性能具有重要意義。

我公司新開發(fā)的175/70R14半鋼子午線輪胎在重載耐久性試驗(yàn)條件下出現(xiàn)胎圈裂口現(xiàn)象，未達(dá)到內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求。通過斷面剖析發(fā)現(xiàn)，裂口部位均在胎體簾布反包端點(diǎn)處，如圖1所示。經(jīng)分析，產(chǎn)生裂口的原因?yàn)閼?yīng)力性破壞而非熱學(xué)破壞。針對(duì)此問題，本工作從胎體簾布反包端點(diǎn)的受力出發(fā)，分析胎圈裂口的原因。

圖1 胎圈破壞位置

1 有限元仿真分析

1.1 模型建立

為保證分析的準(zhǔn)確性，復(fù)原輪胎斷面得到有限元分析的材料分布圖，使用Abaqus有限元分析軟件進(jìn)行輪胎的充氣和加載狀態(tài)分析[2]。根據(jù)輪胎材料及各部件的力學(xué)特性，選用Yeoh本構(gòu)模型對(duì)橡膠材料進(jìn)行描述，胎體、帶束層以及冠帶結(jié)構(gòu)選用Rebar單元定義[3-5]。本研究對(duì)象為胎圈部位，故忽略了胎面幾何形狀，模型只考慮輪胎花紋縱溝，簡(jiǎn)化了花紋的橫溝和細(xì)小鋼片，有限元模型見圖2。

圖2 輪胎網(wǎng)格模型

1.2 可靠性驗(yàn)證

結(jié)合輪胎橡膠和骨架材料的有限元模型與原始方案的材料分布圖，對(duì)原始方案進(jìn)行有限元分析，充氣壓力為250 kPa，徑向負(fù)荷為4 900 N。輪胎接地印痕仿真和試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見，仿真與實(shí)測(cè)接地印痕的長(zhǎng)軸均為1 650 mm，短軸分別為1 240和1 265 mm，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，也驗(yàn)證了仿真模型的可靠性。

圖3 原始方案仿真和實(shí)測(cè)接地印痕

1.3 耐久性能分析

根據(jù)輪胎有限元模型，對(duì)原始方案進(jìn)行重載條件下的仿真分析，充氣壓力為250 kPa，徑向負(fù)荷為7 350 N。根據(jù)輪胎破壞情況，分析胎體反包端點(diǎn)的簾線張力和應(yīng)變能分布情況。

原始方案胎體反包簾線張力的分布情況如圖4所示。

由圖4可以看出，反包端點(diǎn)部位簾線張力在充氣和負(fù)荷狀態(tài)下的差值為1.48 N。在輪胎滾動(dòng)過程中，胎體簾布反包端點(diǎn)區(qū)域會(huì)受到周期性的作用力，端點(diǎn)部位的橡膠在周期性作用力下會(huì)發(fā)生疲勞破壞，因此需要降低胎體簾布反包端點(diǎn)處的張力差值。

圖4 原始方案胎體反包簾線張力分布

原始方案胎圈部位應(yīng)變能分布情況如圖5所示。

從圖5可以看出，胎體反包端點(diǎn)處應(yīng)變能明顯高于周圍部分，因此將胎體簾布反包端點(diǎn)處應(yīng)變能作為評(píng)價(jià)輪胎耐久性能的一個(gè)指標(biāo)。

圖5 原始方案胎圈部位的應(yīng)變能

2 改進(jìn)方案

根據(jù)以上分析可知，胎體簾布反包端點(diǎn)處應(yīng)力和應(yīng)變能較大，因此推斷增大胎體簾布反包端點(diǎn)高度能夠改善胎圈裂口現(xiàn)象。原始方案的胎體簾布反包高度為40 mm，改進(jìn)方案將反包端點(diǎn)上移15 mm，建立與原始方案相同工況的仿真模型，并進(jìn)行有限元分析。

2.1 簾線張力

改進(jìn)方案胎體反包簾線張力分布結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，改進(jìn)方案胎體簾布反包端點(diǎn)處充氣和負(fù)荷狀態(tài)下的簾線張力差值為0.31 N，比原始方案降低了79%，反包端點(diǎn)處的受力狀態(tài)得到明顯改善。

圖6 改進(jìn)方案胎體反包簾線張力分布

2.2 胎圈部位應(yīng)變能

改進(jìn)前后胎圈部位的應(yīng)變能分布對(duì)比如圖7所示。

由圖7可以看出，改進(jìn)方案胎圈部位應(yīng)變能分布的均勻性明顯改善，原始方案反包端點(diǎn)應(yīng)變能達(dá)到0.032 mJ，改進(jìn)方案相同部位應(yīng)變能為0.008 mJ，應(yīng)變能明顯減小。

圖7 胎圈部位應(yīng)變能分布對(duì)比

2.3 成品性能

根據(jù)以上分析結(jié)果，對(duì)原始方案進(jìn)行施工調(diào)整，對(duì)改進(jìn)前后的成品輪胎進(jìn)行耐久性及其他相關(guān)性能測(cè)試，結(jié)果見表1。

由表1可見，改進(jìn)方案輪胎的耐久性能比原始方案輪胎提高35%，達(dá)到改進(jìn)目標(biāo)。

表1 改進(jìn)前后成品輪胎性能對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)輪胎胎圈部位裂口問題，建立有限元仿真模型，分析胎圈部位簾線張力和應(yīng)變能分布情況，探討胎圈破壞機(jī)理。研究結(jié)果表明，增大胎體簾布反包端點(diǎn)高度，使胎體簾布反包端點(diǎn)避開胎圈應(yīng)力集中區(qū)，能夠有效改善胎圈裂口問題，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，達(dá)到了改進(jìn)目標(biāo)。也進(jìn)一步說(shuō)明利用有限元分析的方法指導(dǎo)輪胎性能優(yōu)化，能夠縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期、降低研發(fā)成本。