翟明榮，王 君，孟照宏，宋美芹，史彩霞，于成龍

（1.青島輪云設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，山東 青島 266400；2.青島雙星輪胎工業(yè)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(fù)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(yīng)力，在很大程度上決定充氣子午線輪胎的形狀以及由內(nèi)充氣壓力引起的輪胎各部件的初始應(yīng)力[1-4]。子午線輪胎的耐磨性能、牽引性能、操縱穩(wěn)定性、滾動(dòng)阻力、乘坐舒適性等都與其帶束層密切相關(guān)[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(wěn)定性的作用[8]，其結(jié)構(gòu)直接影響輪胎的胎冠部位的剛度和接地應(yīng)力分布，是輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)之一[9]。

陳燕國(guó)等[1]分析了帶束層結(jié)構(gòu)對(duì)205/55R16轎車子午線輪胎靜態(tài)接地印痕、高速制動(dòng)印痕和制動(dòng)性能的影響；寧衛(wèi)明等[5]分析了帶束層角度對(duì)235/45R18轎車子午線輪胎高速性能的影響；黃兆閣等[8]對(duì)235/45R18輪胎的帶束層簾線截面積、簾線間距和簾線角度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；崔志博等[9]研究了帶束層膨脹對(duì)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(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響。

目前，帶束層角度對(duì)輪胎性能的影響研究大多局限于單一規(guī)格輪胎，為了系統(tǒng)探究帶束層角度與經(jīng)線密度對(duì)輪胎靜態(tài)性能的影響，為輪胎設(shè)計(jì)提供全面的指導(dǎo)，本工作通過(guò)對(duì)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(jiǎn)稱輪胎）進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)一致性的驗(yàn)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(jīng)線密度變化對(duì)輪胎靜態(tài)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(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)體，具有對(duì)稱性，基于輪胎有限元結(jié)構(gòu)模型及材料建模成果[11-15]，可選其軸對(duì)稱模型進(jìn)行仿真分析，輪胎有限元模型構(gòu)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(gòu)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(guó)Gabo公司生產(chǎn)的Eplexor?150 N型動(dòng)態(tài)熱力學(xué)分析（DMA）儀上測(cè)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(dòng)應(yīng)變?yōu)椤?.3%和±3%時(shí)測(cè)試膠料的儲(chǔ)能模量、損耗模量、損耗因子隨動(dòng)應(yīng)變的變化情況，測(cè)試數(shù)據(jù)用時(shí)溫等效方程（WLF）進(jìn)行表征，相關(guān)材料參數(shù)均基于前期研究成果[12]。

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

1.2 測(cè)試方法及仿真方案的設(shè)定

1.2.1 測(cè)試方法

為了確保有限元仿真結(jié)果的精確度，本工作首先對(duì)8種輪胎進(jìn)行仿真與試驗(yàn)一致性的驗(yàn)證分析，在確保較高仿真精度的前提下，開展設(shè)計(jì)靈敏度性能探究。

仿真與試驗(yàn)測(cè)試方法統(tǒng)一為：靜負(fù)荷性能按照HG/T 2443—2012測(cè)試，接地印痕分析按照GB/T 22038—2020在美國(guó)TekScan公司生產(chǎn)的輪胎壓力測(cè)量系統(tǒng)上測(cè)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(shù)有限公司生產(chǎn)的五剛度試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試。

1.2.2 仿真方案的設(shè)定

排除輪胎結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)等因素的影響，本工作采用單一變量法，在原始輪胎設(shè)計(jì)方案（以下稱參考方案）的基礎(chǔ)上制定仿真方案。

帶束層角度的設(shè)計(jì)：根據(jù)既要考慮帶束層對(duì)胎體的箍緊作用，又要考慮便于加工的原則，設(shè)計(jì)5個(gè)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(jīng)線密度的設(shè)計(jì)：在考慮帶束層強(qiáng)度以及鋼絲簾線附著力和覆膠量的前提下，設(shè)計(jì)5個(gè)方案。將參考方案的經(jīng)線密度視為100%，其他4個(gè)方案的經(jīng)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(jīng)線密度對(duì)輪胎靜態(tài)性能的影響，對(duì)設(shè)計(jì)方案與參考方案均采用差值處理的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 輪胎的靜態(tài)接地特性分析

帶束層角度與經(jīng)線密度變化最終均影響帶束層對(duì)胎體的箍緊作用，進(jìn)而對(duì)輪胎的接地特性產(chǎn)生影響，其中輪胎的下沉量和接地印痕是輪胎設(shè)計(jì)過(guò)程中重要的考察指標(biāo)[9]。

2.1.1 仿真與試驗(yàn)結(jié)果的一致性對(duì)比

輪胎的下沉量仿真值與試驗(yàn)值的相關(guān)性如圖3所示，輪胎的接地印痕仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如表2所示。

表2 輪胎的接地印痕仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)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(yàn)值的相關(guān)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(cè)試條件下，輪胎的下沉量仿真值與試驗(yàn)值的變化趨勢(shì)具有一致性，兩者具有很高的相關(guān)性。

從表2可以看出，8種輪胎的接地印痕的仿真與試驗(yàn)結(jié)果具有很高的相似度。

2.1.2 帶束層角度與經(jīng)線密度對(duì)輪胎下沉量的影響

輪胎的下沉量與帶束層角度和經(jīng)線密度的變化相關(guān)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(guān)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(shì)，最大變化范圍為＋0.3～＋1.4 mm；輪胎下沉量隨帶束層經(jīng)線密度的增大呈減小趨勢(shì)，最大變化范圍為0～＋0.5 mm；與帶束層經(jīng)線密度相比，帶束層角度變化對(duì)輪胎的下沉量影響更大；輪胎的扁平率低于40時(shí)，下沉量隨帶束層角度與經(jīng)線密度的變化均不明顯。

2.1.3 帶束層角度與經(jīng)線密度對(duì)輪胎接地印痕的影響

輪胎的接地印痕與帶束層角度和經(jīng)線密度的變化相關(guān)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(guān)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(jīng)線密度的變化相關(guān)性Tab.4 Variation correlation between footprints and belt warp densities of tires

從表3和4可以看出：當(dāng)帶束層角度由24°變?yōu)?0°時(shí)，輪胎的接地短軸長(zhǎng)度隨帶束層角度的增大呈減小趨勢(shì)，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(zhǎng)度減小約0.3～1.5 mm；接地長(zhǎng)軸長(zhǎng)度和有效接地面積隨帶束層角度的增大呈增大趨勢(shì)；帶束層角度對(duì)接地印痕的影響大于帶束層經(jīng)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(shì)，表明隨帶束層角度的增大，輪胎的徑向變形增大，對(duì)輪胎的乘坐舒適性有利，但對(duì)輪胎的使用壽命不利。

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

2.2 輪胎的靜態(tài)接地剛性分析

2.2.1 仿真與試驗(yàn)結(jié)果的一致性對(duì)比

輪胎的徑向剛性與其振動(dòng)、舒適性有關(guān)，輪胎的徑向剛性過(guò)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(guò)小，輪胎的使用壽命縮短。輪胎的橫向剛性影響其滾動(dòng)阻力及負(fù)荷改變時(shí)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(yīng)動(dòng)態(tài)特性的主要因素之一[16]。

在120%負(fù)荷下輪胎的剛性仿真值與試驗(yàn)值的相關(guān)性如圖6所示。

圖6 在120%負(fù)荷下輪胎的剛性仿真值與試驗(yàn)值的相關(guān)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(cè)試條件下，輪胎的徑向剛性和橫向剛性仿真值與試驗(yàn)值的變化趨勢(shì)具有一致性，兩者具有很高的相關(guān)性。

2.2.2 帶束層角度與經(jīng)線密度對(duì)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(guān)性如圖7所示，帶束層角度與經(jīng)線密度對(duì)輪胎剛性變化值的影響如表5所示。

表5 帶束層角度與經(jīng)線密度對(duì)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(guān)性Fig.7 Variation correlation between stiffnesses and belt angles of tires

從圖7和表5可以看出：當(dāng)帶束層角度由24°增大到30°時(shí)，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(duì)帶束層角度變化更敏感；同時(shí)，輪胎的徑向剛性隨帶束層角度增大呈減小趨勢(shì)，此結(jié)論與帶束層角度增大輪胎變軟的經(jīng)驗(yàn)一致[10]。

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

3 結(jié)論

（1）與帶束層經(jīng)線密度相比，帶束層角度變化對(duì)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(shì)。

（2）輪胎的靜態(tài)性能隨帶束層角度變化的趨勢(shì)還受輪胎的扁平率影響。