輻板式全塑輪胎材料選擇與結構分析

高曉東，楊衛民，安 瑛，劉海超，譚 晶*

（1.北京化工大學 機電工程學院，北京 100029；2.輪胎設計與制造工藝國家工程實驗室，北京 100029）

隨著現代汽車和航空工業的迅猛發展，對輪胎性能的要求也不斷提高[1-3]。傳統輪胎主要采用橡膠材料。然而，傳統充氣輪胎由于其本身的特點，不可避免地存在一些問題，如扎刺爆胎[4]、制造成型工藝復雜、在軍事領域無法抵抗輕型武器的沖擊[5]等；同時傳統輪胎的各功能相互牽制、相互矛盾，如滾動阻力、制動性能和磨耗，不能實現多目標優化[6]。因此，隨著科學技術的進步，全塑輪胎應運而生[7-9]。塑料輪胎具有密度小、強度大和安全性高等優勢，但是，目前塑料輪胎多采用聚氨酯材料澆注成型[10-15]，為化學反應成型，受材料類型限制較大，成型也較難控制。針對以上問題，本工作選用新型注塑型記憶性高分子材料TR90，打破固有成型方式及材料的限制，并對輪胎結構進行優化設計，從材料和結構上全面提升輪胎性能。

1 材料選擇

一般塑料輪胎采用聚氨酯材料、澆注成型。如果采用注塑成型，聚氨酯材料達不到輪胎的使用要求。因此，全塑輪胎注塑成型必須采用新材料。TR90俗稱塑膠鈦，是一種具有記憶性的高分子材料，具有超韌性、抗撞耐磨、密度低、抗化學性佳、耐溶劑和耐候性好、不易燃燒及耐高溫等一系列特點，因此采用該材料可以提高全塑輪胎的綜合性能。

本研究選用3種材料方案進行分析對比，分別為傳統澆注型聚氨酯、單一TR90材料和TR90與錦綸12（PA12）質量比為1∶1的混合材料。3種材料的力學性能如表1所示。

表1 3種材料的力學性能

從表1可知，單一TR90材料具有較高的強度，但是與澆注型聚氨酯相比，其彈性模量較大，拉斷伸長率較低，柔性較差，導致輪胎的舒適度降低。因此，需要對材料進行改進。物理改性選擇與TR90有良好共混效果的PA12材料。TR90與PA12材料按質量比1∶1共混擠出后，彈性模量降低，拉斷伸長率提高，柔性增強；同時，材料強度高于澆注型聚氨酯，具有較好的綜合性能。通過以上分析，最終選擇TR90與PA12質量比1∶1共混材料用于注塑型全塑輪胎。

2 結構數值優化

2.1 幾何模型

全塑輪胎采用輻板式結構，主要由輪輞、輪輻和輪轂等組成，如圖1所示。其中輪輻為主要受力和變形部件，影響輪胎的整體性能，對該部件的設計至關重要。本研究主要考察輪輻設計中輪輻數量對輪胎性能的影響，并得到最優設計。

圖1 全塑輪胎模型

本研究選用200/80R13規格輪胎，通過Pro-E軟件建立輪輻數量分別為18，24，30，36和40條的全塑輪胎三維模型，保存為x_t格式，分別導入Abaqus軟件進行分析。為全面了解輻板式輪胎的力學性能，輪胎分別取兩個極限位置與地面接觸進行模擬分析：位置1，輪輻垂直于地面；位置2，兩輪輻之間的對稱面垂直于地面，如圖2所示。

圖2 輪胎模擬分析位置

2.2 約束條件與施加載荷

模擬分析時，地面設置為剛性，約束6個自由度；輪胎約束5個自由度，僅保留垂直與地面方向的移動。全塑輪胎施加豎直向下的標準載荷6 000 N，分別對輪胎的兩個極限位置進行靜態分析。

3 結果與討論

3.1 應力

以24輪輻全塑輪胎為例，分析位置1和2的應力分布，如圖3所示。

圖3 全塑輪胎不同位置應力云圖

從圖3可以看出：兩位置靠近地面的輪輻應力較大，并發生較大變形；其中，位置1靠近地面的輪輻由于受垂直力，其應力分布和變形波動較大，最大應力發生在邊緣部位，周邊輪輻以該輪輻為中心對稱變形；位置2的輪輻應力以中間為對稱軸呈對稱分布，并且邊緣位置應力明顯較高，最大應力發生在邊緣的中間部位。據此可以推測，輪胎在行駛過程中，周期性應力變化會使輪輻的邊緣部位發生疲勞破壞。針對以上分析，全塑輪胎輪輻可對邊緣部位進行優化設計，以提高輪胎壽命。

不同輪輻數量輪胎在兩位置的最大應力如表2所示。

表2 輪胎最大應力 MPa

從表2可以看出：當輪胎處在位置1時，輪輻應力隨輪輻數量的增大先增大后減小，24條輪輻全塑輪胎的極限應力最大；當輪胎處在位置2時，輪輻應力隨輪輻數量的增大而降低。通過比較相同輪輻數量兩位置的最大應力可以發現：輪輻數量為18條時，兩位置的應力差最大，疲勞破壞較為嚴重；輪輻數量為40條時，兩位置的應力差次之；30和36條輪輻時，兩位置的應力變化均較小，其中36條輪輻輪胎兩位置的應力差最小，抗疲勞破壞性能較好，輪胎壽命較長。

3.2 下沉量

輪胎受力下沉量是輪胎性能的重要參數，影響輪胎的穩定性和對路面條件的適應能力。輪胎下沉量根據使用條件應在合適的范圍之內，較小下沉量造成車輛重心過高，影響汽車行駛穩定性；較大下沉量則對路面條件要求過高，不能在相對崎嶇的路面上行駛。對于輪輻式非充氣輪胎，兩極限位置的下沉量之差也影響行駛的穩定性和舒適性，下沉量之差越小，全塑輪胎性能越好。

不同輪輻數量輪胎在兩個位置的下沉量對比如表3所示，并與同規格子午線輪胎在普通充氣壓力和極限壓力下的下沉量作比較。

表3 輪胎下沉量 mm

從表3可以看出：位于位置1時，輪胎下沉量隨輪輻數量的增大先增大后減小，24條輪輻時下沉量最大；位于位置2時，輪胎下沉量隨輪輻數量的增大而減小；同時，當輪輻數量較小或較大時，兩位置的下沉量差較大，造成輪胎舒適性降低，如18和40條輪輻；當輪輻數量為30條時，輪胎兩位置的下沉量之差最小，輪胎行駛穩定性和舒適性更好；與子午線輪胎相比，30條輪輻塑料輪胎的下沉量與子午線輪胎普通充氣壓力下的下沉量最接近。

3.3 接地面積

輪胎接地面積主要影響輪胎的抓著和制動性能。在允許范圍內，較大的接地面積會提高輪胎的制動性能。不同輪輻數量輪胎在兩個位置的接地面積如表4所示，并與同規格子午線輪胎在普通充氣壓力下的接地面積作比較。

從表4可以看出：18，24和40條輪輻輪胎在位置1的接地面積均明顯低于同規格子午線輪胎；其中，30和36條輪輻全塑輪胎在兩位置的接地面積均高于或接近同規格子午線輪胎；同時，兩位置接地面積的差隨輪輻數量的增大先減小后增大；當輪輻數量為30條時，輪胎兩位置的接地面積之差最小。輪胎在兩極限位置都能做出及時有效的反應，輪胎行駛具有連貫的驅動能力及面對危險時穩定有效的制動能力。

表4 輪胎接地面積 cm2

4 結論

（1）全塑輪胎選用TR90與PA12共混材料，其強度比澆注型聚氨酯高32.5%，彈性模量低9.375%，拉斷伸長率小5%，綜合性能更好。

（2）應用Abaqus軟件模擬分析不同輪輻數量對全塑輪胎性能的影響，對全塑輪胎注塑件的設計有重要的指導意義。通過分析可以得到，輪輻數量為30條時，輪胎的最大應力較小，最大下沉量和接地面積比普通充氣壓力下的子午線輪胎分別增大6.8%和5.4%。同時，30條輪輻輪胎在兩位置的最大應力、最大下沉量和接地面積差異最小，具有較好的使用性能。