全鋼子午線輪胎胎肩邊溝設(shè)計(jì)對(duì)偏磨影響的有限元分析

盧 帥，王昌寧，張 鵬，王興玉

（1.怡維怡橡膠研究院有限公司，山東 青島 266045；2.賽輪集團(tuán)股份有限公司，山東 青島 266045）

全鋼子午線輪胎的胎面接地印痕與輪胎的磨耗性能等直接相關(guān)。隨著國(guó)內(nèi)外輪胎市場(chǎng)的發(fā)展，各個(gè)品牌之間的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，輪胎的性能受到客戶和消費(fèi)者越來(lái)越多的關(guān)注。通過(guò)優(yōu)化輪胎接地印痕形狀，可改善磨耗性能，提高輪胎產(chǎn)品品質(zhì)[1-3]。

本工作采用有限元方法對(duì)295/75R22.5全鋼子午線輪胎胎肩邊溝設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

1 方案設(shè)計(jì)

為了便于分析對(duì)比，各方案采用相同的輪胎結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)參數(shù)如下：外直徑 1 087 mm，斷面寬288 mm，行駛面寬度 220 mm，胎圈著合寬度235.6 mm，輪胎原始結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輪胎原始結(jié)構(gòu)示意

為了研究胎肩邊溝設(shè)計(jì)對(duì)輪胎偏磨的影響，在輪胎原始結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出7種不同的胎肩邊溝設(shè)計(jì)方案（見(jiàn)圖2），并進(jìn)行接地壓力對(duì)比分析。

圖2 7種方案輪胎胎肩邊溝設(shè)計(jì)

優(yōu)化方案1—7的胎肩邊溝具體設(shè)計(jì)如下：方案1采用直槽設(shè)計(jì)；方案2在方案1的基礎(chǔ)上將直槽內(nèi)徑縮小；方案3在方案2的基礎(chǔ)上邊部降低2 mm；方案4在方案2的基礎(chǔ)上將槽寬度加大，底部等寬折彎；方案5在方案2的基礎(chǔ)上底部為非等寬折彎；方案6在方案2的基礎(chǔ)上直槽開(kāi)在邊部向下3 mm處，底部折彎；方案7直接在邊部開(kāi)槽。

2 有限元模型的建立與計(jì)算

2.1 前處理

為了便于仿真結(jié)果的比較，在前處理時(shí)對(duì)所有模型采用同樣的網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)，都施加4 mm的撒種密度，如圖3所示。

圖3 有限元模型網(wǎng)格劃分

橡膠單元四邊形采用CGAX4H雜交單元，三角形采用CGAX3H單元，帶束層單元采用SFMGAX1類型。橡膠材料特性采用Yeoh模型表征。仿真中所使用的橡膠配方完全相同。

2.2 邊界條件

邊界條件分兩步處理：第1步，固定輪輞，對(duì)輪胎內(nèi)表面施加830 kPa充氣壓力，進(jìn)行二維充氣仿真；第2步，在靜負(fù)荷狀態(tài)下進(jìn)行三維計(jì)算，負(fù)荷為3 550 kg，充氣壓力為830 kPa。

2.3 結(jié)果及分析

得到三維加載仿真結(jié)果后，截取原始結(jié)構(gòu)和7種方案的胎面接地印痕，如圖4所示。

從圖4可以看出：

圖4 各方案胎面接地印痕

（1）添加胎肩邊溝可以顯著降低胎肩的最大接地壓力；

（2）不同胎肩邊溝設(shè)計(jì)對(duì)胎肩接地壓力的改善程度不同，直溝設(shè)計(jì)要優(yōu)于折彎邊溝設(shè)計(jì)；

（3）胎肩偏下部位添加邊溝設(shè)計(jì)效果最好，胎肩最大接地壓力在7種方案中最小。

根據(jù)ARCHARD模型磨耗率的計(jì)算，在同一輪胎模型下，胎肩接地壓力最小，對(duì)胎肩的磨損也最小[4]。

將輪胎接地部分等分為5×5區(qū)域，計(jì)算各區(qū)域接地壓力平均值。不同方案輪胎接地部分各區(qū)域接地壓力平均值如表1所示。

從表1可以看出，添加胎肩邊溝的輪胎胎肩接地壓力總體上小于無(wú)邊溝設(shè)計(jì)的胎肩接地壓力，方案6的胎肩邊溝設(shè)計(jì)對(duì)輪胎偏磨的改善效果最好。

表1 不同方案輪胎接地部分各區(qū)域接地壓力平均值 MPa

3 結(jié)論

采用有限元方法可以有效地進(jìn)行輪胎設(shè)計(jì)方案的篩選與改進(jìn)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供良好的依據(jù)。

通過(guò)有限元分析得出：輪胎胎肩邊溝設(shè)計(jì)可以有效降低胎肩最大接地壓力和應(yīng)力集中，從而減少胎肩偏磨現(xiàn)象，延長(zhǎng)輪胎壽命；在胎肩偏下部位添加邊溝的改善效果最佳。