帶束層角度對轎車子午線輪胎高速性能的影響

寧衛明，蔣延華，周茂義，張 聰，鄭 濤*

（1.山東豐源輪胎制造股份有限公司，山東 棗莊 277300；2.棗莊礦業集團有限責任公司，山東 棗莊 277300）

在我國汽車工業和高速公路快速發展的同時，交通安全情況卻不容樂觀。我國交通事故大部分發生在高速公路上，其中絕大部分與輪胎有關，因此輪胎的性能越來越受到重視[1-2]。

子午線輪胎是由橡膠與橡膠基復合材料組成的結構復雜的柔性層合體[3]。帶束層是子午線輪胎結構的核心，作為輪胎的主要受力部件，它承受了60%～70%的輪胎應力，緩沖輪胎受到的外來沖擊，在很大程度上決定充氣子午線輪胎的形狀[4]。因此，研究帶束層對轎車子午線輪胎安全性能的影響很有必要，帶束層角度的設計直接影響子午線輪胎的質量。

本研究以235/45R18轎車子午線輪胎為例，探討帶束層角度對轎車子午線輪胎高速性能的影響。

1 設計方案

我公司生產的235/45R18轎車子午線輪胎帶束層角度為27°，在采用相同膠料和鋼絲簾線的基礎上，選取帶束層角度分別為20°，22°，24°，26°，28°，30°的6個設計方案。

為了衡量輪胎的高速性能，選取帶束層等效Mises應力作為參考指標，應用Abaqus有限元分析軟件對各方案進行有限元建模分析，對輸出結果進行對比研究；同步進行6個方案成品輪胎的室內轉鼓試驗，并與仿真結果進行對比分析。

2 有限元分析

2.1 有限元模型建立

簡化修改輪胎輪廓設計圖，導入Hypermesh軟件中并對其劃分網格，建立輪胎二維軸對稱模型（見圖1）。該二維有限元模型共有1 284個單元、1 398個節點。

圖1 光面輪胎二維網格模型

建立胎面、胎側、胎圈、胎體和帶束層等的component，并將骨架材料rebar層嵌入已建立的component中，進行材料參數定義、分配截面屬性、施加約束等前處理工作。其中橡膠單元選用雜交單元Hybrid可以較好地模擬橡膠等不可壓縮材料的響應情況。

對輪胎二維軸對稱模型進行裝配、充氣求解，充氣壓力為290 kPa，計算結果如圖2所示。

圖2 輪胎裝配后充氣分析結果

充氣求解后再將結果重啟動，運用*symmetric model generation命令將二維輪胎軸對稱模型轉化為三維模型（見圖3），然后添加路面、施加負荷，完成非軸對稱加載分析。

圖3 光面輪胎三維充氣模型

輪胎三維模型分析主要分三步。在二維輪胎模型旋轉生成三維模型的過程中需對輪胎與路面接觸的部位進行網格加密，保證仿真計算的精確性與收斂性。輪胎與輪輞之間的摩擦因數設為0.75。施加負荷時，位移加載比力加載更容易收斂，因此可以先采用位移加載方式進行預加載，再利用力加載方式精確加載。

2.2 材料性能

在Abaqus有限元分析軟件中，提供了多種專門處理橡膠材料的本構模型，為了較好地描述輪胎中橡膠材料的力學特性，本研究仿真計算選用精度和穩定性都較好的Yeoh模型。

輪胎屬于軸對稱模型，輪胎斷面需要用軸對稱二維模型進行模擬，采用CGAX4H和CGAX3H單元分別模擬橡膠材料的四邊形和三角形單元；對于rebar單元，采用軸對稱的surface單元SFMGAX1。當二維模型旋轉成三維模型后，橡膠材料單元對應擴展為C3D8H和C3D6H單元，rebar單元擴展為SFM3D4R單元。

2.3 仿真結果

帶束層角度為20°，22°，24°，26°，28°和30°方案輪胎帶束層應力分布如圖4—9所示，其最大應力分別為446.0，430.8，394.0，370.1，336.9和317.9 MPa。

從圖4—9可以看出，隨著帶束層角度的增大，帶束層最大應力減小，緩解了應力集中現象，可有效提高輪胎的高速性能。

圖4 20°帶束層角度方案輪胎帶束層應力云圖

3 成品輪胎室內試驗

成品輪胎室內高速性能根據GB/T 4502—2016《轎車輪胎性能室內試驗方法》，采用高速耐久試驗機進行測試。成品輪胎室內高速性能試驗結果如表1所示。

從表1可以看出，對于同規格輪胎，在20°～30°區間內，隨著帶束層角度增大，輪胎的高速性能逐漸提高。

表1 成品輪胎室內高速性能試驗結果 h

由此可見，試驗結果與輪胎力學仿真有限元分析結果相符，證實了有限元分析結果的正確性。

圖5 22°帶束層角度方案輪胎帶束層應力云圖

圖6 24°帶束層角度方案輪胎帶束層應力云圖

圖7 26°帶束層角度方案輪胎帶束層應力云圖

圖8 28°帶束層角度方案輪胎帶束層應力云圖

4 結語

以235/45R18轎車子午線輪胎為例，研究帶束層角度對輪胎高速性能的影響。輪胎力學仿真有限元分析結果表明，在20°～30°區間內，隨著帶束層角度增大，輪胎高速性能逐漸提高。成品輪胎室內試驗結果證實了有限元分析結果的正確性。本研究僅考慮45系列小范圍內帶束層角度改變對輪胎高速性能的影響，未考慮大范圍內帶束層角度變化及帶束層寬度等其他因素對輪胎性能的影響。今后將研究多系列、大范圍內帶束層角度改變等對輪胎高速性能和外緣尺寸等性能的影響。

圖9 30°帶束層角度方案輪胎帶束層應力云圖