全鋼載重子午線輪胎花紋溝底裂口的原因分析及解決措施

任曉靜，李國瑞，梁千頃，李圓圓

（風神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

隨著我國汽車工業和高速公路的飛速發展，作為汽車最重要的安全部件之一，輪胎的綜合性能越來越受到重視[1]，人們對輪胎的性能要求也變得多樣化。與斜交輪胎相比，全鋼載重子午線輪胎以抗刺穿、超耐磨、低油耗、高負荷、行駛平穩舒適及操縱性能好的優點在輪胎市場得到迅猛發展。輪胎胎面與其負荷性能及安全性有很重要的關系，在使用過程中如果出現花紋溝底裂口等現象，會影響輪胎的使用安全性[2]。胎面花紋溝底裂口通常在輪胎使用初期產生，一旦發生花紋溝底裂口，則整條輪胎不能使用。

本工作根據全鋼載重子午線輪胎接地特性和花紋溝底受力分析，采用有限元軟件分析胎面部位材料分布、輪胎輪廓及花紋溝設計對成品輪胎花紋溝底裂口的影響，并提出相應的解決措施。

1 損壞特征

輪胎使用早期產生沿花紋溝方向的縱向裂口，影響輪胎的使用安全性。花紋溝底裂口多集中在邊部兩條花紋溝處，大多數情況下兩邊花紋溝同時出現溝底裂口現象。花紋溝底裂口呈周向展開或者周向斷續展開，如圖1所示。

圖1 輪胎花紋溝底裂口產生的位置及特征示意

2 原因分析

花紋溝底裂口的根本原因是花紋溝底橡膠材料的疲勞破壞。輪胎受力復雜且長時間處于高速行駛狀態下，胎面部位與地面直接接觸，因此胎面部位直接承受輪胎與地面產生的沖擊負荷和扭矩，導致輪胎花紋產生屈撓、剪切和拉伸變形，且變形反復發生。輪胎高速行駛時胎面膠處于持續高溫狀態，花紋溝底橡膠受力疲勞加之高溫影響，自身生熱與屈撓作用產生的熱疲勞破壞更加劇了橡膠分子鏈斷裂。由于橡膠分子鏈斷裂產生的自由基與氧氣反應，引發氧化老化，進而產生微裂紋，裂紋隨時間延長逐步擴展，從而形成周向裂紋。

延長橡膠材料的耐疲勞壽命，首先應考慮降低輪胎使用過程中花紋塊及花紋溝底的應力集中，從而延長裂紋擴展時間。

3 模型建立

以315/60R22.5全鋼載重子午線輪胎為例，對產生花紋溝底裂口的市場返回輪胎進行斷面切割，切割斷面如圖2所示。

圖2 返回輪胎切割斷面

對切割斷面進行打磨、測繪、掃描并導入CAD，得到其幾何結構模型[3]。輪胎的材料分布和結構有限元模型如圖3和4所示。

圖3 輪胎材料分布模型

圖4 輪胎結構有限元模型

利用有限元分析軟件對輪胎材料分布圖進行網格劃分，重點部位網格細化，非重點部位網格相對稀疏，既保證分析計算的準確性，又減小計算量[4]。輪胎橡膠部分采用CGAX3H和CGAX4H單元模擬，簾線部分采用SFMGAX1和REBAR單元模擬，橡膠材料采用YEOH模型，輪輞與路面定義為解析剛體。

選擇靜態加載工況，輪輞規格為9.75，充氣壓力為900 kPa，試驗負荷為3 550 kg，與國家標準要求相同。

4 改善措施

4.1 花紋設計

通過分析發現，花紋溝底裂口主要集中在邊部兩條花紋溝溝底部位，這是由于花紋溝底應力集中且受力不均勻造成的。輪胎行駛過程中，側向拉伸和徑向壓縮應變集中于花紋溝底部，眾所周知，硫化膠的疲勞壽命與應力大小有直接關系，因此花紋溝底部的受力越小，膠料的疲勞壽命越長[5-6]。為分散或減小花紋溝底部受力，通過改變輪胎花紋溝角度、增大花紋溝底圓弧半徑來減小花紋溝底部變形，從而減小輪胎花紋溝底部應力集中，具體方案如圖5所示。

圖5 輪胎花紋溝分析方案

4.2 結構設計

通過優化輪胎材料分布減小輪胎充氣后外輪廓變化，改善接地印痕形狀，增大接地印痕面積，減小輪胎接地壓力和花紋塊受力，使花紋溝受力更加均勻，從而達到改善花紋溝底裂口的目的[7-10]。方案3在方案2的基礎上增大1#和2#帶束層的寬度。

5 改善效果

5.1 接地壓力云圖

3種方案輪胎在靜負荷加載下的接地壓力云圖如圖6所示。

圖6 輪胎在靜負荷加載下的接地壓力云圖

從圖6可以看出，方案1和2的最大受力均為2.544 MPa，方案3最大受力為2.143 MPa，比方案1和2降低15.7%。

從接地印痕分析結果可以看出，方案1和2輪胎更容易因應力變化而產生花紋溝底裂口，方案3輪胎應力較小，花紋溝底裂口風險較低。

5.2 接地面花紋塊受力

3種方案輪胎接地區域內受力變化曲線如圖7所示。

圖7 輪胎接地區域受力變化曲線

從圖7可以看出，3種方案受力最大的位置均在輪胎花紋溝底，這與輪胎花紋溝底變形和應力集中的理論相印證。因此為了降低輪胎花紋溝底裂口的風險，選擇應力最小的方案最有利。從分析結果可以看出：方案2增大輪胎花紋溝底圓弧半徑可減小輪胎花紋溝底受力；方案3增大1#和2#帶束層寬度可進一步減小輪胎花紋溝底受力。

6 結論

影響全鋼載重子午線輪胎花紋溝底裂口的主要因素除膠料的抗撕裂性能和耐疲勞性能外，還應考慮輪胎輪廓及結構方面的因素。合理設計輪胎花紋溝的位置、形狀、角度以及花紋溝底圓弧均有利于改善輪胎花紋溝底裂口。其次，輪胎結構設計選擇適合的帶束層寬度及角度，能夠有效降低輪胎花紋溝底應力集中現象，延緩花紋溝底裂口的產生和擴展。

綜合考慮輪胎的輪廓形狀和關鍵結構參數對輪胎受力的影響，選擇合理的組合方式能完善輪胎設計理念，有效延長輪胎使用壽命，實現輪胎綜合性能的提升。