195/85R16LT輪胎行駛面弧度高對 成品性能影響的有限元分析

王志勇，車明明，王明偉，任世奪

[1.浦林成山（山東）輪胎有限公司，山東 威海 264300；2.浦林成山（青島）工業研究設計有限公司，山東 青島 266042]

受輪胎滾動阻力的影響，載重汽車輪胎燃油消耗量占整個車輛燃油消耗的25%～35%[1]。我國汽車行業已經實施國六排放標準，各汽車廠家也要求輪胎制造商降低輪胎的滾動阻力，從而降低車輛的油耗。

輪胎購買成本約占整車運輸總成本的2%，目前許多商用車輪胎都存在輪胎異常磨損、使用壽命短等問題。輪胎在行駛過程中存在滑動摩擦和滾動摩擦，其中滑動摩擦阻力是滾動摩擦阻力的40～60倍，因此需重點關注輪胎行駛中的滑動摩擦阻力。從輪胎設計角度來說，應該降低輪胎胎冠接地部位各點之間的接地壓力差值，使接地各點壓力分布均勻，減小輪胎異常磨損，提高輪胎的耐磨性能。滾動阻力和耐磨性能是評價輪胎性能的兩個重要指標，在輪胎設計中占有重要地位。因此研究輪胎外輪廓曲線參數值設計對輪胎滾動阻力和耐磨性能的影響尤為重要。

本工作利用有限元分析軟件研究195/85R16LT輪胎外輪廓曲線的行駛面弧度高（h）對成品輪胎滾動阻力和接地印痕等的影響。

1 實驗

1.1 試驗輪胎

試驗輪胎為195/85R16LT 12PR無內胎全鋼載重子午線輪胎，胎面采用3條縱向花紋。

1.2 軟件

分析采用Abaqus 6.14有限元軟件和AutoCAD 2019制圖軟件。

1.3 試驗方案

195/85R16LT 12PR輪胎外輪廓曲線的h從高到低設計3種方案，調整輪胎外輪廓曲線的h時，依據繪圖規則，胎冠弧的終點位置也隨之改變，因此胎冠第1段弧半徑（R1）和第2段弧半徑（R2）都需對應做出調整（見表1），但3種方案輪胎第1段弧的終點距胎冠中心線的水平寬度均設計為40 mm，且其余外輪廓曲線參數相同，即外直徑為735 mm，斷面寬為200 mm，行駛面寬度為148 mm，胎圈著合寬度為152 mm，胎圈著合直徑為404 mm，輪胎斷面高為165.5 mm。

表1 輪胎胎冠曲線設計參數 mm

3種方案采用相同的內部結構，主要骨架材料為：胎體結構 1層胎體簾布層反包，胎體簾線材料（壓延密度） 3×0.24/9×0.225CCHT鋼絲簾線（50根?dm-1），胎體簾線角度 90°，胎體簾線直徑 0.94 mm，1#和2#帶束層材料（壓延密度） 0.37＋6×0.32ST鋼絲簾線（51根?dm-1），1#和2#帶束層角度 18°，1#和2#帶束層簾線直徑 1.02 mm，加強層材料（壓延密度） 2＋2×0.25HT鋼絲簾線（63根?dm-1），加強層簾線角度 40°，加強層簾線直徑 0.66 mm，鋼絲圈結構 斜六角形（排列方式4-5-6-5），鋼絲圈單絲直徑 1.65 mm。建立3種方案輪胎模型，用于有限元仿真計算。

2 結果與討論

2.1 靜負荷性能

使用有限元軟件進行輪胎靜負荷性能試驗仿真，試驗輪輞為5 1/2J標準輪輞，充氣壓力為650 kPa，負荷為1 180 kg；未考慮輪胎花紋塊中鋼片的影響，計算3種方案輪胎的接地印痕參數，結果見 圖1。

圖1 3種方案輪胎的接地印痕

由圖1可見，3種方案輪胎的接地印痕形狀不同，隨著h的減小，輪胎肩部花紋塊的接地壓力逐漸增大、胎冠中心部位花紋塊的接地壓力逐漸減小，使輪胎接地面各點的壓力分布整體趨于均勻，從而提高輪胎的耐磨性能。

3種方案輪胎靜負荷性能試驗結果如表2所示。其中，接地因數＝接地印痕長軸長度/接地印痕短軸長度，矩形率＝接地印痕長軸長度/肩部印痕長度（接地印痕短軸半寬×80%位置，采用有限元仿真計算的左/右胎肩印痕長度相差很小），平均接地壓力＝負荷/有效接地面積，硬度因數＝負荷/（有效接地面積×輪胎充氣壓力）[2]。

表2 輪胎靜負荷性能試驗結果

由表2可見：方案1輪胎的接地因數比其他方案輪胎大，表明方案1輪胎接地時胎冠部位的壓縮和變形更大，抓著性能和操控性能較好，同時滾動阻力較高[3]；方案1輪胎的平均接地壓力較大，輪胎的抓著性能好，但平均接地壓力大會造成輪胎磨損較嚴重[3]，且方案1輪胎接地壓力分布不均勻，易造成輪胎胎肩部位偏磨現象。

矩形率＞1時，接地印痕形狀為圓形；矩形 率＝1時，接地印痕形狀為矩形；矩形率＜1時，接地印痕形狀為蝴蝶型[4]。由表2可見，方案3輪胎的矩形率接近1，接地印痕形狀為矩形，輪胎的耐磨性能好。

接地壓力偏度值是表征輪胎胎冠接地壓力分布離散程度的指標，即計算胎冠部位各點接地壓力樣本總體的標準偏差。相同條件下，接地壓力分布均勻性是評價子午線輪胎磨損的重要指標，因此接地壓力偏度值可作為反映輪胎接地特性的指標[5]。方案3輪胎的接地壓力偏度值最小、平均接地壓力也較小，因此方案3輪胎的胎冠部位磨損均勻，輪胎耐磨性能好。

當硬度因數＝1時，表明輪胎充氣壓力正好能夠承受輪胎全部負荷；硬度因數＜1時，表明輪胎充氣壓力足夠承受輪胎負荷且有剩余；硬度因 數＞1時，表明輪胎充氣壓力不足以承受輪胎負荷，部分負荷需要輪胎自身材料強度承受，此時輪胎易提前損壞。由表2可見，3種方案輪胎硬度因數都大于1，表明3種方案輪胎充氣壓力都不夠承受輪胎全部負荷，輪胎部分負荷需自身材料參與承擔，此時輪胎自身材料變形會增大，而輪胎滾動阻力主要來源于材料變形，因此需降低輪胎的硬度因數。

2.2 滾動阻力和耐久性能

輪胎對汽車燃油能量的消耗主要表現在滾動阻力上，輪胎滾動阻力主要表現為空氣阻力、輪胎變形產生的滯后損失和摩擦阻力3個方面。其中空氣阻力占比為0～15%，輪胎滯后損失占比為80%～90%，摩擦阻力占比小于5%，因此輪胎滾動阻力產生的原因主要是輪胎自身材料變形帶來的能量消耗[1]。通過有限元仿真計算輪胎滾動阻力，未考慮輪胎花紋塊中鋼片的影響，試驗數據見 表3。

表3 輪胎滾動阻力和應變能密度

圖3 3種方案輪胎胎圈部位應力分布

調整輪胎h，不僅會改變輪胎胎肩部位的受力分布，也會改變胎圈部位的受力分布，如圖2和3所示。使用基于有限元分析計算應變能密度的方法可以預測輪胎的耐久性能[6-7]。從表3及圖2和3可見，方案2輪胎的2#帶束層端點應變能密度、胎體簾布反包端點應變能密度和加強層反包端點應變能密度（所選骨架材料的端點位置都是輪胎行駛中易損壞部位）比其他兩個方案輪胎小，說明方案2輪胎的耐久性能優于其他兩個方案輪胎。

圖2 3種方案輪胎胎肩部位應力分布

3 結論

有限元分析結果表明，通過調整195/85R16LT輪胎外輪廓曲線的h，一方面可改變輪胎接地印痕形狀、胎冠部位接地壓力分布，另一方面也改變了輪胎整體變形，即：隨著h的減小，輪胎胎肩部位花紋塊的接地壓力逐漸增大、胎冠中心部位花紋塊的接地壓力逐漸減小，胎肩部位的受力分布和胎圈部位的受力分布也發生變化；方案1輪胎（h＝6.5 mm）的接地因數和平均接地壓力最大，接地壓力分布不均勻，抓著性能和操控性能較好，滾動阻力較高，耐磨性能差；方案3輪胎（h＝5.5 mm）接地印痕的矩形率接近1，接地印痕形狀為矩形，接地壓力偏度值最小，平均接地壓力也較小，耐磨性能好；方案2輪胎（h＝6 mm）的2#帶束層端點應變能密度、胎體簾布反包端點應變能密度和加強層反包端點應變能密度最小，耐久性能最好。這為優化輪胎外輪廓曲線設計提供了樣本參考。