基于有限元技術優化設計10.00—20 16PR斜交輪胎

袁定軍，王勝學，王建兵，陳五七，楊慧英

[中策橡膠（建德）有限公司，浙江 建德 311606]

印度尼西亞是典型的熱帶雨林氣候，年平均溫度為25～27 ℃，且四季無差別。印度尼西亞礦產資源豐富，斜交輪胎市場用量依然很大。我公司原銷往印度尼西亞市場的10.00—20 16PR A-1花紋輪胎（簡稱A-1花紋輪胎）實際使用壽命約3個月，主要質量問題為胎肩脫層和花紋掉塊，退賠率約為15%；而當地市場主要銷售的競品——10.00-20 16PR MRF M77花紋輪胎（簡稱MRF M77花紋輪胎）實際使用壽命約為5個月，主要質量問題為肩空，退賠率約為5%。

針對市場反饋，我公司自主開發設計了10.00—20 16PR A-2花紋輪胎（簡稱A-2花紋輪胎），實際使用效果有待市場最終反饋。與此同時，為進一步提高輪胎質量，在減小輪胎質量的同時提高其耐久性能，增強品牌美譽度以及提高產品在印度尼西亞斜交輪胎市場的占有率，我公司采用有限元分析軟件在A-2花紋輪胎的基礎上進行優化設計，成功開發了10.00—20 16PR A-3花紋輪胎（簡稱A-3花紋輪胎），現將其優化設計情況介紹如下。

1 設計目標

A-3花紋輪胎的設計目標是質量比老產品A-1花紋輪胎減小2.20 kg以上，與競品MRF M77花紋輪胎接近；室內耐久性能試驗中累計行駛時間比A-1花紋輪胎至少延長10 h。

2 設計思路和措施

2.1 改進模具設計

A-2花紋輪胎在市場及室內耐久性能試驗中的損壞形式均為胎肩脫層。通過有限元分析發現，A-2花紋輪胎的胎肩處緩沖層端點橡膠單元受到的縱向應力及縱向和徑向剪切應力大，因此有限元設計思路為：降低胎肩處橡膠單元應力，同時確保輪胎的接地特性[1-4]。

A-2花紋輪胎的接地印痕矩形因數（接地印痕短軸長度與接地印痕長軸長度之比）較小，為改善輪胎的接地特性，對輪胎外輪廓曲線進行調整[5-6]，改進模具設計，將胎冠弧由原來的1段弧（半徑為350 mm）調整為2段弧（半徑分別為400和85 mm），此時肩部厚度增大了1.5 mm，導致胎肩散熱性能下降，因此需要將肩部散熱溝的深度增大1.2 mm。

2.2 調整胎體簾布

為降低緩沖層端點橡膠單元應力，調整胎體簾布結構，即胎體選取TT，TN和NN 3個規格錦綸簾布（分別對應2100dtex/2加密錦綸簾布、2100dtex/2V1錦綸簾布和1400dtex/2加密錦綸簾布），將其拉伸數據在Abaqus軟件中進行本構擬合，并根據擬合結果選取Neo Hooke本構模型進行計算。

將TT，TN和NN 3個規格錦綸簾布分別帶入輪胎有限元模型（見圖1）中進行仿真計算，并建立胎肩單元集合，得到緩沖層端點橡膠單元格S33最大應力分別為0.41，0.38和0.28 MPa，最小應力分別為0.19，0.13和0.06 MPa。可知，胎體選用NN錦綸簾布時胎肩橡膠單元格最大應力下降幅度最大，效果最好。因此，A-3花紋輪胎的骨架材料采用11層NN胎體簾布，即A-1花紋輪胎的骨架材料采用8層TT胎體簾布＋2層TN胎體簾布＋2層窄緩沖層，A-2花紋輪胎的骨架材料采用11層NN胎體簾布＋1寬1窄緩沖層，A-3花紋輪胎的骨架材料也采用11層NN胎體簾布＋1寬1窄緩沖層。

圖1 輪胎有限元模型輪廓

此外，經解剖分析，競品MRF M77花紋輪胎骨架材料采用10層NN胎體簾布＋2寬緩沖層。

2.3 優化胎面膠配方

對胎面冠部膠、基部膠和緩沖膠配方進行優化設計，即減小炭黑用量，以提高冠部膠和基部膠的定伸應力，并將定伸應力排布由原來的冠部膠高于基部膠調整為基部膠高于冠部膠，同時降低冠部膠、基部膠和緩沖膠的生熱[7]。

3 成品輪胎性能

A-3花紋輪胎采用有限元分析設計后，在A-2花紋輪胎模具的基礎上加工新模具，并試制成品輪胎（胎面冠部膠、基部膠和緩沖膠采用優化配方），與MRF M77花紋輪胎、A-1花紋輪胎和A-2花紋輪胎進行質量、接地印痕和耐久性能對比試驗。

3.1 質量

經稱量，MRF M77花紋輪胎、A-1花紋輪胎、A-2花紋輪胎和A-3花紋輪胎的質量分別為57.65，59.91，57.22和56.81 kg。A-3花紋輪胎的質量比A-1花紋輪胎減小了3.10 kg，比A-2花紋輪胎減小了0.41 kg，達到了設計目標。

3.2 接地印痕

MRF M77花紋輪胎、A-1花紋輪胎、A-2花紋輪胎和A-3花紋輪胎的接地印痕實測結果如圖2所示。

圖2 MRF M77花紋、A-1花紋、A-2花紋和A-3花紋輪胎的接地印痕

從圖2可以看出，A-3花紋輪胎的接地印痕矩形因數為0.796，比A-1花紋輪胎增大了0.039，比A-2花紋輪胎增大了0.032，接近競品MRF M77花紋輪胎（略小0.030），符合設計預期。

3.3 耐久性能

輪胎的耐久性能按照GB/T 4501—2016《載重汽車輪胎性能室內試驗方法》進行測試，累計行駛時間達到47 h后，每10 h負荷增大10%繼續試驗，直到輪胎損壞為止。結果表明，MRF M77花紋輪胎、A-1花紋輪胎、A-2花紋輪胎、優化配方A-2花紋輪胎（胎面冠部膠、基部膠和緩沖膠采用優化配方）和A-3花紋輪胎的在耐久試驗中累計行駛時間分別為140.52，113.68，119.28，123.05和133.65 h。可見：A-3花紋輪胎的累計行駛時間比A-2花紋輪胎延長了14.37 h，比優化配方A-2花紋輪胎延長了10.60 h，表明有限元分析對模具進行改進設計有效提高了輪胎耐久性能；同時優化配方A-2花紋輪胎的累計行駛時間比A-2花紋輪胎延長了3.77 h，表明胎面冠部膠、基部膠和緩沖膠的配方優化有效提高了輪胎的耐久性能；A-3花紋輪胎的累計行駛時間比A-1花紋輪胎延長了19.97 h，表明除了胎面冠部膠、基部膠和緩沖膠的配方優化有效外，有限元分析對模具進行改進設計起主要作用；A-3花紋輪胎的累計行駛時間比MRF M77花紋輪胎短了6.87 h，相差不大。A-3花紋輪胎在質量減小以滿足設計要求的基礎上，耐久性能大幅提高，達到了設計目標。

4 結語

為滿足印度尼西亞市場需求，與競品MRF M77花紋輪胎競爭，采用有限元設計成功開發了A-3花紋10.00—20 16PR輪胎，通過采取改進模具設計、調整胎體簾布和優化胎面膠配方等措施，在經過多輪試驗驗證的情況下最終達到了設計目標，即在減小輪胎質量的同時大幅提高了輪胎的耐久性能。

目前，10.00—20 16PR A-3花紋輪胎已經陸續小批量投放印度尼西亞市場，產品使用效果良好，后續實際使用效果仍在市場驗證中。