探究200km/h以上行駛速度的TPMS橡膠氣門嘴的結構設計與研發(fā)

摘要：本研究針對200km/h 以上行駛速度下（ 以17”汽車輪輞為例） 的TPMS 橡膠氣門嘴進行了結構設計與研發(fā)，旨在提升氣門嘴在高速度下的性能和安全性。通過優(yōu)化氣門嘴的流線型設計、材料選擇和密封性能，本研究實現(xiàn)了在極端條件下的優(yōu)越表現(xiàn)。實驗結果表明，優(yōu)化后的氣門嘴在氣密性和材料強度、耐疲勞方面均超過了行業(yè)標準，具備良好的應用前景。

關鍵詞：TPMS; 橡膠氣門嘴; 結構設計; 材料選擇

引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，車輛的行駛速度不斷提升，同時由于氣門嘴制造工藝的優(yōu)化及成本的壓縮，200km/h 以上高速橡膠氣門嘴被更多主機廠所接受。在此背景下，輪胎及其附件的性能要求也隨之提高。TPMS（胎壓監(jiān)測系統(tǒng)）橡膠氣門嘴作為輪胎的重要組成部分，其結構設計直接影響到車輛的安全性和性能。本文旨在探討新型TPMS 橡膠氣門嘴的結構設計，通過實驗驗證其在高速行駛下的性能表現(xiàn)，為未來的輪胎技術研發(fā)提供理論基礎和實踐指導。

一、國內外TPMS 氣門嘴結構設計發(fā)展

（一）氣門嘴設計的發(fā)展歷程

氣門嘴設計的發(fā)展歷程可以追溯到20 世紀初，最初的氣門嘴設計主要關注基本的密封性能。隨著材料科學和制造技術的進步，氣門嘴的設計逐漸向輕量化、高性能方向發(fā)展。近年來，Smith（2015）提出，現(xiàn)代氣門嘴不僅需要滿足密封要求，還應具備耐高溫、耐化學腐蝕的特性。然而，現(xiàn)有技術在高壓力和極端環(huán)境下的可靠性仍然不足，常見的失效模式包括老化和疲勞。Chen 等（2020）指出，傳統(tǒng)橡膠材料在高溫下容易降解，導致密封失效，因此亟需開發(fā)新型復合材料以提升性能。

（二）國內外TPMS 氣門嘴結構設計發(fā)展

在TPMS 氣門嘴結構設計方面，國內外已有多項研究成果。國外的研究如Johnson（2018）探討了氣門嘴的流體動力學特性，利用計算流體動力學（CFD）模擬其在不同氣流條件下的性能，結果顯示流線型設計能顯著降低氣動阻力。國內研究方面，李明（2021）通過有限元分析（FEA）探討了氣門嘴在高壓條件下的應力分布，結果表明，優(yōu)化的幾何形狀能有效提升結構強度。兩者均強調了在設計過程中應綜合考慮材料特性與結構優(yōu)化，以應對日益復雜的使用環(huán)境。

二、TPMS 橡膠氣門嘴的結構設計

（一）TPMS 橡膠氣門嘴的結構設計的理論分析

在高速行駛中，TPMS 橡膠氣門嘴承受多種力的作用，這些力主要來源于氣動壓力、輪胎負荷以及溫度變化。應用流體力學和材料力學的基本原理，可以對氣門嘴的受力情況進行詳細分析。

1. 氣動壓力

假設氣門嘴內部的氣體壓力為P，標準情況下設定為2.5bar（即250，000Pa）。

在氣門嘴內腔體上的受力可以通過公式計算：

F氣=P·A

其中，A 為氣門嘴的橫截面積，假設直徑為5mm，則：

所以，氣動壓力產生的力為：

F 氣=250，000Pa ×1.96×10-5m2 ≈ 4.9N

2. 輪胎負荷

輪胎負荷（F 輪）可根據(jù)車輛重量和輪胎數(shù)量來計算，假設每個輪胎承受3000N 的負荷。

氣門嘴需要承受的總負荷為輪胎負荷的一部分，考慮到材料的承載能力和設計規(guī)范，設計時應留有一定的安全系數(shù)。

3. 溫度效應

橡膠材料的物理性能會隨著溫度的變化而變化。根據(jù)材料力學，材料的強度σ 會受到溫度的影響。設定高溫下的強度為σ 高和低溫下的強度為σ 低，其關系如下：

σ =σ0 ? k （T ? T0 ）

其中，k 為材料的溫度系數(shù)，T 為實際溫度，T0 為基準溫度。

4. 疲勞分析

在高速行駛狀態(tài)下，氣門嘴經歷周期性載荷。疲勞強度Sf計算公式為：

Sf=Sn/Nf

其中，Sn 為材料的名義強度，Nf 為允許的疲勞循環(huán)次數(shù)。

（二）結構優(yōu)化

1. 設計理念

為了滿足高速行駛（gt;200km/h）的需求，新型TPMS 橡膠氣門嘴的結構設計采用了以下幾個優(yōu)化策略：

（1）氣門嘴的流線型設計。通過CFD（計算流體動力學）模擬優(yōu)化氣門嘴的外形，使其在高速行駛中減少氣動阻力。這不僅有助于提高輪胎的整體空氣動力性能，還能有效提高氣流量，達到每小時7.3m3 以上，滿足用戶對充氣效率的要求。

（2）降低裝著力。傳統(tǒng)氣門嘴在安裝過程中需要較大的力氣，新型氣門嘴通過改進橡膠配方和結構設計，將裝著力控制在600N 以下，符合ETRTO 標準，顯著減少安裝難度，避免在安裝過程中對氣門嘴表面造成損傷。

（3）材料選型與配方設計。采用耐高溫、耐腐蝕且具有高彈性和高強度的復合橡膠材料，通過優(yōu)化的混煉工藝，提升橡膠的物性，確保其在極端溫度（-40° C 至120° C）和高加速度（gt;900G）下的穩(wěn)定性和密封性能。

（4）增強耐疲勞性和抗老化性。通過引入抗疲勞材料和特種添加劑，提高氣門嘴在長期使用中的耐久性。新型設計還考慮了高速行駛中的振動和應力變化，確保產品在高頻振動和壓力變化下保持完整性。

2. 潛在優(yōu)勢

（1）高效的氣流性能。通過優(yōu)化流體力學設計，氣門嘴的氣流量提升至7.3m3/h 以上，顯著提高了充氣速度，符合快節(jié)奏的出行要求。

（2）降低安裝難度。優(yōu)化的結構設計和材料使用使得安裝更加便捷，減少了用戶在安裝過程中的力氣消耗，同時避免了氣門嘴表面的損壞。

（3）高溫耐受和耐疲勞性能。新型橡膠材料的應用大大增強了氣門嘴在高溫、低溫以及長期高負荷環(huán)境下的穩(wěn)定性，適用于時速超過200km/h 的車輛。

（4）更長的使用壽命。增強抗老化和抗疲勞特性使得氣門嘴能夠長期使用而不出現(xiàn)性能下降，進一步提高了產品的市場競爭力。

三、實驗結果與討論

為了驗證新型TPMS 橡膠氣門嘴在不同速度條件下的性能表現(xiàn)，進行了多項實驗，包括氣密性測試、抗壓強度測試以及在不同速度下的耐疲勞性評估。以下為實驗結果和分析：

（一）氣密性測試

氣密性測試用于評估氣門嘴在不同壓力下的密封效果。測試壓力范圍為0-2.5 bar，并在不同速度條件下（200 km/h、234 km/h、250 km/h）進行。實驗結果顯示，在標準壓力下，氣門嘴的漏氣率保持在 0.2cc/min 以下，符合設計要求。

（二）抗壓強度測試

抗壓強度測試評估氣門嘴在不同壓力條件下的承載能力。根據(jù)實驗，氣門嘴在900G （216 km/h） 和 1050G （234 km/h）下的抗壓強度均符合要求，在1200G （250 km/h） 條件下短期使用表現(xiàn)良好，無明顯變形。

（三）疲勞測試

疲勞測試模擬了氣門嘴在高頻使用中的耐久性，測試次數(shù)為80，000 次循環(huán)。在-20° C 至70° C 的溫度循環(huán)測試中，氣門嘴表現(xiàn)穩(wěn)定，無漏氣或表面破損，表現(xiàn)出良好的耐疲勞性能。

（四）流量測試

在氣門嘴的氣流量測試中，現(xiàn)行氣門嘴的氣流量為6.4m3/h，而經過優(yōu)化設計后，氣門嘴的氣流量提升至7.3 m3/h，充氣效率大幅提升，滿足客戶的高效充氣要求。

（五）氣密性、抗壓強度和流量測試

通過實驗數(shù)據(jù)繪制的氣密性、抗壓強度和流量測試圖如下：

這些數(shù)據(jù)圖清晰地展示了氣門嘴在不同速度和條件下的性能變化，表明新型氣門嘴在高速條件下的綜合性能明顯優(yōu)于現(xiàn)行設計，具備更高的耐壓和氣密性以及更好的流量性能。

四、討論

從實驗結果來看，新型TPMS 橡膠氣門嘴在各項關鍵性能指標上都表現(xiàn)出了顯著的提升：

首先，氣密性表現(xiàn)良好；即使在250 km/h 的高速度下，氣門嘴的漏氣率仍保持在1% 以內，證明新型設計在高速行駛條件下能夠確保氣體不泄漏，符合市場要求。其次，抗壓強度顯著提升；在不同速度下，新型氣門嘴都表現(xiàn)出極強的抗壓能力，特別是在1200G （250 km/h） 下短期使用時仍然維持了穩(wěn)定的強度。最后，流量效率大幅提高；優(yōu)化后的氣門嘴流量提升至7.3 m3/h，顯著改善了充氣效率，能夠更好地滿足客戶對快速充氣的需求?？傊?，新型TPMS 橡膠氣門嘴在氣密性、抗壓強度及流量表現(xiàn)方面都有顯著的改善，具有廣泛的市場應用前景。

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