任曉靜，李國瑞，梁千頃，李圓圓

（風(fēng)神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

隨著我國汽車工業(yè)和高速公路的飛速發(fā)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(fù)荷、行駛平穩(wěn)舒適及操縱性能好的優(yōu)點(diǎn)在輪胎市場得到迅猛發(fā)展。輪胎胎面與其負(fù)荷性能及安全性有很重要的關(guān)系，在使用過程中如果出現(xiàn)花紋溝底裂口等現(xiàn)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(chǎn)生，一旦發(fā)生花紋溝底裂口，則整條輪胎不能使用。

本工作根據(jù)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(shè)計(jì)對成品輪胎花紋溝底裂口的影響，并提出相應(yīng)的解決措施。

1 損壞特征

輪胎使用早期產(chǎn)生沿花紋溝方向的縱向裂口，影響輪胎的使用安全性?；y溝底裂口多集中在邊部兩條花紋溝處，大多數(shù)情況下兩邊花紋溝同時(shí)出現(xiàn)溝底裂口現(xiàn)象?；y溝底裂口呈周向展開或者周向斷續(xù)展開，如圖1所示。

圖1 輪胎花紋溝底裂口產(chǎn)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(fù)雜且長時(shí)間處于高速行駛狀態(tài)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(chǎn)生的沖擊負(fù)荷和扭矩，導(dǎo)致輪胎花紋產(chǎn)生屈撓、剪切和拉伸變形，且變形反復(fù)發(fā)生。輪胎高速行駛時(shí)胎面膠處于持續(xù)高溫狀態(tài)，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(chǎn)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(chǎn)生的自由基與氧氣反應(yīng)，引發(fā)氧化老化，進(jìn)而產(chǎn)生微裂紋，裂紋隨時(shí)間延長逐步擴(kuò)展，從而形成周向裂紋。

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

3 模型建立

以315/60R22.5全鋼載重子午線輪胎為例，對產(chǎn)生花紋溝底裂口的市場返回輪胎進(jìn)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(jìn)行打磨、測繪、掃描并導(dǎo)入CAD，得到其幾何結(jié)構(gòu)模型[3]。輪胎的材料分布和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)有限元模型

利用有限元分析軟件對輪胎材料分布圖進(jìn)行網(wǎng)格劃分，重點(diǎn)部位網(wǎng)格細(xì)化，非重點(diǎn)部位網(wǎng)格相對稀疏，既保證分析計(jì)算的準(zhǔn)確性，又減小計(jì)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(tài)加載工況，輪輞規(guī)格為9.75，充氣壓力為900 kPa，試驗(yàn)負(fù)荷為3 550 kg，與國家標(biāo)準(zhǔn)要求相同。

4 改善措施

4.1 花紋設(shè)計(jì)

通過分析發(fā)現(xiàn)，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(yīng)力集中且受力不均勻造成的。輪胎行駛過程中，側(cè)向拉伸和徑向壓縮應(yīng)變集中于花紋溝底部，眾所周知，硫化膠的疲勞壽命與應(yīng)力大小有直接關(guān)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(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過優(yōu)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(dá)到改善花紋溝底裂口的目的[7-10]。方案3在方案2的基礎(chǔ)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(fù)荷加載下的接地壓力云圖如圖6所示。

圖6 輪胎在靜負(fù)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(jié)果可以看出，方案1和2輪胎更容易因應(yīng)力變化而產(chǎn)生花紋溝底裂口，方案3輪胎應(yīng)力較小，花紋溝底裂口風(fēng)險(xiǎn)較低。

5.2 接地面花紋塊受力

3種方案輪胎接地區(qū)域內(nèi)受力變化曲線如圖7所示。

圖7 輪胎接地區(qū)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(yīng)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(fēng)險(xiǎn)，選擇應(yīng)力最小的方案最有利。從分析結(jié)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(jìn)一步減小輪胎花紋溝底受力。

6 結(jié)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(yīng)考慮輪胎輪廓及結(jié)構(gòu)方面的因素。合理設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yīng)力集中現(xiàn)象，延緩花紋溝底裂口的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

綜合考慮輪胎的輪廓形狀和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對輪胎受力的影響，選擇合理的組合方式能完善輪胎設(shè)計(jì)理念，有效延長輪胎使用壽命，實(shí)現(xiàn)輪胎綜合性能的提升。