李 浩，郭磊磊，楊和濤，李啟輝

（杭州海潮橡膠有限公司，浙江 杭州 310018）

輪胎對汽車的安全性非常重要，普通輪胎在高速行駛的過程中一旦爆胎或者被扎破，其充氣壓力在極短的時間內(nèi)就會降到零，輪胎迅速變形失去支撐車輛的作用，胎圈脫離輪輞，駕駛員無法正常控制車輛行駛方向和制動，甚至導(dǎo)致嚴重的交通事故。而缺氣保用輪胎擁有非常有韌性和支撐性的胎側(cè)[1-5]，在行駛時即使發(fā)生突然漏氣的情況仍然能夠給車輛一定的支撐，在保障司機及乘客的生命和財產(chǎn)安全的同時避免了攜帶備胎的不便。目前缺氣保用輪胎已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，特別是在一些高端汽車以及特種汽車領(lǐng)域[6-7]。

安全、舒適、環(huán)保是當前轎車輪胎發(fā)展的潮流，缺氣保用輪胎在零充氣壓力的狀態(tài)下仍能夠保證汽車的安全性能，其主要靠支撐膠結(jié)構(gòu)提供一定的徑向和側(cè)向支撐，但是在正常充氣狀態(tài)下缺氣保用輪胎的徑向剛度較大，降低了乘坐舒適性。本工作進行提高缺氣保用輪胎乘坐舒適性以及從工藝方面解決胎里氣泡問題的研究。

1 缺氣保用輪胎的結(jié)構(gòu)特征

圖1和2分別示出了正常充氣壓力和零充氣壓力下的普通輪胎和缺氣保用輪胎狀態(tài)。從圖1和2可以看出，缺氣保用輪胎在胎側(cè)區(qū)域增加了支撐膠結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)具有韌性高、支撐性好及低生熱、耐高溫的特點。在零充氣壓力狀態(tài)下，普通輪胎沒有任何支撐作用，輪輞直接與地面接觸，而缺氣保用輪胎由于內(nèi)部氣壓的缺失，胎面中間部分向內(nèi)部方向凸起，不再與路面接觸，絕大部分的負荷都集中在兩側(cè)的胎肩上[8]。

圖1 正常充氣壓力下的普通輪胎和缺氣保用輪胎狀態(tài)示意

圖2 零充氣壓力下的普通輪胎和缺氣保用輪胎狀態(tài)示意

2 舒適型缺氣保用輪胎的設(shè)計優(yōu)化及仿真

2.1 設(shè)計方案

以255/55R18缺氣保用輪胎為研究對象，在原設(shè)計方案[見圖3（a）]的基礎(chǔ)上，通過降低輪胎的徑向剛性和改善輪胎接地壓力分布來提高輪胎乘坐舒適性，主要優(yōu)化方法是在原方案的基礎(chǔ)上將支撐膠的厚度由9.5 mm減小至7.4 mm[見圖3（b）]。兩種設(shè)計方案支撐膠硫化后的硬度和耐屈撓性能接近，但優(yōu)化方案支撐膠60 ℃時的損耗因子（tanδ）比原方案減小13%左右，表明優(yōu)化方案支撐膠的生熱較低。

圖3 255/55R18缺氣保用輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

2.2 有限元仿真材料模型

Mooney-Rivlin模型適用于中、小變形，一般適用于拉伸率不大于100%或壓縮率不大于30%的應(yīng)變情況[9]。Mooney-Rivlin模型的表達式為

式中，C10和C01為材料常數(shù)；I1和I2為變形張量第1、第2不變量。

通過單軸拉伸確定橡膠材料的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系，再根據(jù)試驗參數(shù)擬合出C10和C01。本研究輪胎模型橡膠材料采用Mooney-Rivlin模型描述其力學性質(zhì)，帶束層簾線、胎體簾線和冠帶層簾線等骨架材料采用線彈性材料描述。

2.3 缺氣保用輪胎有限元模型

采用帶花紋縱溝輪胎進行建模，輪胎模型為軸對稱結(jié)構(gòu)。根據(jù)材料分布圖利用HyperMesh軟件采用CGAX4H，CGAX3H和SFMGAX1單元完成輪胎斷面模型，如圖4所示。利用Abaqus軟件的*SYMMETRIC MODEL GENERATION，REVOLVE命令將輪胎斷面模型旋轉(zhuǎn)生成完整輪胎模型[10]，如圖5所示。輪胎試驗驗證工況為：負荷 930 kg，充氣壓力 220 kPa，裝配輪輞 8J。

圖4 輪胎斷面有限元模型

圖5 輪胎有限元模型

2.4 仿真結(jié)果分析

兩方案輪胎的接地斷面變形如圖6所示。

圖6 兩方案輪胎的接地斷面變形

由圖6可知，原方案輪胎接地斷面最大變形約為29.5 mm，優(yōu)化方案輪胎接地斷面最大變形約為31.7 mm，在同樣負荷條件下優(yōu)化方案輪胎變形較大。

兩方案輪胎的徑向負荷-位移曲線如圖7所示。

圖7 兩方案輪胎的徑向負荷-位移曲線

由圖7可知，同樣負荷條件下，優(yōu)化方案輪胎的下沉量明顯大于原方案輪胎。

表1示出了兩方案輪胎的徑向剛度。

表1 兩方案輪胎的徑向剛度

從表1可以看到，優(yōu)化方案輪胎的徑向剛度比原方案輪胎降低了10%，說明調(diào)整支撐膠結(jié)構(gòu)能夠有效降低缺氣保用輪胎的徑向剛度。輪胎徑向剛度的降低可提高乘坐舒適性。

圖8示出了兩方案輪胎的接地壓力分布仿真結(jié)果。

圖8 兩方案輪胎的接地壓力分布仿真結(jié)果

由于原方案輪胎的胎側(cè)的徑向變形比優(yōu)化方案輪胎小，其胎肩區(qū)域相對于優(yōu)化方案輪胎承擔了更大的負荷，導(dǎo)致原方案輪胎的胎肩部位接地壓力更大。雖然優(yōu)化方案輪胎的胎肩也是整個胎面承受負荷最大的區(qū)域，但是胎中區(qū)域的接地壓力相對于原方案輪胎更高一些，整體來說優(yōu)化方案輪胎的接地壓力分布更均勻。通過對比圖8（紅色線框內(nèi)的為胎中區(qū)域，兩側(cè)為胎肩區(qū)域）兩方案輪胎的接地壓力可以看出，原方案輪胎胎肩與胎中區(qū)域最大接地壓力差為0.255 MPa，比優(yōu)化方案輪胎的胎肩與胎中區(qū)域最大接地壓力差（0.187 MPa）高了約27%。因此整體來說，優(yōu)化方案輪胎的接地壓力分布更均勻。

2.5 測試性能分析

根據(jù)企業(yè)試驗標準，對兩方案輪胎進行零氣壓耐久性能測試，速度為80 km·h-1、負荷率為65%。結(jié)果表明，原方案和優(yōu)化方案輪胎的零氣壓耐久時間分別為115和109 min，兩方案輪胎零氣壓耐久時間接近，且均超過標準規(guī)定時間，滿足標準要求。雖然優(yōu)化方案輪胎的徑向剛度小，零充氣壓力工況下變形大，但是相對于原方案輪胎，優(yōu)化方案輪胎的支撐膠材料生熱低，且支撐膠厚度小、散熱快，不易在支撐膠部位積蓄能量。

在中汽中心鹽城汽車試驗場進行輪胎舒適性場地測試，試驗車輛為寶馬X5，輪胎充氣壓力為230 kPa，車輛負荷為2人。兩方案輪胎的場地測試結(jié)果如表2所示。

表2 兩方案輪胎的場地測試結(jié)果主觀評價值

由表2可知，優(yōu)化方案輪胎較原方案輪胎在舒適性項目中評分提高，操控性項目中側(cè)向支撐和轉(zhuǎn)向響應(yīng)略有降低，整體滿足要求。

3 生產(chǎn)工藝優(yōu)化

3.1 胎里氣泡問題分析

缺氣保用半鋼子午線輪胎的胎里氣泡主要發(fā)生在支撐膠與內(nèi)襯層之間及支撐膠與胎體簾布之間兩個部位[10]，如圖9所示。常規(guī)輪胎生產(chǎn)成型鼓鼓面為平面，由于支撐膠貼合在內(nèi)襯層與胎體簾布之間，支撐膠厚度較大，成型時上支撐膠后再上胎體簾布，導(dǎo)致胎體簾布貼合后支撐膠內(nèi)端點處胎體架空，存在大量氣泡。

圖9 層間氣泡位置

3.2 解決方案

在成型鼓肩增設(shè)凹糟，如圖10所示。增設(shè)凹糟后支撐膠貼合后鼓面平整，解決了胎體簾布與內(nèi)襯層之間存在氣泡的問題。

圖10 凹槽成型鼓

為增強胎坯成型時的排氣功能，支撐膠擠出時采用加熱刺針進行刺孔，刺孔貫穿整膠厚度。胎坯成型時，通過敷貼和充氣膨脹將胎里存在的氣體排出，減少了胎里氣泡的產(chǎn)生。刺孔后的支撐膠如圖11所示。

圖11 刺孔后的支撐膠

4 結(jié)論

（1）合理地減小支撐膠的厚度，能夠降低缺氣保用輪胎的徑向剛度，同時使其靜態(tài)接地壓力分布更均勻，從而提高了缺氣保用輪胎的乘坐舒適性。

（2）支撐膠采用tanδ較小的材料，可以降低支撐膠部位的生熱和能量損失。

（3）通過增加成型鼓凹槽設(shè)計和支撐膠刺孔裝置，解決了胎體簾布與內(nèi)襯層之間存在氣泡的問題，提高了缺氣保用輪胎的質(zhì)量。