袁定軍，王勝學(xué)，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(chǎn)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(zhì)量問題為胎肩脫層和花紋掉塊，退賠率約為15%；而當(dāng)?shù)厥袌鲋饕N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(zhì)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(fā)設(shè)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(jìn)一步提高輪胎質(zhì)量，在減小輪胎質(zhì)量的同時提高其耐久性能，增強(qiáng)品牌美譽(yù)度以及提高產(chǎn)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(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，成功開發(fā)了10.00—20 16PR A-3花紋輪胎（簡稱A-3花紋輪胎），現(xiàn)將其優(yōu)化設(shè)計情況介紹如下。

1 設(shè)計目標(biāo)

A-3花紋輪胎的設(shè)計目標(biāo)是質(zhì)量比老產(chǎn)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(nèi)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(shè)計思路和措施

2.1 改進(jìn)模具設(shè)計

A-2花紋輪胎在市場及室內(nèi)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(fā)現(xiàn)，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(yīng)力及縱向和徑向剪切應(yīng)力大，因此有限元設(shè)計思路為：降低胎肩處橡膠單元應(yīng)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(shù)（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(jìn)行調(diào)整[5-6]，改進(jìn)模具設(shè)計，將胎冠弧由原來的1段?。ò霃綖?50 mm）調(diào)整為2段?。ò霃椒謩e為400和85 mm），此時肩部厚度增大了1.5 mm，導(dǎo)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(diào)整胎體簾布

為降低緩沖層端點橡膠單元應(yīng)力，調(diào)整胎體簾布結(jié)構(gòu)，即胎體選取TT，TN和NN 3個規(guī)格錦綸簾布（分別對應(yīng)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(shù)據(jù)在Abaqus軟件中進(jìn)行本構(gòu)擬合，并根據(jù)擬合結(jié)果選取Neo Hooke本構(gòu)模型進(jìn)行計算。

將TT，TN和NN 3個規(guī)格錦綸簾布分別帶入輪胎有限元模型（見圖1）中進(jìn)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(yīng)力分別為0.41，0.38和0.28 MPa，最小應(yīng)力分別為0.19，0.13和0.06 MPa?？芍?，胎體選用NN錦綸簾布時胎肩橡膠單元格最大應(yīng)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(jīng)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(yōu)化胎面膠配方

對胎面冠部膠、基部膠和緩沖膠配方進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，即減小炭黑用量，以提高冠部膠和基部膠的定伸應(yīng)力，并將定伸應(yīng)力排布由原來的冠部膠高于基部膠調(diào)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(shè)計后，在A-2花紋輪胎模具的基礎(chǔ)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(yōu)化配方），與MRF M77花紋輪胎、A-1花紋輪胎和A-2花紋輪胎進(jìn)行質(zhì)量、接地印痕和耐久性能對比試驗。

3.1 質(zhì)量

經(jīng)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(zhì)量分別為57.65，59.91，57.22和56.81 kg。A-3花紋輪胎的質(zhì)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(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。

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(jié)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(shù)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(shè)計預(yù)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(nèi)試驗方法》進(jìn)行測試，累計行駛時間達(dá)到47 h后，每10 h負(fù)荷增大10%繼續(xù)試驗，直到輪胎損壞為止。結(jié)果表明，MRF M77花紋輪胎、A-1花紋輪胎、A-2花紋輪胎、優(yōu)化配方A-2花紋輪胎（胎面冠部膠、基部膠和緩沖膠采用優(yōu)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?？梢姡篈-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(yōu)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(jìn)行改進(jìn)設(shè)計有效提高了輪胎耐久性能；同時優(yōu)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(yōu)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(yōu)化有效外，有限元分析對模具進(jìn)行改進(jìn)設(shè)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(zhì)量減小以滿足設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，耐久性能大幅提高，達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。

4 結(jié)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(shè)計成功開發(fā)了A-3花紋10.00—20 16PR輪胎，通過采取改進(jìn)模具設(shè)計、調(diào)整胎體簾布和優(yōu)化胎面膠配方等措施，在經(jīng)過多輪試驗驗證的情況下最終達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)，即在減小輪胎質(zhì)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(jīng)陸續(xù)小批量投放印度尼西亞市場，產(chǎn)品使用效果良好，后續(xù)實際使用效果仍在市場驗證中。