赵 龙 ，万 同

（1.天津科技大学，天津 300457；2.银川佳通轮胎有限公司，宁夏 银川 750021）

近年来，我国公路建设和公路运输快速发展，全钢载重子午线轮胎的需求量逐年增大。目前，绝大部分长途客运汽车和相当数量的长途货运汽车使用全钢载重子午线轮胎。

为满足市场需求，提高经济效益，我公司开始研发了4层带束层结构的全钢载重子午线轮胎。带束层是轮胎的重要组成部件，其设计合理性直接影响轮胎的使用寿命。本工作主要利用有限元仿真技术，研究带束层角度变化对全钢载重子午线轮胎性能的影响。

1 方案设计

针对12R22.5 18PR全钢载重子午线轮胎，根据材料分布图，通过Abaqus/CAE软件建立轮胎二维对称轴模型；设置胎圈与轮辋接触对，实现轮胎的装配和充气工况；橡胶采用CGAX3H和CGAX4H轴对称单元模拟；带束层、胎体、钢丝包布和帘线采用SFMGAX1平面膜单元模拟，钢丝帘线与橡胶之间的作用可使用*rebar layer和*embedded element来实现；在二维模型基础上，再使用*symmetric modelgeneration命令建立三维模型，轮辋和路面简化为解析刚体。轮胎二维和三维有限元模型如图1所示。

图1 轮胎有限元模型

本工作在充气和加载下对轮胎进行有限元仿真分析，对轮胎充气后的接地面积、带束层剪切应力进行讨论分析。各种分析都在充气压力930 kPa和标准负荷3550 kg下进行。

1#带束层钢丝帘线结构为3 × 0 . 2 0 +6×0.35HT，密度为50根·cm-1；2#和3#带束层钢丝帘线结构为3+8×0.33HT，密度为45根·cm-1；4#带束层钢丝帘线结构为3×4×0.22HT，密度为40根·cm-1。带束层角度方案见表1。

表1 带束层角度方案 （°）

2 结果与讨论

2.1 仿真接地分析

轮胎行驶过程中接地面积趋于矩形、接地压力分布均匀，有利于改善轮胎的耐磨性能和抓着性能，并能有效降低轮胎使用过程中肩部应力，减少胎肩带束层端点处的生热，从而提高轮胎耐久性能。3种带束层角度方案的轮胎仿真接地印痕见图2，轮胎仿真接地尺寸见表2。

表2 轮胎仿真接地尺寸 mm

图2 轮胎仿真接地印痕

从图2和表2可以看出：方案1和2的轮胎接地印痕、接地面积、下沉量相近，接地压力梯度变化不明显；方案3的轮胎接地印痕近似椭圆，接地面积比方案1和2小，下沉量明显减小，接地压力梯度变化明显。这说明随着带束层角度减小，轮胎刚性增大，下沉量减小，接地面积减小，接地压力集中，有利于提高轮胎强度性能。

2.2 带束层端点的剪切应力分析

全钢载重子午线轮胎带束层是轮胎主要承压和受力部件之一，轮胎在行驶过程中带束层端点处会受到周期性的剪切应力。根据应变能最小理论，轮胎带束层端点应变能降低或分散有利于提高轮胎耐久性能，也就是说降低带束层端点的剪切应力可以提高轮胎耐久性能。充气和加载下的轮胎剪切应力分布分别见图3和4，带束层端点的剪切应力见表3。

从图3和4与表3可以看出：方案1和2的带束层端点的剪切应力接近，说明1#带束层角度变化对带束层端点的剪切应力影响较小；方案3的带束层端点的剪切应力较小，说明带束层角度整体减小会使带束层端点的剪切应力减小。根据应变能最小理论，剪切应力减小，该部位的生热会降低，有利于改善轮胎的耐久性能。

表3 带束层端点的剪切应力 N

图3 充气下的轮胎剪切应力分布

图4 加载下的轮胎剪切应力分布

2.3 成品轮胎性能

针对有限元仿真分析结果，采用方案1和3试制12R22.5 18PR无内胎全钢载重子午线轮胎，并测试其耐久性能和强度性能。成品轮胎耐久性能和强度性能见表4。其中耐久性能按照GB/T 4501—2008进行，试验条件：充气压力930 kPa，额定负荷3550 kg，初始行驶速度为55 km·h-1，轮胎行驶47 h后每10 h速度增大5 km·h-1，负荷率增大10%，直至轮胎破坏；强度性能按照GB/T 4501—2008进行，试验条件：充气压力930 kPa，压头直径38 mm，以一定速度压入胎冠直至刺穿爆破。

从表4可以看出：方案1轮胎的耐久性能为101.2 h，方案3轮胎的耐久性能为107.5 h，2种方案轮胎的耐久性能均达到国家标准47 h的要求，其中方案3轮胎的耐久性能优于方案1轮胎；方案1轮胎的强度性能为6096.1 J，方案3轮胎的强度性能为7152.2 J，均满足国家标准2203 J的要求，方案3轮胎的强度性能优于方案1轮胎。说明随着带束层角度减小，轮胎肩部剪切应力减小，生热降低，有利于提高成品轮胎耐久性能；轮胎接地下沉量减小，有利于提高成品轮胎强度性能。

表4 成品轮胎耐久性能和强度性能

3 结论

通过有限元仿真技术，可以较准确地分析带束层角度对全钢载重子午线轮胎性能的影响，带束层角度对轮胎的接地印痕和接地面积影响较大。随着带束层角度减小，轮胎刚性增大，下沉量减小，接地面积减小，接地压力集中，有利于提高成品轮胎的强度性能；轮胎肩部剪切应力减小，生热降低，有利于防止轮胎肩空，提高成品轮胎的耐久性能。但带束层角度并不是越小越好，如果过小，会产生轮胎偏磨等问题，为追求完美的轮胎品质还需找到带束层角度的最佳方案。