芳纶纤维骨架轮胎的自由滚动数值模拟分析

芳纶纤维骨架轮胎的自由滚动数值模拟分析谭晶1,2，吴潇1,2，刘肖英1,2，张金云1,2，杨卫民1,2，安瑛1,2*（1、北京化工大学机电工程学院2、轮胎设计与制造工艺国家工程实验室，北京100029）摘要：本文对芳纶纤维在汽车轮胎上的应用进行探索。利用数值模拟法研究了165/75R13和185/65R14两种规格的常用汽车轮胎用芳纶纤维代替钢丝带束层和尼龙冠带层后，在200km/h高速自由滚动工况下，对轮胎力学性能的影响，并总结芳纶纤维的应用对不同规格子午线轮胎相关性能的影响规律。结果表明：用芳纶纤维代替钢丝带束层后在减轻轮胎总重的同时没有降低其使用性能；芳纶冠带层轮胎在承载能力、耐久性和强度等性能方面与现有轮胎及芳纶带束层轮胎相比都有显著优势，且轮胎规格越大，芳纶纤维冠带层对轮胎性能的改善效果越明显。关键词：芳纶纤维，子午线轮胎，有限元分析，自由滚动骨架材料是保证轮胎强度、承受载荷以及保持轮胎尺寸稳定性的关键性增强材料。随着轮胎朝着子午化、高速化以及环保化发展[1]，对骨架材料的强度、刚度、耐疲劳等性能提出更高的要求。近年来，耐高温、高强度、高模量、变形小的芳纶纤维广泛应用于航空轮胎，相关研究表明芳纶骨架可以降低轮胎重量，降低滚动阻力，对轮胎的耐刺扎性、耐切割性能都有很大改善。欧美各轮胎公司已利用芳纶纤维代替钢丝作为高性能轮胎的带束层以及重载子午胎胎体以及工程轮胎缓冲层，得到的制品质量低，滚动阻力小[2]。国内广州市华南橡胶轮胎有限公司和桦林佳通轮胎有限公司等将芳纶纤维用于高性能子午线乘用轮胎的骨架材料[3-4]。实验样胎的实验结果直观地验证了用芳纶制造骨架材料相比传统骨架材料具有不可比拟的优势，但是受样胎型号、实验数量以及人为偶然因素影响，实验结果无法系统地说明芳纶纤维的密度、强度以及帘线角度等参数对轮胎性能影响的特定规律。本文采用ABAQUS有限元分析软件，研究在高速自由滚动工况下，当芳纶纤维用于165/75R13和185/65R13两种不同规格的常用汽车轮胎带束层和冠带层骨架材料时，相对传统的钢丝束带层轮胎在轮胎力学性能上的不同，为开发高性能的新型芳纶骨架汽车轮胎提供准确的理论基础和方向性指导。1、轮胎有限元模型的建立和验证1.1、模型建立本研究拟采用芳纶纤维代替现有轮胎的带束层、冠带层骨架材料与传统轮胎进行对比分析，以设计出轻量化、高性能的新型轮胎。骨架材料一般包括胎体帘布层、带束层、冠带层、胎圈等，如图1（a）所示。图1（b）、（c）分别为165/75R13和185/65R13型轮胎的有限元模型。（a）子午线轮胎骨架结构示意图；（b）165/75R13型（c）185/65R14型图1.轮胎骨架结构示图及有限元模型建立A、B、C三种不同骨架材料的轮胎模型，综合考虑性能和经济性，三种轮胎模型中使用的骨架材料对比如表1示。三种轮胎的三维有限元模型结构、载荷、边界条件等完全相同，研究B、C两种使用芳纶作为骨架材料的轮胎相对于A型使用传统骨架材料的轮胎在力学性能上的优越之处。表1.三种轮胎模型的骨架材料差异类型骨架材料A聚酯胎体、钢丝带束层、尼龙冠带层B聚酯胎体、芳纶纤维带束层、尼龙冠带层C聚酯胎体、钢丝带束层、芳纶纤维冠带层本文中芳纶纤维采用平顶山河南神马实业股份有限公司开发的1670dtex/2+1400dtex/l-88EPD型号芳纶-尼龙混纺帘线，该帘线在经向密度、帘线直径、断裂强度等参数指标上均优于传统轮胎的钢丝帘线。汽车轮胎一般处于静止与匀速前进的状态，本文利用静载来验证模拟的可行性验证，进而对轮胎在自由滚动下的力学性能进行分析。对轮胎的静载工况进行模拟前需要对轮胎模型进行充气，充气压力为0.25MPa，径向载荷为4500N。自由滚动状态即轮胎处于纯滚动，没有滑动状态。模拟轮胎处于自由滚动工况时，在静载工况的基础上对轮胎和轮辋施加自由滚动速度以及相应自由滚动角速度。设定的水平速度为200kM/h，自由滚动角速度为199.9/s。1.2、模拟验证为了确保所用模型及模拟分析方法的正确性，在静载状态下对165/75R13与185/65R14两种型号的普通汽车子午线轮胎进行了静负荷的模拟及实验。在检测压力250kPa，静负荷值4.5kN的情形下，对二者进行比对。表2和表3所示分别为165/75R13和185/65R14的刚度特性数值模拟结果和实验结果的对比。由表可知，仿真结果和实验结果相差很小，满足工程要求，因此可用该模型和分析方法来进行轮胎力学性能的研究。表2.165/75R13刚度特性数值对比模拟值（N/mm）试验值（N/mm）差值（N/mm）误差（%）径向刚度192.45758193.37580.918220.474837横向刚度92.0112892.433230.421950.456492纵向刚度177.95982178.376740.416920.23373表3.185/65R14刚度特性数值对比模拟值（N/mm）试验值（N/mm）差值（N/mm）误差（%）径向刚度224.80210.4914.316.798横向刚度108.13108.270.140.129纵向刚度183.15192.078.924.6442、模拟结果与分析轮胎高速滚动时,轮胎带束层和冠带层作为承受载荷和保持轮胎外形的主要支撑部件[5]，承受着高频率的周期性变化载荷，其承载能力、耐久性、强度等力学性能是轮胎高速行驶安全性的重要保障。带束层对于子午线轮胎来说，是箍紧胎体的主要部件，也起一定的缓和冲击的作用，当冠带层承载了本来带束层承载的一部分应力时，其等效应力和端点、中点周向应力升高，降低了带束层等效应力和端点、中点周向应力，因此可以提高轮胎耐疲劳性能和承载性能，也能提高轮胎整体强度，减少变形。耐久性试验中的破坏形式通常是带束层端点脱层、胎体反包端点脱层及胎肩脱层,因此带束层端点的受力分布是评价轮胎耐久性的重要指标。而骨架材料中点应力沿周向变化规律能反映带束层整体的应力分布，因此可选取带束层端点周向等效应力和带束层中点周向等效应力作为分析参数对轮胎的耐久性进行分析。本文通过分析轮胎的带束层、冠带层轴向等效应力以及周向等效应力来讨论高速自由滚动工况下轮胎带束层和冠带层的力学性能。2.1、轴向等效应力图2（a）、（b）所示为165/75R13、185/65R14两种规格的轮胎沿滚动轴线方向的带束层的等效应力曲线。165/75R13型轮胎中B型轮胎的等效应力最大值和A型非常接近，其余节点的等效应力明显小于A型轮胎；而C型的等效应力最大值仅为A型的1/3；其余各节点的等效应力均远远小于A型以及B型轮胎。对于185/65R14型轮胎，B型的等效应力大于A型轮胎，C型轮胎的大部分对应节点等效应力远远小于A及B型轮胎。02040608010012014001020304050ABC带束层等效应力/MPa胎面宽度/mm-2002040608010012014016001020304050ABC带束层等效应力/MPa胎面宽度/mm(a)165/75R13型轮胎（b）185/65R14型轮胎图2.轮胎带束层轴向等效应力图3（a）、（b）所示为165/75R13、185/65R14两种规格轮胎沿滚动轴线方向的冠带层等效应力。A、B两种轮胎的等效应力值相差很少；C型轮胎各节点的等效应力均明显大于A型轮胎。02040608010012014002040ABC冠带层等效应力/MPa胎面宽度/mm04080120160020406080ABC冠带层等效应力/MPa胎面宽度/mm（a）165/75R13型轮胎（b）185/65R14型轮胎图3.轮胎冠带层轴向等效应力由图可知，芳纶纤维用于轮胎带束层对冠带层轴向等效应力的影响并不明显；芳纶纤维用于冠带层时，轮胎带束层等效应力大大降低，而冠带层等效应力上升明显，这表明用芳纶纤维替代尼龙冠带层后，轮胎承载能力大大优于传统轮胎，这是因为传统轮胎和芳纶纤维带束层轮胎的冠带层并不用于承载，而芳纶纤维冠带层轮胎是冠带层和带束层同时作为主承载元件，因而轮胎的承载能力大大提高。从图2、图3可知，轮胎规格越大等效应力改变幅度越大。2.2、带束层周向等效应力图4（a）、（b）所示分别为165/75R13、185/65R14两种规格轮胎带束层中点的周向等效应力。带束层在滚动工况下受拉应力，三种轮胎应力沿轴向分布方式相似。l65/75R13型轮胎中A型的带束层等效应力最大，B型其次，C型最小。185/65R14型轮胎中则是B型的带束层等效应力最大，其次是A型，C型最小。由图可知，传统轮胎和芳纶纤维带束层轮胎的带束层中点周向等效应力分布规律和传统轮胎相同，但数值明显小于传统轮胎，轮胎耐久性有所提高。这是因为芳纶纤维冠带层轮胎径向变形明显小于传统轮胎，承载部件受拉伸程度降低使得受力减小。-200-150-100-5005010015020001020304050ABC带束层中点等效应力/MPa周向角度/°-200-150-100-5005010015020001020304050ABC带束层中点等效应力/MPa周向角度/°(a)165/75R13型轮胎(b)185/65R14型轮胎图4.轮胎带束层中点周向等效应力图5（a）、(b)所示为165/75R13,185/65R14两种规格轮胎的带束层端点周向等效应力。两种规格轮胎在非接地区域的周向等效应力相对于接地区域明显较小，滚动前、后方分别出现了应力峰值。165/75R13规格的B型轮胎的两峰值应力比A型轮胎略小，而其余节点应力很接近，C型轮胎在接地区域的节点应力远大于A、B型；185/65R14规格的A、B型轮胎的等效应力曲线基本重合，C型轮胎的应力明显大于A、B型。但用于加固带束层钢丝切头部位的冠带层芳纶帘线的拉伸强度远高于尼龙，最大应力没有超过其50MPa的应力值安全范围。-200-150-100-5005010015020004812ABC带束层端点等效应力/MPa周向角度/°-200-150-100-500501001502000112233ABC带束层端点等效应力/MPa周向角度/°(a)165/75R13型轮胎(b)185/65R14型轮胎图5.轮胎带束层端点周向等效应力2.3、冠带层周向等效应力图6（a）、（b）所示为两种规格轮胎的冠带层中点周向等效应力。165/75R13型轮胎中A、B、C型的接地区域应力值大致相同，非接地区域C型应力是A、B型的数倍。185/65R14型轮胎中B型的应力曲线基本与A型相同，C型轮胎各节点的等效应力均明显大于A型轮胎，其应力大约为A型轮胎的5倍。分析原因是普通轮胎冠带层不是主要承载部件，而是以自身收缩力箍紧带束层来减小带束层外扩变形[6]，从而增强轮胎的强度，而芳纶纤维冠带层轮胎不同于一般轮胎，其冠带层等效应力远大于带束层，即C型轮胎的冠带层箍紧轮胎带束层、提高轮胎整体性的同时还起到了部分承载作用。相比而言带束层的材料对冠带层中周向等效应力的影响不大。-200-150-100-50050100150200010203040506070ABC冠带层中点等效应力/MPa周向角度/°-200-150-100-5005010015020001020304050ABC冠带层中点等效应力/MPa周向角度/°(a)165/75R13型轮胎(b)185/65R14型轮胎图6.轮胎冠带层中点周向等效应力图7（a）、（b）所示为165/75R13、185/65R14两种规格轮胎的冠带层端点周向等效应力。两种规格的三种不同骨架材料轮胎的应力分布规律相同，B型轮胎应力曲线基本与A型相同，C型轮胎的应力明显大于A型。相比A、B型，C型轮胎的下降、上升速度明显更高。185/65R14规格的C型轮胎接地区域内应力上升速度略高于A、B两种轮胎，小于165/75R13型轮胎的C型轮胎，这表明随着轮胎规格增大,芳纶纤维冠带层轮胎骨架材料端点应力集中的现象得到缓解。冠带层、带束层的端点周向应力关系与中点应力相同。-200-150-100-500501001502000204060