芳綸纖維骨架輪胎的自由滾動數值模擬分析

1、芳綸纖維骨架輪胎的自由滾動數值模擬分析譚晶1,2，吳瀟1,2，劉肖英1,2，張金云1,2，楊衛(wèi)民1,2，安瑛1,2*（1、北京化工大學 機電工程學院 2、輪胎設計與制造工藝國家工程實驗室，北京 ） 摘要：本文對芳綸纖維在汽車輪胎上的應用進行探索。利用數值模擬法研究了165/75R13和185/65R14兩種規(guī)格的常用汽車輪胎用芳綸纖維代替鋼絲帶束層和尼龍冠帶層后，在200km/h高速自由滾動工況下，對輪胎力學性能的影響，并總結芳綸纖維的應用對不同規(guī)格子午線輪胎相關性能的影響規(guī)律。結果表明：用芳綸纖維代替鋼絲帶束層后在減輕輪胎總重的同時沒有降低其使用性能；芳綸冠帶層輪胎在承載能力、耐久性和強度等

2、性能方面與現有輪胎及芳綸帶束層輪胎相比都有顯著優(yōu)勢，且輪胎規(guī)格越大，芳綸纖維冠帶層對輪胎性能的改善效果越明顯。 關鍵詞：芳綸纖維，子午線輪胎，有限元分析，自由滾動 骨架材料是保證輪胎強度、承受載荷以及保持輪胎尺寸穩(wěn)定性的關鍵性增強材料。隨著輪胎朝著子午化、高速化以及環(huán)?；l(fā)展1，對骨架材料的強度、剛度、耐疲勞等性能提出更高的要求。近年來，耐高溫、高強度、高模量、變形小的芳綸纖維廣泛應用于航空輪胎，相關研究表明芳綸骨架可以降低輪胎重量，降低滾動阻力，對輪胎的耐刺扎性、耐切割性能都有很大改善。歐美各輪胎公司已利用芳綸纖維代替鋼絲作為高性能輪胎的帶束層以及重載子午胎胎體以及工程輪胎緩沖層，得到的制品

3、質量低，滾動阻力小2。國內廣州市華南橡膠輪胎有限公司和樺林佳通輪胎有限公司等將芳綸纖維用于高性能子午線乘用輪胎的骨架材料 3-4。實驗樣胎的實驗結果直觀地驗證了用芳綸制造骨架材料相比傳統骨架材料具有不可比擬的優(yōu)勢，但是受樣胎型號、實驗數量以及人為偶然因素影響，實驗結果無法系統地說明芳綸纖維的密度、強度以及簾線角度等參數對輪胎性能影響的特定規(guī)律。本文采用ABAQUS有限元分析軟件，研究在高速自由滾動工況下，當芳綸纖維用于165/75R13和185/65R13兩種不同規(guī)格的常用汽車輪胎帶束層和冠帶層骨架材料時，相對傳統的鋼絲束帶層輪胎在輪胎力學性能上的不同，為開發(fā)高性能的新型芳綸骨架汽車輪胎提供準

4、確的理論基礎和方向性指導。1、 輪胎有限元模型的建立和驗證1.1、模型建立 本研究擬采用芳綸纖維代替現有輪胎的帶束層、冠帶層骨架材料與傳統輪胎進行對比分析，以設計出輕量化、高性能的新型輪胎。骨架材料一般包括胎體簾布層、帶束層、冠帶層、胎圈等，如圖1（a）所示。圖1（b）、（c）分別為165/75R13和185/65R13型輪胎的有限元模型。 （a）子午線輪胎骨架結構示意圖； （b）165/75R13型 （c）185/65R14型圖1. 輪胎骨架結構示圖及有限元模型建立A、B、C三種不同骨架材料的輪胎模型，綜合考慮性能和經濟性，三種輪胎模型中使用的骨架材料對比如表1示。三種輪胎的三維有限元模型結

5、構、載荷、邊界條件等完全相同，研究B、C兩種使用芳綸作為骨架材料的輪胎相對于A型使用傳統骨架材料的輪胎在力學性能上的優(yōu)越之處。表1. 三種輪胎模型的骨架材料差異類型骨架材料A聚酯胎體、鋼絲帶束層、尼龍冠帶層B聚酯胎體、芳綸纖維帶束層、尼龍冠帶層C聚酯胎體、鋼絲帶束層、芳綸纖維冠帶層本文中芳綸纖維采用平頂山河南神馬實業(yè)股份有限公司開發(fā)的1670dtex/2+1400dtex/l -88EPD型號芳綸-尼龍混紡簾線，該簾線在經向密度、簾線直徑、斷裂強度等參數指標上均優(yōu)于傳統輪胎的鋼絲簾線。汽車輪胎一般處于靜止與勻速前進的狀態(tài)，本文利用靜載來驗證模擬的可行性驗證，進而對輪胎在自由滾動下的力學性能進行

6、分析。對輪胎的靜載工況進行模擬前需要對輪胎模型進行充氣，充氣壓力為0.25MPa，徑向載荷為4500N。自由滾動狀態(tài)即輪胎處于純滾動，沒有滑動狀態(tài)。模擬輪胎處于自由滾動工況時，在靜載工況的基礎上對輪胎和輪輞施加自由滾動速度以及相應自由滾動角速度。設定的水平速度為200kM/h，自由滾動角速度為199.9/s。1.2、模擬驗證為了確保所用模型及模擬分析方法的正確性，在靜載狀態(tài)下對165/75R13與185/65R14兩種型號的普通汽車子午線輪胎進行了靜負荷的模擬及實驗。在檢測壓力250kPa，靜負荷值4.5kN的情形下，對二者進行比對。表2和表3所示分別為165/75R13和185/65R14的

7、剛度特性數值模擬結果和實驗結果的對比。由表可知，仿真結果和實驗結果相差很小，滿足工程要求，因此可用該模型和分析方法來進行輪胎力學性能的研究。表2. 165/75R13剛度特性數值對比模擬值（N/mm）試驗值（N/mm）差值（N/mm）誤差（%）徑向剛度192.45758193.37580.918220.橫向剛度92.0112892.433230.421950.縱向剛度177.95982178.376740.416920.23373表3. 185/65R14剛度特性數值對比模擬值（N/mm）試驗值（N/mm）差值（N/mm）誤差（%）徑向剛度224.80210.4914.316.798橫向剛度1

8、08.13108.270.140.129縱向剛度183.15192.078.924.6442、模擬結果與分析輪胎高速滾動時,輪胎帶束層和冠帶層作為承受載荷和保持輪胎外形的主要支撐部件5，承受著高頻率的周期性變化載荷，其承載能力、耐久性、強度等力學性能是輪胎高速行駛安全性的重要保障。帶束層對于子午線輪胎來說，是箍緊胎體的主要部件，也起一定的緩和沖擊的作用，當冠帶層承載了本來帶束層承載的一部分應力時，其等效應力和端點、中點周向應力升高，降低了帶束層等效應力和端點、中點周向應力，因此可以提高輪胎耐疲勞性能和承載性能，也能提高輪胎整體強度，減少變形。耐久性試驗中的破壞形式通常是帶束層端點脫層、胎體反包

9、端點脫層及胎肩脫層, 因此帶束層端點的受力分布是評價輪胎耐久性的重要指標。而骨架材料中點應力沿周向變化規(guī)律能反映帶束層整體的應力分布，因此可選取帶束層端點周向等效應力和帶束層中點周向等效應力作為分析參數對輪胎的耐久性進行分析。本文通過分析輪胎的帶束層、冠帶層軸向等效應力以及周向等效應力來討論高速自由滾動工況下輪胎帶束層和冠帶層的力學性能。2.1、軸向等效應力 圖2（a）、（b）所示為165/75R13、185/65R14兩種規(guī)格的輪胎沿滾動軸線方向的帶束層的等效應力曲線。165/75R13型輪胎中B型輪胎的等效應力最大值和A型非常接近，其余節(jié)點的等效應力明顯小于A型輪胎；而C型的等效應力最大值

10、僅為A型的1/3；其余各節(jié)點的等效應力均遠遠小于A型以及B型輪胎。對于185/65R14型輪胎，B型的等效應力大于A型輪胎，C型輪胎的大部分對應節(jié)點等效應力遠遠小于A及B型輪胎。(a)165/75R13型輪胎 （b）185/65R14型輪胎圖2. 輪胎帶束層軸向等效應力圖3（a）、（b）所示為165/75R13、185/65R14兩種規(guī)格輪胎沿滾動軸線方向的冠帶層等效應力。A、B兩種輪胎的等效應力值相差很少；C型輪胎各節(jié)點的等效應力均明顯大于A型輪胎。（a）165/75R13型輪胎 （b）185/65R14型輪胎圖3. 輪胎冠帶層軸向等效應力由圖可知，芳綸纖維用于輪胎帶束層對冠帶層軸向等效應力

11、的影響并不明顯；芳綸纖維用于冠帶層時，輪胎帶束層等效應力大大降低，而冠帶層等效應力上升明顯，這表明用芳綸纖維替代尼龍冠帶層后，輪胎承載能力大大優(yōu)于傳統輪胎，這是因為傳統輪胎和芳綸纖維帶束層輪胎的冠帶層并不用于承載，而芳綸纖維冠帶層輪胎是冠帶層和帶束層同時作為主承載元件，因而輪胎的承載能力大大提高。從圖2、圖3可知，輪胎規(guī)格越大等效應力改變幅度越大。2.2、帶束層周向等效應力圖4（a）、（b）所示分別為165/75R13、185/65R14兩種規(guī)格輪胎帶束層中點的周向等效應力。帶束層在滾動工況下受拉應力，三種輪胎應力沿軸向分布方式相似。l65/75R13型輪胎中A型的帶束層等效應力最大，B型其次

12、，C型最小。185/65R14型輪胎中則是B型的帶束層等效應力最大，其次是A型，C型最小。由圖可知，傳統輪胎和芳綸纖維帶束層輪胎的帶束層中點周向等效應力分布規(guī)律和傳統輪胎相同，但數值明顯小于傳統輪胎，輪胎耐久性有所提高。這是因為芳綸纖維冠帶層輪胎徑向變形明顯小于傳統輪胎，承載部件受拉伸程度降低使得受力減小。 (a)165/75R13型輪胎 (b)185/65R14型輪胎圖4. 輪胎帶束層中點周向等效應力圖5（a）、(b)所示為165/75R13, 185/65R14兩種規(guī)格輪胎的帶束層端點周向等效應力。兩種規(guī)格輪胎在非接地區(qū)域的周向等效應力相對于接地區(qū)域明顯較小，滾動前、后方分別出現了應力峰值

13、。165/75R13規(guī)格的B型輪胎的兩峰值應力比A型輪胎略小，而其余節(jié)點應力很接近，C型輪胎在接地區(qū)域的節(jié)點應力遠大于 A、B型；185/65R14規(guī)格的A、B型輪胎的等效應力曲線基本重合，C型輪胎的應力明顯大于A、B型。但用于加固帶束層鋼絲切頭部位的冠帶層芳綸簾線的拉伸強度遠高于尼龍，最大應力沒有超過其50MPa的應力值安全范圍。(a)165/75R13型輪胎 (b)185/65R14型輪胎圖5. 輪胎帶束層端點周向等效應力2.3、冠帶層周向等效應力圖6（a）、（b）所示為兩種規(guī)格輪胎的冠帶層中點周向等效應力。165/75R13型輪胎中A、B、C型的接地區(qū)域應力值大致相同，非接地區(qū)域C型應力

14、是A、B型的數倍。185/65R14型輪胎中B型的應力曲線基本與A型相同，C型輪胎各節(jié)點的等效應力均明顯大于A型輪胎，其應力大約為A型輪胎的5倍。分析原因是普通輪胎冠帶層不是主要承載部件，而是以自身收縮力箍緊帶束層來減小帶束層外擴變形6，從而增強輪胎的強度，而芳綸纖維冠帶層輪胎不同于一般輪胎，其冠帶層等效應力遠大于帶束層，即C型輪胎的冠帶層箍緊輪胎帶束層、提高輪胎整體性的同時還起到了部分承載作用。相比而言帶束層的材料對冠帶層中周向等效應力的影響不大。(a) 165/75R13型輪胎 (b) 185/65R14型輪胎圖6. 輪胎冠帶層中點周向等效應力圖7（a）、（b）所示為165/75R13、1

15、85/65R14兩種規(guī)格輪胎的冠帶層端點周向等效應力。兩種規(guī)格的三種不同骨架材料輪胎的應力分布規(guī)律相同，B型輪胎應力曲線基本與A型相同，C型輪胎的應力明顯大于A型。相比A、B型，C型輪胎的下降、上升速度明顯更高。185/65R14規(guī)格的C型輪胎接地區(qū)域內應力上升速度略高于 A、B兩種輪胎，小于165/75R13型輪胎的C型輪胎，這表明隨著輪胎規(guī)格增大,芳綸纖維冠帶層輪胎骨架材料端點應力集中的現象得到緩解。冠帶層、帶束層的端點周向應力關系與中點應力相同。(a)165/75R13型輪胎 (b) 185/65R14型輪胎圖7. 輪胎冠帶層端點周向等效應力3、結論高速自由滾動工況下,三種不同輪胎對應部

16、件的等效應力分布規(guī)律相似。芳綸帶束層輪胎相對于傳統輪胎性能沒有太大改善，但輪胎總重明顯降低，在輕量化的同時滿足了現有輪胎的使用性能要求。芳綸冠帶層輪胎的帶束層等效應力大大降低，強度較高的芳綸冠帶層承受了更多應力，與帶束層同時作為主承載元件，因此相對于僅用帶束層承載的傳統輪胎具有更好的承載能力；輪胎帶束層中點周向應力分布與傳統輪胎相同，數值遠小于傳統輪胎，輪胎耐久性得到了極大提高；輪胎冠帶層周向應力提高，更好的起到箍緊帶束層，減小輪胎外擴變形的作用，增強了輪胎強度。且隨著輪胎規(guī)格增大，優(yōu)越性更顯著。參考資料1丁劍平,俞淇,林惠音,姚鐘堯.子午線輪胎用纖維骨架材料的發(fā)展概況J.橡膠工業(yè),2004,

17、51(5):302-305.2高稱意.纖維骨架材料的現狀和新材料開發(fā)動態(tài)J.橡膠工業(yè),2004,06:371-375.3劉曉彬,黎寧,魏靜勛,黎繼榮.綸材料在高性能輪胎中的應用J.中國橡膠,2011,27(19):50-58.4周建全,姚秀紅,陳祖全,楊開玉.芳綸簾線在轎車子午線輪胎中的應用J.輪胎工業(yè),2005,25(5):273-276.5管延錦，程鋼，趙國群，單國玲.輪胎結構有限元分析應用于子午線輪胎簾線受力特性的研究J.汽車技術,2005,(3):8-10.6高稱意.子午線輪胎冠帶層用新材料J.輪胎工業(yè),2003,23(8):467- 471.Numerical Analysis of

18、 Aramid fiber tire under free rolling conditionTAN Jing, WU Xiao, LIU Xiao-ying, ZHANG Jin-yun, AN Ying*（College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, National Engineering Laboratory of Tire Design and Manufacturing Process, Beijing ）ABASTRACT: The pape

19、r explored aramid fiber using in the car tires. We study under 200km / h speed free rolling conditions, mechanics performance of 165 / 75R13 and 185 / 65R14, the two specifications of commonly used automobile tires with aramid fibers instead of steel belt layer and a nylon cap ply using numerical simulation method, and summarize the per