第９期 尚文艺等．纵向花纹载重斜交轮胎受力分析及花纹沟底裂口改善措施 ５３１ 纵向花纹载重斜交轮胎受力分析及 花纹沟底裂口改善措施 尚文艺，于信伟，别、宝兴，高 明 （三角轮胎股份有限公司，山东威海２６４２００） 摘要：根据对载重斜交轮胎纵向花纹块的受力分析，采取改善轮胎轮廓设计、优化接地印痕形状和接地压力分布、 改善花纹沟形状、减小花纹块曲折度、减小花纹深度和花纹块所占比率及合理设计花纹沟下部圆弧等措施，可以降低 花纹沟底的应力集中和橡胶的应变幅度，提高胶料的耐疲劳寿命，进而改善花纹沟底裂口现象。 关键词：载重斜交轮胎；纵向花纹；花纹沟底裂口；受力分析 中图分类号：ＴＱ３３６．１ １；Ｏ２４１．８２ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００６—８１７１（２０１２）０９—０５３１—０４ 轮胎是汽车唯一的接地部件，起承受负荷、缓 １病象分析 冲惯性、传递扭矩及驱动和制动等作用。轮胎是 纵向花纹载重轮胎的沟底裂口主要集中在中 橡胶和骨架材料的复合体，在上述功能实现的同 间花纹块的两边＿】］，常出现在轮胎花纹磨损的早 时也会产生周期性的应力和应变，这是造成轮胎 期，通常有两种形式，一种是平行于花纹块底部向 疲劳损坏的主要原因。这种损坏与轮胎的使用环 花纹块的根部横向切入，如图１中１－１ 所示，另一 境（包括车辆情况、载荷大小、行驶路况、速度、温 种是裂口沿着花纹沟的方向纵深发展，如图１中 度和充气压力等）是密不可分的，但可以通过受力 ２—２ 所示。 分析指导轮胎优化设计而加以改善。 由于全钢载重子午线轮胎价格较高，因此载 重斜交轮胎产品仍有较大市场需求，其中纵向花 纹载重斜交轮胎具有外观比较美、滚动阻力小及 防侧滑性能好的特点，在公共汽车全轮位和载重 货车的导向轮位上被广泛采用。 近年来，随着汽车工业和道路建设的快速发 展，汽车平均行驶速度不断提升，纵向花纹轮胎在 图１轮胎花纹沟底裂口损坏现象 使用的中前期易出现花纹沟底裂口现象，给车辆 正常运转带来安全隐患，轮胎的翻新率也受到影 ２ 受力分析 响，使轮胎的综合使用价值大大降低，尤其是城市 纵向花纹载重斜交轮胎的断面如图２所示。 公交汽车。 胎冠中心受力分析如图３所示，其中 轴为转向 本研究根据载重斜交轮胎纵向花纹块和花纹 扭矩的作用力Ｍ和Ｍ 的方向轴，Ｙ轴为胎面与 沟底的受力情况，采用有限元分析方法对花纹沟 路面的摩擦力Ｆ的方向轴，ｚ轴为轮胎的径向负 底裂口原因进行研究，并进一步提出产品和工艺 荷作用力Ｑ与内压作用力 的方向轴。 设计的改进措施。 摩擦力的大小与负荷呈正比关系。扭力可以 作者简介：尚文艺（１９７６一），男，山东滨州人，三角轮胎股份 看作摩擦力垂直于花纹块方向产生的一个分力， 有限公司工程师，学士，主要从事轮胎配方设计和生产工艺管理 其大小与花纹块的纵向度有关，具体如下： 工作。 Ｍ ０ｃ ＦｓｉｎＯ 轮胎工业 ２０１２年第３２卷 瞬间撤离，胎冠会在内压力的作用下迅速恢复平 衡弧度，胎冠花纹块和花纹沟此时产生弹性伸张， 如图４和５所示。同时，轮胎受摩擦力的影响，花 纹块对花纹沟底部会产生纵向剪切作用，如图６ 所示。静态受力下花纹块及花纹沟的有限元分析 如图７所示。 轮胎在长时间处于高速行驶状态下，因胎冠 受力花纹沟会产生高频周期性屈挠、剪切和拉伸 变形。当变形超过橡胶的疲劳强度，就会在薄弱 图２纵向花纹载重斜交轮胎的断面 ｚ 点产生疲劳老化，强度迅速下降，出现裂口，花纹 沟屈张的裂口形式如图１的２—２ 所示，花纹块的 剪切和弹性拉伸复合作用产生的损坏裂口形式如 ｐ 图１的１—１ 所示。如果车辆在行驶过程中超载及 ０ 频繁的刹车、启动和转向，都会增大受力作用，使 Ｍ — Ｍ 花纹块沟底的变形幅度增大，从而加速胶料疲劳 Ｑ 老化，这是近年来公交汽车轮胎易出现曲折花纹 沟底裂口现象，并且前轮比后轮更显著的主要 原因。 图３胎冠中心受力分析 式中，０为主花纹块与胎冠中心线的夹角。０角度 ３ 改进措施 越小，花纹的纵向度越大，花纹的扭力值越小。 轮胎在正常行驶情况下，胎冠顶部接地受负 荷压力作用时胎冠弧度变平，花纹块和花纹沟受 到挤压产生弯曲变形；当胎冠离开接地面后负荷 ３．１轮廓设计 通过分析发现，曲折花纹沟底裂口主要集中 在中间２条沟底部位，这是由于胎冠接地部位受 力不均匀造成的。 图４花纹块受弹力作用的拉伸变形 翌 － ＼ ｜ ｛ 弹｜ ｆ Ｉ ．登 ＼ ｜ ＼ ／ ｌ 图５花纹沟受胎体变形引起的屈张变形 第９期 尚文艺等．纵向花纹载重斜交轮胎受力分析及花纹沟底裂口改善措施 ５３３ 图６花纹块受摩擦力的作用 图７花纹块及花纹沟静态受力有限元分析 通过优化轮胎内外轮廓，使设计内轮廓接近 圆形，减小充气后轮胎外直径的变化量，增大胎冠 弧度，改善接地印痕形状和增大印痕面积，降低接 触面上轮胎花纹块的受力，使花纹沟应力分布均 匀，从而达到改善花纹沟底裂口的根本目的。改 进前后接地印痕示意见图８。 图８改进前后接地印痕示意 ３．２花纹设计 通过增大花纹沟斜率及处理沟底弧度，减小 沟底橡胶变形，对花纹沟底裂口可起到明显的改 善作用。众所周知，硫化胶的疲劳寿命与应变大 小有直接关系，在动态条件下存在最小临界应变 振幅。在临界应变以下，硫化胶试样不会出现裂 纹增长，疲劳寿命极长；在临界应变以上，则疲劳 寿命急剧缩短，因为应变值会直接影响到胶料的 氧化过程。轮胎行驶过程中的变形可以近似看作 是定负荷周期变形，因此花纹沟底部的变形量越 小，胶料的疲劳寿命越长，为降低花纹沟的应变， 使沟底圆弧与花纹块挤压变形圆弧的切线成一定 角度，该角度越大，花纹沟底部变形越小。改进前 后花纹沟底设计如图９所示。 （ａ）改进前 （ｂ）改进后 图９改进前后花纹沟底设计 适当增大纵向花纹块的宽度、提高花纹块的 纵向刚度、增大花纹纵向度及降低扭力分量 （Ｆｓｉｎ０）值可降低花纹沟底变形幅度。 ３．３胎面胶料 轮胎在行驶过程中的受力变形十分复杂，但 导致曲折花纹沟底裂口的直接原因是胶料疲劳老 化，因此通过配方设计提高胶料的疲劳寿命，可以 降低应力裂纹的产生速度，减少花纹沟底裂口的 产生。硫化胶的拉伸和剪切强度及拉断伸长率均 与疲劳寿命成正比，在其他条件不变的情况下，提 高胶料的弹性，降低滞后损失，也能减缓裂纹扩 散，延长疲劳寿命。 ３．４硫化后充气工艺 斜交轮胎胎体骨架材料一般采用锦纶６或锦 ５３４ 轮胎工业 ２０１２年第３２卷 纶６６浸胶帘布，后者的热稳定性要比前者好一 些，但温度高于１００℃时两者在不受外力作用下 讨在轮胎设计和生产过程中应采取的一些改进措 施。根据实际情况，可以采取改善轮胎轮廓设计、 优化接地印痕形状和增大印痕面积、改善花纹沟 形状、提高花纹块的纵向刚度、减小花纹沟深度和 均存在明显的热收缩现象，因此当硫化结束排掉 内压后，在约１５０℃高温下锦纶帘线会迅速产生 收缩应力，导致外直径缩小。当轮胎冷却后，后充 气压力无法使变形轮胎完全恢复到正常轮廓，这 样轮胎在使用中胎冠外直径变化率要远大于正常 工艺的轮胎，从而导致花纹沟底变形异常，加剧沟 花纹块的比率、改善胶料动态物理性能及严格控 制硫化后充气工艺等改进措施，降低花纹沟底的 应力集中和橡胶的变形幅度，延长胶料的耐疲劳 寿命，达到改善花纹沟底裂口的目的。 底疲劳老化。因此，硫化结束后及时后充气并确 保后充气压力也会改善花纹沟底的变形情况。 ４ 结语 参考文献： ［１］吴学斌．载重斜交轮胎曲折花纹沟裂口原因分析及解决措施 ＥＪ］．轮胎工业，２００８，２８（３）：１７５—１７８． 收稿日期：２０１２－０３—１３ 通过对载重轮胎纵向花纹块的受力分析，探 Ｆｏｒｃｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ Ｐａｔｔｅｒｎ Ｔｒｕｃｋ ａｎｄ Ｂｕｓ Ｂｉａｓ Ｔｉｒｅ ａｎｄ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｔｒｅａｄ Ｇｒｏｏｖｅ Ｂｏｔｔｏｍ Ｃｒａｃｋ ＳＨＡＮＧ Ｗｅｎ—ｙｉ，ｙＵ Ｘｉｎ—ｗｅｉ，ＳＵＮ Ｂａｏ—ｘｉｎｇ，ＧＡＯ Ｍｉｎｇ （Ｔｒｉａｎｇｌｅ Ｔｉｒｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｗｅｉｈａｉ ２６４２００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ ｔｒｕｃｋ ａｎｄ ｂｕｓ ｂｉａｓ ｔｉｒｅ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒｅａｄ ｇｒｏｏｖｅ ｂｏｔｔｏｍ ａｎｄ ｓｔｒａｉｎ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｙ ｄｅｓｉｇｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｅｎｄｕｒａｎｃｅ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｒｅａｄ ｇｒｏｏｖｅ ｂｏｔｔｏｍ ｃｒａｃｋ．Ｔｈｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｏｆｉｌｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ，ｃｏｎｔａｃｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｇｒｏｏｖｅ ｓｈａｐｅ；ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｃｕｒｖａｔｕｒｅ ｏｆ ｐａｔｔｅｒｎ ｂｌｏｃｋ，ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｐａｔｔｅｒｎ ｇｒｏｏｖｅ ａｎｄ ｐｅｒ— ｅｅｎｔａｇｅ ｏｆ ｐａｔｔｅｒｎ ｂｌｏｃｋｓ ｉｎ ｔｈｅ ｔｉｒｅ ｔｒｅａｄ；ｐｒｏｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｒａｄｉａｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｒｅａｄ ｇｒｏｏｖｅ ｂｏｔｔｏｍ， ａｎｄ ＳＯ ｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｒｕｃｋ ａｎｄ ｂｕｓ ｂｉａｓ ｔｉｒｅ；ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｐａｔｔｅｒｎ；ｔｒｅａｄ ｇｒｏｏｖｅ ｂｏｔｔｏｍ ｃｒａｃｋ；ｆｏｒｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ 轮胎公司申请翻新轮胎ＥＰＡ认证 中图分类号：Ｕ４６３．３４１ 文献标志码：Ｄ 胎和ＨＴＬ Ｅｃｏ Ｐｌｕｓ Ｃｏｎｔｉｔｒｅａｄ挂车轮胎认证 申请。 根据ＥＰＡ认证参数，耗油量至少减小３ 才 可以认证为低滚动阻力翻新轮胎。为了获得最 小的耗油量，被认证轮胎或翻新轮胎必须用于 美国《现代轮胎经销商》（ｗｗｗ．ｍｏｄｅｒｎｔｉｒｅ— ｄｅａｌｅｒ．ｃｏｍ）２０１２年６月１２日报道： 在２０１２年３月２２—２４日举办的美国中部卡 车展览会上，轮胎公司的ＨＤＬ Ｅｃｏ Ｐｌｕｓ Ｃｏｎｔｉｔｒｅａｄ和ＨＴＬ Ｅｃｏ Ｐｌｕｓ Ｃｏｎｔｉｔｒｅａｄ轮胎成 为“聚焦翻新轮胎”活动组成部分。 驱动轮或挂车位置，并配以经ＥＰＡ认证的导向 轮轮胎，所有轮胎都必须按照制造商的规定正 确充气。 美国环境保护署（ＥＰＡ）建立了一个用于８级 ＥＰＡ认证测试程序和性能要求适用于预硫 化或模压硫化翻新驱动轮或挂车轮胎，这些轮胎 可用于８级长途运输卡车的拖拉机挂车。 （肖大玲摘译 吴淑华校） 长途运输卡车的翻新技术认证程序。标准公布 后，轮胎美国公司立即于２０１２年６月１２日 向ＥＰＡ提交了ＨＤＬ Ｅｃｏ Ｐｌｕｓ Ｃｏｎｔｉｔｒｅａｄ驱动轮
