（光学工程专业论文）全钢载重子午线轮胎胎圈性能分析与改进研究.pdf

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 摘要 轮胎的子午化、无内胎化、扁平化是当前轮胎工业发展的趋势。欧美等 发达国家与地区9 0 以上的载重汽车装配了全钢载重子午线轮胎：我国载重 子午线轮胎虽然起步很晚，但发展迅速，目前我国载重轮胎的子午化率已经 达到了4 5 。随着我国国民经济的快速发展，现有的汽车保有量远远无法 满足日益增长的物资流动的要求。部分司机受利益驱动，开始超载运输；部 分汽车整车厂和汽车改装厂为谋取利益，也推波助澜，各种大吨小标车辆不 断推出，使得汽车的实际载重量普遍超出核定载重量的l 倍至3 倍乃至4 倍以上。由于承载量大，轮胎胎圈部位承受的应力变大，曲挠变形增大。造 成胎圈部位出现胎圈爆破以及圈空、圈裂等问题。 本课题对全钢载重子午线轮胎胎圈性能分析与改进研究是我公司根据 市场反馈信息独立自主进行的一个产品性能改进研究项目。主要完成了全钢 载重子午线轮胎胎圈受力状态和破坏原理分析：提出了胎圈性能改进的方向 和多种具体方案；对多种方案进行了有限元分析和产品性能预测；完成了样 品轮胎的试制及性能验证。 在对市场进行充分调查的基础上阐述了我国轮胎工业研发现状以及当 前国内在轮胎使用方面存在的各种问题，主要是超载问题。运用三维有限元 分析方法，对全钢载重子午线轮胎胎圈部位进行了力学性能分析，明确了产 生破坏的机理。 在参考世界各大轮胎公司产品设计方法的基础上，提出了多种全钢载重 子午线轮胎胎圈性能改进方案，并完成了1 0 0 0 r 2 0 规格轮胎材料分布图的 设计和施工设计。 运用三维有限元分析方法，对各种改进方案进行了力学分析，并对产品 改进后的性能进行了预测。在成功地进行了样品轮胎试制的基础上，取得了 各种方案胎圈耐久性能的试验数据，对预测结果进行了分析验证。 试验证明，部分改进方案的确使得轮胎的胎圈耐久性能得到了很大的提 升，能够切实减少市场返回轮胎数量，减少因理赔造成的经济损失，提高公 司的经济效益。 关键词子午线轮胎；胎圈；耐久性；改进 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ft i r ei st h a tt i r eb e c o m e sr a d i a lt i r e ，a n dw i t h o u ti n n e r t u b e ，a n df l a t si nt h ep r e s e n tt i r ei n d u s t r y m o r et h a n9 0p e r c e n to f a m e r i c a n e u r o p eh e a v ya u t o m o b i l eh a v eu s e da l l s t e e lr a d i a lt i r e s t h o u g hi tw a su s e d o n l yf o r af e wy e a r s ，t h er a d i a lt i r e sd e v e l o p e dv e r yf a s ti n o u rc o u n t r ya n d a b o u t4 5p e r c e n to f t i r e sa r er a d i a lt i r e s w i t hf a s td e v e l o p m e n to fe c o n o m i c ，t h e c a p a c i t yo f t r u c kc a n tm e e tt h en e e do fm a t e r i a lf l o w s o m ec o n s u m e r su s u a l l y o v e r l o a dt h e i rv e h i c l ef o rt h e i ro w nb e n e f i ta n ds o m ea u t o r e f i tf a c t o r i e s p r o d u c e dal o to fh e a v y l o a dt r u c k sb e l o ws t a n d a r d ，s os o m ev e h i c l e se n d u r ea t l e a s tt h r e eo rf o n rt i m e so ft h er a t e dl o a d b e c a u s eo fe x c e s so fi t sm a x i m u m r a t e dl o a d ，t h eb e a r i n go ft i r e m u s te n d u r e l a r g e rs t r e n g t h a n di t sf l e x i b l e d i s t o r t i o ni se v e nm o r es e r i o u s ，w h i c hr e s u l ti nt h eb r o k e nb e a d ，i n c o r r e c t l y s e a t e db e a d t h et h e s i s a n a l y z e dt h e b e a dp e r f o r m a n c eo fa 1 1s t e e lr a d i a lt i r e sa n d p e r f o r m e da m e l i o r a t i o n t h i ss t u d yw a sa ni m p r o v i n gp r o j e c t o fo u rc o m p a n y p e r f o r m e db yo u r s e l v e sa c c o r d i n gt o t h em a r k e tf e e d b a c k t h ef o r c ea n a l y s i s a n dd a m a g et h e o r ya n a l y s i sw e r ep e r f o r m e d s os o m em a t e r i a la m e l i o r a t i o n p r o j e c t s w e r ep u tf o r w a r d b yf i n i t ee l e m e n ta n a l y z i n gt ot h e p r o j e c t a n d p r e d i c t i n gt h ep r o d u c tp e r f o r m a n c e ，t h et r a i l p r o d u c e a n dp e r f o r m a n c et e s to f t i r es a m p l ew e r ef i n i s h e d + b a s i n go np l e n t yo ft h em a r k e ti n v e s t i g a t i o n s ，t h et h e s i s i n t r o d u c e dt i r e i n d u s t r ys t a t u so f o u rc o u n t r ya n dp r o b l e m so c c u r r i n gi nu s ee s p e c i a l l yo v e r l o a d b yu s i n g3 - df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h et h e s i s h a da na n a l y s i sa n dd a m a g e t h e o r ya n a l y s i s t h ep r o d u c td e s i g nm e t h o d so ft i r ef a c t o r i e si nt h ew o r l dw e r er e f e r e n c e d t oa d v a n c es e v e r a lp e r f o r m a n c ea m e l i o r a t i o np r o j e c t so fr a d i a lt i r e sd e a d t h e d e s i g n o ft i r em a t e r i a ld i s t r i b u t i o na n dc o n s t r u c t i o nw i t h1o 0 0 r 2 0a r e p e r f o r m e d b yu s i n g3 - df i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，t h ed y n a m i c sa n a l y s i so f a m e l i o r a t i n gp r o j e c t s w e r ef i n i s h e d ，a n dt h e i ra m e l i o r a t e dp e r f o r m a n c ew e r e 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 f o r e c a s t e d t h eb e a d sd u r a b i l i t yt e s t i n gd a t ao fd i f f e r e n tp r o j e c t sw e r ea t t a i n e d a n dt h ep r e d i c t i n gr e s u l t sw e r e a n a l y z e da n d d e m o n s t r a t e d t h et e s tp r o v e dt h a ti ns o m ea m e l i o r a t e dp r o j e c t st h eb e a d sp e r m a n e n c e h a sb e e ng r e a t l yi n c r e a s e d ，w h i c hc a nr e d u c ea m o u n t so ft i r e sr e t u r nf r o mt h e m a r k e ta n dc u td o w ne c o n o m i c l o s i n g t h eb e n e f i to fc o m p a n yc a nb ei n c r e a s e d k e y w o r d s r a d i a lt i r e s ，b e a d ，p e r m a n e n c e ，a m e l i o r a t i o n i i i 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源和研究意义 始于上个世纪8 0 年代初期的改革开放，将我国的国民经济带入了持续 快速发展的阶段，也带来了经济总量的不断扩大和运输需求的持续增长，带 动我国公路建设进入快速增长期。公路货运的基础能力和运输水平都有了很 大的提高，公路运输在社会运输总量中也占有了很大的比重。在高等级公路 规模迅速扩大和高等级公路网密度迅速提高的条件下，我国货运车辆的发展 却严重滞后，车辆整体水平远远不能适应高等级公路发展的要求，其货运能 力也无法满足日益增长的市场流通的需求。 根据国家统计局的统计数字【l 】，2 0 0 4 年全国在运管部门登记注册的货运 车辆为9 2 4 6 万辆，但平均吨位只有3 3 9 吨。载货车中，普通载货车占9 0 以上；普通载货车中，1 吨8 吨的中型车占了5 0 以上：大于8 吨的重型 载货车，只占所有运输车辆的3 2 。 在这种情况下，超载运输现象不可避免地出现了，而且越来越严重。根 据现场调查了解的情况，现有汽车在运输过程中一般超载3 4 倍，有的甚 至超载5 倍，很多车厢加高了2 3 层。当然所有额外增加的的负荷，最终 都将由数目不变的轮胎来承受。相对于斜交轮胎，全钢载重予午线轮胎具有 强载、耐磨、抗爆、节能、安全等优异性能1 2 i ，自然而然地成为斜交轮胎的 换代产品，并很快被广大司机认可，这也促进了我国全钢子午胎工业在上世 纪9 0 年代中后期的迅速发展， 全钢载重子午线轮胎是当前世界轮胎工业发展的主流产品，也是我国轮 胎行业更新换代的产品。在我国，子午线轮胎已经被列入国家鼓励优先发展 的产业、产品、技术目录和中国高新技术产品目录当中。 山东玲珑橡胶有限公司全钢载重子午线轮胎项目于2 0 0 1 年1 1 月份开始 开工建设，2 0 0 2 年1 0 月1 8 日第一条全钢载重子午线轮胎下线，到2 0 0 4 年 6 月已经形成了年产1 0 0 万套的规模。产品在上市之初，以稳定的质量受到 了广大经销商和用户的欢迎。但随着时间的推移问题出现了。根据我们的 统计，由于超载造成的社会返回胎占返回胎总数的9 0 以上，其中7 0 以 上问题出在胎圈部位，个别超载比较严重的地区这一比例甚至高达8 0 以 上，严重影响了玲珑公司的经济效益。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 因此，尽快提高玲珑公司全钢载重子午线轮胎的抗超载性能，就成为我 们面临的最大的任务。 从2 0 0 3 年7 月份起，我们在对市场返回胎进行了全面而详细地分析并 解决了部分属于产品生产工艺的技术问题之后，开始对轮胎的胎圈部位进行 技术改造，并确定以1 0 。0 0 r 2 0 规格作为改造的样板。 本课题的任务即是全面提高玲珑公司全钢子午线轮胎的抗超载性能，不 但可以继续保有和扩大市场份额，同时可大大减少市场返回胎数量，减少因 理赔造成的经济损失，年可增加经济效益上千万元。 1 2 当前国内外全钢载重子午线轮胎研究和使用现状 轮胎的出现已有接近1 2 0 年的历史，英国人邓录普于l 9 9 5 年发明了充 气斜交轮胎，于1 9 1 3 年提出了关于子午线轮胎的设想并取得了专利，1 9 4 8 年法国米西林公司生产出第一条全钢丝轿车子午线轮胎，这件事被称为世界 轮胎工业的第二次技术革命 】；稍后又生产出全钢载重子午线轮胎。 子午线轮胎与斜交轮胎相比，在很多方面都具有明显的优越性。假定把 斜交载重轮胎的各项性能指标优势指数设定为1 0 0 ，全钢载重子午线轮胎的 各项性能指标均有较大的提升，性能指标越高性能越好，如表卜1 所示。 表1 1 子午线轮贻的优势比较表 基本 性能分类 全钢胎 说明 性能性能指标 磨耗性能 1 5 0 全钢胎的磨耗性能提高5 0 以上，每公里 经济性所需成本大大降低。 燃油消耗 1 1 0可节约燃料1 0 以上。 抗刺扎性 5 0 0 胎面抗刺扎性能提高5 倍。 安全性高速耐久性 1 5 0 全钢胎散热性好，可持续高速行驶。 路面抓着力 1 2 0 湿滑路面刹车距离短，转弯半径小。 环保性噪音水平 2 0 0 轮胎滚动噪音低一半。 在子午线轮胎诞生这6 0 多年里，世界各大轮胎公司都在不遗余力的迸 行子午线轮胎设计理论和方法方面的研究，以求使轮胎的整体性能出现更大 鲞筌鎏些兰璺型茎譬耋，。一 的进步。部分轮胎公司，比如法国米西林和日本铺利斯通公司，每年投入的 研究经费都占其当年销售收入的5 左右，高达5 亿美元以上。因此在最近 几十年，虽然在轮胎结构设计上没有取得重大的突破，但各种新的设计理论 和方法不断出现。汽车工业的飞速发展也进一步推进了轮胎行业的技术进 步。汽车行驶的速度越来越快，载荷量越来越大，这就对轮胎的综合性能提 出了越来越高的要求。尤其随着科学技术整体水平的提高，轮胎工业已从过 去主要依靠经验数据逐步转向依靠科学方法。电子计算机的推广，薄膜网络 理论的出现，有限元方法的创利，轮胎力学研究在最近的深入发展，新材料 新工艺的广泛应用，使得轮胎结构设计越来越精确，受力越来越合理，轮胎 的性能也越来越优异。 轮胎的子午化、无内胎化和扁平化是当今世界范围内轮胎技术发展的大 趋势，在发达国家已基本完成，并且具备了成熟的、系统的、配套的、完善 的研究开发手段和生产技术。在欧美等发达国家和地区，全钢载重子午线轮 胎已经形成了从普通断面有内胎轮胎，到普通断面无内胎轮胎，再到8 0 系 列、7 5 系列、7 0 系列、6 5 系列低断面无内胎轮胎的全系列生产应用，最近 几年甚至出现了6 0 系列、5 5 系列、5 0 系列、4 5 系列等超低断面的无内胎 轮胎，并且已经投放市场。 我国轮胎技术与世界轮胎技术发展的趋势是一致的，但我国子午线轮胎 行业整体上仍处于发展的初始阶段，整体技术水平较低1 4 j 。从轮胎结构上来 看，目前国内市场上还是以9 0 0 r 2 0 、1 0 0 0 r 2 0 、1 1 0 0 r 2 0 和1 2 0 0 r 2 0 这 四个2 0 ”系列的基本规格为主。 我国从上世纪6 0 年代初即开始研发子午线轮胎，但受到当时的技术不 完善、装备水平低等种种因素的影响，致使我国的子午线轮胎事业整整徘徊 了2 0 多年，发展迟缓。到了8 0 年代后期，我国开始成套引进国外的子午线 轮胎生产技术和工艺装备，轮胎规格和生产厂家逐渐增多。在经历了9 0 年 代初期一段时间的快速发展及市场验证后，子午线轮胎尤其是全钢丝载重子 午线轮胎的发展开始异军突起，近几年的发展速度甚至可以用日新月异来形 容。在巨大的市场需求、丰厚的利润以及我国放宽外商对轮胎行业投资比例 限制政策的驱使下，国内外众多的投资商，甚至有许多从没有接触过轮胎生 产的企业，纷纷涌入我国的子午胎产业。仅2 0 0 2 年就增资扩产或新上十余 条全钢丝载重子午线轮胎生产线。据不完全统计，到2 0 0 2 年年底，全国已 建和正在建设的全钢子午胎项目已经达到了3 0 多个。就产量来说，2 0 0 3 年 全钢载重子午线轮胎的产量已经达到了1 1 1 6 7 万套。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 玲珑公司于上个世纪9 0 年代束开始筹建全钢载重子午线轮胎项目。在 进行了前期充分论证之后，玲珑公司全钢载重子午线轮胎项目于2 0 0 1 年 月份开始开工建设，2 0 0 2 年1 0 月第一条全钢载重子午线轮胎下线，到2 0 0 4 年6 月已经形成了年产1 0 0 万套的规模；预计到2 0 0 5 年6 月份即可形成年 产2 0 0 万套全钢载重子午线轮胎的能力。 载重子午线轮胎作为斜交轮胎的换代产品所表现出来的优异性能，很快 就为广大用户所认可并占有了相当的市场份额，并且其市场占有率还在飞速 提升当中。 根据相关的调查报告，2 0 0 4 年中国载重轮胎的实际子午化率已经达到 了5 3 2 4 ，远远超出了专家们预计的4 5 的水平，发展速度之快令人惊叹。 对载重货车司机的调查也表明，三分之二以上的司机对全钒载重子午线 轮胎表达了较高的满意度，也有部分司机直接表示在超载运输时会选用全钢 载重子午线轮胎，不超载时将选用斜交轮胎，进一步体现出了全钢载重子午 线轮胎抗超载的优越性和参与市场竞争的优势所在。 载重轮胎总体向子午化发展，已经是不争的事实，其市场也在飞速发展 当中。今后很长一段时间内，全钢载重子午线轮胎的发展将成为各轮胎厂家 竞争的重点，产品质量好坏一一用户的认可程度，将直接决定产品在市场上 的表现。 随着我国国民经济的快速发展，区域间的物资流动加大加速，包括一批 高速公路、国道、省道等在内的基础设施的投资建设，为我国的公路运输业 的发展提供了良机。但相对落后的汽车工业导致我国的汽车保有量大大落后 于发达国家，致使我国的公路运输能力远远无法满足日益增长的物资流动加 速的要求。 在汽车保有量无法迅速增加的条件下，部分司机受利益驱动，开始超载 运输。更由于部分汽车整车厂和汽车改装厂为占有市场、谋取利益，也推波 助澜，各种大吨小标车辆不断推出，使得汽车的实际载重量普遍超出核定载 重量的1 倍至3 倍乃至4 倍以上。核定吨位只有2 0 3 0 吨的载重汽车，实 际载重量能够达到9 0 吨至1 2 0 吨之间。这里所说的实际载重量的增加，只 是指汽车车桥的负荷能力的增加，作为所有负荷最终承载体的轮胎，却在规 格和数量上没有任何增加。 全钢载重子午线轮胎能够如此迅速地被市场所接受，其中一个重要原因 就是其抗超载性能远远优于普通的斜交轮胎，在超载条件下的抗爆性能、耐 刺扎性能、安全性能更佳。 。 1 。，。窒垒耋型呈耄三堡窒茎篁塑鎏二。，。，。，。一 然而，任何轮胎的负荷都不可能无限制地增加。全钢载重子午线轮胎的 气压和负荷也有一定的对应关系，美国轮胎轮辋协会工程设计手册t r a e d i 的计算公式比较明确地表达了这个关系。 对于普通断面载重汽车轮胎： 三= kx 0 4 2 5 x p o 5 “仅删) 1 ”x ( d r + s ) ( 1 - 1 ) 1 8 0 。一s i n 仁) 1 4 1 3 0 式中三一一负荷( 1 b s ) ； 负荷系数； p 一一气压( p s i ) ； d r 一一轮胎直径代号( i n s ) ： s 一一在设计轮辋上的轮胎断面宽度( i n s ) ； r m 一一设计轮辋宽度( i n s ) ； 氐。：，一一轮胎断面高度与断面宽度的相关性参数( i n s ) 。 ( 1 2 ) 以1 0 0 0 r 2 0 1 6 p r 规格轮胎为例进行计算：当正常气压为o 8 m p a 时单 胎负荷为3 1 4 4 k g ，1 2 m p a 气压下单胎负荷为3 9 8 5 k g 。二者相比较，气压增 大了5 0 ，负荷能力却仅提高了2 6 7 。 实际使用当中轮胎的超载量大都在两倍以上，虽然实际的轮胎气压也都 在l ，2 1 4 m p a 之间，但这一气压显然远远低于满足负荷增加的要求。 超限超载运输现象的存在，不但直接引发了大量的道路交通事故，其载 苟也远远超过了公路和桥梁的设计承受载荷，致使路面的正常使用年限大大 缩短，全国公路每年因车辆超载超限造成的损失超过3 0 0 亿元。有关专家介 绍，载重1 0 吨的货车超载1 倍，对公路的破坏力相当于正常载重时的1 6 倍；超载2 倍，对公路的破坏力增加8 0 倍。而且核定载重量越大的车辆， 超载对公路的破坏程度越大。1 条设计使用1 5 年的公路，如果行驶车辆超 载1 倍，其使用年限将缩短9 0 ，即只能使用1 年半。据统计，2 0 0 3 年因 超载超限车辆损坏北京市公路路面和桥梁的直接经济损失就达7 6 亿元。 在这种条件下，国家开始治理超载运输。但由于地方保护主义以及在治 理过程中采取的简单的罚款方式，导致恶性循环，多拉快跑成了司机的必然 选择，车辆超载也愈来愈严重。根据国家交通管理部门的统计资料：几乎所 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 有的货运车辆都是在超载状态下行驶，超载程度也从1 2 倍增加至3 倍乃 至4 倍以上。 为彻底根治汽车超载问题，国家于2 0 0 4 年5 月1 起实施了更为严格的 限载令，在全国范围内联合治理超载。但结果如何呢? 最新的现场调查统计结果表明：由于高速公路采取了根据实际载货量收 费、超载部分加收通行费的办法，目前汽车超载程度有很大幅度的下降，但 超载现象仍然普遍存在。超载汽车数量占调查汽车总数的7 2 5 ：在所有超 载汽车中，平均超载量为3 2 2 。 调查还发现：单车超载最高达到了1 0 7 。表明部分司机还存有侥幸心 理，也说明经过了5 7 月份三个月的严查，检查力度有所松懈，超载现象 又开始抬头。 国家虽然出台了更为严格的限载令，同时也规定了部分关系国计民生的 重要物资的运输车辆，如煤炭、粮食、蔬菜等，不列入检查控制范围。而这 部分运输车辆，尤其是煤炭运输车辆，正是超载程度最为严重的车辆。比如 核定吨位为2 0 3 0 吨的载重汽车用于运输煤炭，实际载重量都在9 0 1 2 0 吨之间。 根据交通部部长张春贤2 0 0 4 年年底工作报告的相关资料：超载在世界 各地都有。美国治理超载3 5 年，现在还有3 7 4 4 的超载率。老挝，高 速公路还没修好，超载检查站就已经建好了。国外治理超载，都投入了大量 的人力、物力，有专门的超载检查站，连着装都是统一的。 在当前情况下，要杜绝超载运输，我国又需要用多少年昵? 在社会大环境无法改变的情况下，超载问题必然会继续存在。今后很长 的一段时间内，国内各轮胎厂家仍然需要把提高轮胎的高速强载性能作为工 作的重点。 根据玲珑公司的统计，在市场返回胎中，7 0 以上属于胎圈部位出现了 问题，主要包括圈空、圈裂、抽丝爆等病象。 根据调查，包括m i c h e l i n 、b r i d g e s t o n e 等世界知名品牌在内的 全钢载重子午线轮胎，在欧美等发达国家和地区，很少出现质量问题，但在 中国市场上其胎圈部位也都出现了与国产轮胎相类似的问题。完全可以这样 理解这一问题：经过几十年的快速的经济发展，以及经过几十年的治理，在 欧美等发达国家和地区，超载问题已经得到了有效的遏制和解决，因此其轮 胎产品的设计并不需要进行特别的加强；但在仍然存在严重超载问题的中国 轮胎市场上，显然是无法满足实际的使用要求的。这也进一步表明这个问题 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 已经超出了普通意义上的产品标准和产品质量的范畴，而是产品是否能够满 足实际使用条件一一严重超载这一现实的问题，也就是说现有产品必须得到 加强! 目前在市场上销售的国外各大轮胎公司的载重子午线轮胎产品，相对于 其国外市场上销售的正常产品，均对胎圈部位进行了特殊的加强处理，以适 应中国的国情，并产生了一些新的轮胎设计方法和思路。这些新的设计方法 有效的改善和提高了轮胎的抗超载性能。国内各轮胎厂家也纷纷效仿。 玲珑公司全钢丝载重予午线轮胎技术软件为引进意大利p i r e l l i 公司 二十世纪八十年代技术。该公司技术的创新之处在于其独特的零度带束层设 计，冠部和肩部得到加强，胎冠刚性大，适合高速行驶；相对来讲，应力更 容易向胎圈部位集中从而使胎圈部位在使用中出现质量问题。因此在技术引 进之初，我们对轮胎胎圈部位进行了部分改进。产品在上市之初，以稳定的 质量受到了广大经销商和用户的欢迎。但随着时间的推移和市场的扩大，问 题也随之而来。 根据现场调查了解的情况，由于承载量过大，轮胎胎圈部位承受的应力 变大，曲挠变形增大，造成胎圈部位出现胎圈爆破以及圈空、圈裂等问题。 玲珑公司河北唐山、山西晋城、辽宁鞍山等超载比较严重的地区的经销 商反映，市场返回胎中有7 0 以上问题出在胎圈部位，个别超载比较严重 的地区这一比例甚至高达8 0 以上，严重影响了玲珑公司轮胎在上述地区 的销售业绩。 为彻底解决胎圈部位的问题，我们组织进行了这次技术攻关活动，并选 定1 0 0 0 r 2 0 1 6 p r 规格轮胎作为突破口。再取得成功或得到突破后，在应 用到其它规格轮胎。 本课题研究成功后，能够为轮胎结构设计人员改造老产品、开发新产品 提供必要的实践经验和理论设计依据，从而全面提升同类车型载重子午线轮 胎的整体档次和质量水平，提高用户的满意率，提高市场占有率和企业的经 济效益。 1 3 课题的主要内容 在基于玲珑公司现有全钢载重子午线轮胎配方体系以及结构设计方法 的基础上，本课题完成的工作包括全钢载重子午线轮胎结构力学性能分析、 胎圈损坏机理分析以及1 0 0 0 r 2 0 1 6 p r 规格轮胎的胎圈改进方案设计、设计 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 方案的有限元分析预测以及成品轮胎性能试验验证等五大部分的内容，对 2 0 ”系列全钢载重子午线轮胎的设计开发方法进行了实际的研究与总结，将 对今后的产品开发工作产生积极的影响。 ( 1 ) 将三维非线性有限元法引入子午线轮胎设计中，并对此进行深入研 究和分析，建立理论基础。 ( 2 1 从结构设计层面上对全钢载重子午线轮胎胎圈部位的损坏机理进行 研究分析，提出产品改进的方向。 ( 3 ) 建立1 0 0 0 r 2 0 规格全钢载重子午线轮胎的结构力学模型，对胎圈部 位的受力进行有限元分析和讨论。 ( 4 ) 在原有引进技术的基础上，参考国内外著名轮胎厂商的设计方式完 成产品改进方案设计。 ( 5 ) 运用三维有限元分析方法及相关软件，对所设计的产品改进方案进 行产品性能分析预测，做出倾向性分析判断。 ( 6 ) 对成品轮胎进行胎圈耐久性能检测，并在此基础上优选出最佳的胎 圈设计方案。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 第2 章胎圈部位的改进设计 2 1 胎圈结构分析 产品是否能够满足用户的需求，是判断产品是否合格的唯一标准。由于 本项目研究的是非标准条件下的轮胎使用问题，因此对于产品性能的讨论其 前提条件都是实际的使用条件。 子午线轮胎设计的前提是建立较为完善的轮胎设计力学模型，本章的工 作意图遵循这一设计准则，只不过仅就轮胎胎圈部位的受力展开讨论，胎冠 部位的设计不作任何变化。 轮胎断面形状对轮胎性能影响很大。由于一切实验都建立在已有的模具 基础上，所以对胎圈结构的任何改变都局限在已有的外轮廓曲线之下，只能 通过对胶部件尺寸的改变达到结构调整的目的。 子午线轮胎的独特结构尽管提高了它在高速行驶时的耐磨性，但在一定 程度上也同时产生了一些问题，其中大多与临界部位的耐久性有关( 如胎体 帘布反包端点与周边材料之间的剪切破坏，以及胎体和带束层之间橡胶层的 破坏等等) 。全钢载重子午线轮胎的冠部和胎圈部位承受了整个轮胎所受的 9 0 以上的应力，因此冠部和胎圈部位是最容易出现问题的两个部位。 根据p i r e l l i 技术设计的全钢载重予午线轮胎，正常情况下其最大变形 区域在断面最宽点附近。这一区域只有坚韧的胎体钢丝帘线和柔软的胎侧胶， 其形变主要发生在径向。径向分布的材料为各向同性，其剪切应力很小，在 正常气压、标准负荷或低于标准负荷的条件下使用的轮胎可保持长时间形变 而不损坏。 p i r e l l i 技术并没有考虑到当前国内严重超载的问题。在过高的负荷作 用下，气压由于受到胎体钢丝帘线和带束层钢丝帘线的束缚限制而不可能充 得过高，致使轮胎长期在相对缺气的状态下行驶。在这种情况下，轮胎的最 大变形区域将向胎圈部位转移，如图2 一l 所示。 从图2 1 可以看出，在超载且相对缺气的状态下，轮胎的最大变形区域 ( 图中圆圈所示位置) 将由胎侧中心位置下移至胎体帘布反包端点附近。这 一区域上方是钢丝粘合胶料，下方是坚硬的胎体帘布，径向材料之间物理性 能差别极大，呈各向异性，径向剪切应力很大。轮胎在长时间行驶中，应力 增大，应变也增大，生热高。久而久之，产生脱层，严重者在此部位向外裂 哈尔演工业大学工程硪士学位论文 开，形成胎圈裂。胎圈裂的位置全部在胎体帘布反包端点处，均为因缺气碾 胎造成的胎圈折裂。 图2 - 11 0 o o r 2 0 规格轮胎材料分布圈 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 以上从理论上和结构上对全钢载重子午线轮胎使用中胎圈裂的成因进行 了分析，超载是主要的原因。 事实上，胶料的物理性能对胎圈性能也有很大的影响。影响胶料物理性 能的因素有很多，包括原材料、炼胶过程、挤出过程和硫化过程等，其中尤 以过硫、欠硫影响最大。胶料过硫，则弹性减小，脆性增大，不能适应大的 形变；而胶料欠硫，则弹性小，黏性大，生热高。这两种缺陷都极容易造成 脱层，特别是在胎体帘布反包端点附近的钢丝粘合胶料、三角胶软胶、胎侧 胶出现过硫现象和欠硫的情况更是如此。 要解决使用中胎圈裂的问题，可以从两方面考虑：其一，从技术上将轮 胎的最大变形区域上移，使其远离胎体帘布反包端点；其二，从生产管理上 改善并稳定胶料的物理性能。本课题的讨论，正是建立在解决了后一方面问 题的基础上的。 2 2 胎圈结构调整方向的确定 胎圈出现问题的部位多在胎体帘布反包端点位置，因此使应力集中区域 上移至胎侧部位，避免胎圈部位应力过于集中或提高胎圈部位强度是解决胎 圈问题的两个主要方向。 2 2 1 提高胎圈部位强度 将原来的胎圈补强层单侧包改为u 形包，以提高胎圈部位强度，这是提 高胎圈部位强度的最简单、摄直接的办法；在此基础上可在胎圈补强层外覆 贴型胶或加贴一至两层纤维帘布，达到进一步提高胎圈部位强度的目的。 上述做法的目的，实际上是提高了胎圈部位的整体刚度，使得轮胎在负 荷条件下的变形区域上移，应力最大点远离胎体帘布反包端点，从而提高轮 胎的使用寿命。 2 2 2 优化轮胎结构设计 通过改变三角胶软硬胶比例、子口胶与胎侧胶的搭接长度，调节上、下 三角胶芯、胎圈护胶、胎体帘布反包端点和胎圈补强层端点的级差等，进一 步优化胎圈的结构设计；也可采用加贴型胶或纤维帘布的办法，只不过型胶 或纤维帘布的高度应当适当的高一些。 哈尔演工业大学工程硬士学位论文 这样做的优点是，可以使胎圈部位的应力过渡更加的平缓、均匀，避免 胎圈部位应力过于集中于某一点，成为胎髓损坏的起始点，从而达到提高胎 圈寿命的目的。 2 3 胎圈改进方案结构设计 2 3 1 第l 轮改进设计 在原始设计方案( 现生产方案) 的基础上进行调整。 方案i 如图2 - 2 所示，在原始设计方案的基础上，首先将三角胶芯 高度减小，上三角胶芯高度由1 2 0 m m 调整为1 0 7 m m ，下三角胶芯高度由 $ 1 m m 调整为7 3 m m ，上下三角胶芯正常复合；不设尼龙加强层。 圈2 - 2 第l 轮改进设计方案i 胎朋材料分椎圈 方案i i 如图2 - 3 所示，参照m 品牌轮胎，在方案i 的基础上将三角 胶芯分成两部分，上三角胶芯外移，也就是说，胎体反包端和钢丝加强层位 于上下三角胶芯之间；不设尼龙加强层。 哈尔滨工业大学工程醺士学位论文 一i i _ 圈2 - 3 第1 轮改进设计方案胎圈材料分布图 2 3 2 第2 轮改进设计 方案i 如图2 - 4 所示，在第l 轮改进设计方案i 的基础上，继续将 三角胶芯高度减小为9 0 r a m ，钢丝加强层高度由4 6 蛐加高至7 0 m m ，不设 尼龙加强层。 图2 - 4 第2 轮改进设计方案i 胎啊材料分布图 哈尔滨工业大学工程磺士学位论文 一i i i 一 方案如图2 - 5 所示，在第l 轮改进设计方案i 的基础上，继续将 三角胶芯高度减小为9 0 r a m 。钢丝加强层采用u 形反包方式。 圈2 - 5 第2 轮改进设计方案i i 胎圈材料分布圈 2 3 3 第3 轮改进设计 方素l 如图2 - 6 所示，在第l 轮改进设计方案i 的基础上，继续将 三角胶芯高度减小为9 0 r a m 。不设尼龙加强层。 翻2 6 第3 轮改进设计方素l 胎树辩分布圈 哈尔滨工业大学工程礤士学位论文 方案 如图2 7 所示，在第l 轮改进设计方案i 的基础上，继续将 三角胶芯高度减小为9 0 m m ，胎体帘布加宽，反包端点位置提高。 图2 7 第3 轮改进设计方案胎噩材瓣分布圈 2 3 4 第4 轮改进设计 方寨i 如图2 - 8 所示，参照b 品牌轮骀，采用尼龙加强层，三角胶 芯高度加大，予i z l 加壮。 图2 - 8 第4 轮改进设计方案i 胎暖材料分布圈 哈本族工业大学工程硕士掌位论文 一i _ 方案 如图2 - 9 所示，参照b 品牌轮胎，采用尼龙加强层，予口加 牡，钢丝加强层采用u 形反包方式。 罔2 - 9 第4 轮改进设计方案胎圈材料分布困 2 3 5 第5 轮改进设计 如图2 l o 所示，参照s 晶牌轮胎。子口胶在外，尼龙如强层，u 形反包。 圈2 - l o 第5 轮改避设计方案胎啊材料分布圈 暗尔滨工业大学工羞蕞士学位论文 一i i ii - 2 ，3 6 第6 轮改进设计 实际试验过程当中，第5 轮改进设计成品轮胎胎圈耐久试验取得了不错 的效果，因此本次改进设计方案是在第5 轮改进设计方案的基础上继续进行 调整。 参照s 品牌1 0 0 0 r 2 0 规格轮胎，在第5 轮改进设计方案的基础上对各种 部件的高度进行调整，其中下三角胶芯高度由8 1 r a m 降低为6 6 r a m ；尼龙加 强层高度由7 5 r a m 调整为8 5 r a m ：胎体反包高度由5 8 r a m 调整为7 0 m m ；钢 丝加强层正反包高度也略有增加，采用u 形反包方式。 如图2 1 l 所示。 圈2 - 1 1 纂6 轮改避设计方寨胎曩树辩分布圈 2 3 7 第7 轮改进设计 第6 轮改避设计方案从实舔的胎圈耐久试验结果来看。并没有达捌预期 的效果为继续探讨最终产品施工方案，进行了第7 次改进设计。 方案i 在第6 轮改进设计方案的基础上继续对胶部件的高度进行调 整，其中胎体反包高度由7 0 m m 降低为6 0 r a m l 予口胶高度由6 7 r a m 提高为 9 0 r a m ：取消尼龙船强层；钢丝加强层采用u 形反包方式。 如图2 1 2 所示。 暗尔演工业大学工程硬士学位论文 图2 一1 2 第7 轮改进设计方案i 胎圈材幸季分布圈 方案h如图2 1 3 所示，在方案i 的基础上添加尼龙加强层。 图2 - 1 3 第7 轮改进设计方案珏胎暖材料分布图 方案如图2 - 1 4 所示，在方案i 的基础上减小填充胶片厚度，加大 上三角胶芯厚度，子口进一步加壮。 2 4 本章小结 圈2 - 1 4 第7 轮改进设计方案胎材料分布圈 本章从轮胎结构设计的角度分析了全钢载燕子午线轮胎胎圈部位的受力 情况和引起胎暖损坏的原因，提出了胎翻耐久性能的改进方向，并据此完成 了1 0 o o r 2 0 一1 6 撒规格轮胎胎圈耐久性能改进方案设计。 需要说明的是，所有改进方案的设计都没有考虑现有配方体系( 胶科粘 合体系) 的调整，只是在结构设计方面参考了部分国内外轮胎公司采用的设 计方式，是否合理还要掇据成品轮胎的试验结果进行判定。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 第3 章有限元分析方法的引入 3 1 有限元法在轮胎行业的应用 长期以来，人们先后提出了多种理论对轮胎结构进行分析，如薄膜一网 络理论、层合理论、薄壳理论等等。这些理论的应用，对轮胎工业的发展起 到了明显的促进作用。但由于轮胎结构及其力学行为的复杂性，这些分析方 法对轮胎非对称性负荷接触问题一一即轮胎在集中负荷下的形状和应力一应 变以及对带束层的层间受力分析等问题还无法解决。近三四十年来，随着计 算机技术的飞速发展和广泛应用，一种新的数值方法即有限元法被提出来了。 并被广泛应用各种工程实际问题中，显示出其不可比拟的优越性。国外许多 大轮胎公司都将有限元法引入轮胎分析及优化设计中，并取得了很大的成果 及明显的经济效益。 有限元法的实质是将具有无限个自由度的连续体简化为只有有限个自由 度的离散单元集合体，使问题简化为适合于数值解法的结构型问题。有限元 法具有对任何结构形状都可方便地进行模拟的特点。 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是结构分析中的一种近似解法，它把 物体结构分解成许多有内在联系的子结构，称为“单元”。假设能知道每个单 元模型的力学性质( 载荷引起的应力或应变) ，则整体结构的力学性质由各个 单元的性质累加而得。 3 1 。1 轮胎有限元分析的特性 上个世纪6 0 年代末轮胎行业开始引入有限元法来分析轮胎的结构和性 能问题，起初只涉及到轴对称负荷( 仅承受气压和离心力作用) 。到7 0 年代 末才开始解决非对称性负荷( 轮胎承受集中垂直负荷) ，有效地分析了轮胎接 地面内的应力一应变。 应用有限元法的优点： 对轮胎的实际形状模拟逼真。 对轮胎各部位的材料性质能进行计算。 可解决轮胎的非对称性负荷接触问题，垂直负荷下的应力一应变，接 地面中的压力分布，动态下的应力一应变场、温度场等。 目前有限元分析法普遍应用于研究轮胎结构和性能。国外已有多家轮胎 哈尔演工业大学工程硕士学位论文 公司采用三维非线性有限元法研究轮胎结构优化设计方法，结合提高轮胎的 动态性能，开发新产品，同时创造了现代设计理论。如日本b r i d g e s t o n e 的r c o t ( r o l l i n g c o n t o u ro p t i m i z a t i o nt h e o r y ) 即最佳滚动轮廓理论和t c o t ( t e n s i o nc o n t r o lo p t i m i z a t i o nt h e o r y ) 最佳张力控制理论；日本横滨公司的 s t e m ( s t r a i n e n e r g ym i n i m i z a t i o n ) 负荷时应变能最小化理论等等。 在我国，对于有限元法在轮胎行业的应用研究还处于一个起步阶段，还 需要更多的实践和经验积累，才能得到更好的效果。 3 1 2 非线性大变形有限元理论 在有限元法中，单元的应变一位移关系可表示为： s = b u( 3 1 ) 式中s 应变向量： 位移向量： b 一一应变一位移转换矩阵。 单元的应力、应变关系可表示为盯= d e ， 刚度矩阵k 可表示为： k = p 7 d b d v d 与材料的特性有关。单元的 ( 3 - 2 ) 有限元刚度方程为： k u = p ( 3 - 3 ) 在线弹性材料的情况下，d 矩阵是一个常量：对于非线弹性材料和弹塑 性材料而言，d 矩阵则是应变s 也就是位移“的函数，从而刚度矩阵k 也是 位移群的函数。当问题属于小变形时，b 矩阵不是位移群的函数；如果对大 变形问题而言，曰和k 将均是位移“的函数，且积分域矿只有在位移为无限 小的情况下才可近似认为是不变量。 由上述分析可见，在位移效应不能忽略的情况下，这一问题属于非线性 范畴。特别应当指出的是，“位移效应不能忽略”这句话有着不同的含义：首 先，位移较大，变形进入塑性状态；其次，应变较大，应变和位移的导数之 间不再保持线性关系；第三，位移所引起的应变并不大，但所引起的转动效 应较大，建立平衡方程时必须考