低肩冠比12R22.5无内胎全钢载重子午线轮胎的开发.pdf
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1、594 轮胎工业 2023年第43卷低肩冠比12R22.5无内胎全钢载重子午线轮胎的开发徐钦,张颖(中策橡胶集团股份有限公司,浙江 杭州 310018)摘要:介绍低肩冠比12R22.5无内胎全钢载重子午线轮胎的开发。结果表明:12R22.5轮胎肩冠比小于1.3时,可以满足轮胎轻量化以及降低设计成本的要求;成品轮胎的充气外缘尺寸和强度性能均符合国家标准要求,耐久性能和高速性能满足设计和企业标准要求,静态接地性能和滚动阻力系数满足配套主机厂要求。关键词:无内胎全钢载重子午线轮胎;肩冠比;参数优化;成品轮胎性能;有限元模型中图分类号:U463.341.3/.6文章编号:1006-8171(2023)
2、10-0594-04文献标志码:ADOI:10.12135/j.issn.1006-8171.2023.10.0594我国汽车产业的高速发展和公共交通基础设施建设的巨大投入,带动了轮胎制造业的繁荣。轮胎产量的增大也带来了环境保护压力以及资源有效利用等多方面的问题1-3。随着我国“力争于2030年前实现碳排放、2060年前实现碳中和”目标的不断推进,合理高效的资源利用对生产制造企业的重要性越来越突出,绿色环保型轮胎成为轮胎企业开发与制造的重点产品4-7。12R22.5轮胎作为我公司产量很大的产品,推进其绿色环保品种的开发尤为重要。较低肩冠比(胎肩厚度与胎冠中部厚度之比)无内胎全钢载重子午线轮胎的
3、开发是从产品设计初期就注重轮胎的肩冠比,通过减小肩冠比,实现轮胎的轻量化设计8-10。国内主流轮胎厂的轮胎肩冠比范围为1.41.6,米其林、普利司通和固特异等外资品牌的轮胎肩冠比范围为1.31.5。外资品牌的轮胎整体肩冠比设计较国内品牌的轮胎更有竞争力。本工作基于我公司预应变轮廓理论(Pre-strain contour theory,PSCT)技 术 系 统,通 过 调整轮胎肩冠比开发更小质量、更低滚动阻力的12R22.5无内胎全钢载重子午线轮胎。1产品设计1.1轮胎有限元模型 根据轮胎不同部位的性能差异,在有限元模型中定义不同的材料属性,采用三维实体单元模拟轮胎各部位材料。在骨架材料端部和
4、胎圈等结构复杂、容易损坏的部位,加大网格划分密度。考虑轮胎充气压力、负荷等情况,轮胎与轮辋和路面接触的部分设为接触单元。轮胎胎圈部位与轮辋接触,受到轮辋与钢丝圈的约束。12R22.5轮胎有限元模型如图1所示。图112R22.5轮胎有限元模型1.2主要结构设计参数12R22.5轮胎主要结构设计参数有行驶面宽度(a)、胎冠弧高度(b)、胎肩厚度(c)、胎冠中部厚度(d),如图2所示。作者简介:徐钦(1987),男,江苏盐城人,中策橡胶集团股份有限公司工程师,硕士,主要从事轮胎结构设计及产品开发工作。E-mail:xuqin_OSID开放科学标识码(扫码与作者交流)第 10 期 徐钦等 低肩冠比12
5、R22.5无内胎全钢载重子午线轮胎的开发 595dacb图212R22.5轮胎结构设计参数示意1.3优化模型建立本工作的重点是通过肩冠比的优化,达到轮胎轮廓材料成本与轮胎耐磨性能的平衡。本研究涉及的部分数学模型在此处统一规定,肩冠比(V)的定义如下:Vdc=(1)引用Archard提出的轮胎磨耗模型,计算公式如下:qHkPAc=(2)式中,q为磨耗量,k为磨耗因数,P为轮胎接地法向压力,A为轮胎接地面积,为轮胎接地面的滑移率,H为材料硬度。根据磨耗模型可以得出,轮胎磨耗量与轮胎接地压力成正比。根据无内胎全钢载重子午线轮胎的轮廓设计经验,肩冠比越大则轮胎接地压力越小,耐磨性能越佳,但是肩冠比越大
6、,轮胎设计成本也越高,因此结合公司实际需求提出下述3个优化目标:(1)轮胎肩冠比最小化;(2)轮胎接地面积最大化;(3)轮胎磨耗量最小化。1.4PSCT技术系统参数优选通过我公司PCST技术系统,结合哈尔滨工业大学有限元仿真分析软件(TYSYS4.0),对自变量a,b和V进行有限元分析,结果见表1。试验结果表明,当肩冠比减小至1.25时,有限元模拟的轮胎耐磨性能较好,设计材料成本的经济收益率较大。2成品轮胎性能将设计的1.25肩冠比12R22.5无内胎全钢载表1不同肩冠比的轮胎接地性能与成本分析数据序号肩冠比接地面积/mm2设计材料质量/kg11.3040 15557.521.2939 487
7、57.231.2838 84556.761.2537 63455.1101.2137 25954.7注:由于公司要求,只给出部分试验数据。重子午线轮胎进行成品轮胎生产,并进行室内性能测试。2.1外缘尺寸按 照GB/T 29772016,使 用228.6 mm 571.5 mm(9.00英寸22.5英寸)标准轮辋,在930 kPa标准充气压力下测量轮胎外缘尺寸,轮胎充气外直径和充气断面宽符合国家标准要求,满足公司新产品投产要求。2.2强度性能按照GB/T 63271996要求进行压穿强度性能试验,试验条件为:充气压力930 kPa,压头直径38 mm。结果表明,轮胎试验破坏能为 3 304.5
8、J,试验结束时未压穿,试验破坏能达到国家标准规定值(2 203 J)的150%,强度性能满足设计和投产要求。2.3耐久性能按照全钢子午线轮胎性能测试企业标准(Q/HCR A05202-0012020)进行轮胎耐久性能测试,转鼓直径为(1 70017)mm,试验充气压力为单胎最大充气压力,转鼓速度为65 kmh-1,具体测试条件见表2。轮胎耐久性能测试累计行驶时间为127.62 h,损坏形式为肩部裂开,达到企业标准要求(97 h),耐久性能优异。2.4高速性能按照全钢子午线轮胎性能测试企业标准(Q/HCR A05202-0012020)进行轮胎高速性能测试,充气压力为930 kPa,额定负荷为3
9、 550 kg。成品轮胎最高行驶速度达到160 kmh-1,超过企业标准L速度级别要求(120 kmh-1),满足设计和投产要求。2.5滚动阻力按照ISO 285802018进行轮胎滚动阻力测596 轮胎工业 2023年第43卷表2轮胎耐久性能测试条件试验阶段负荷率/%时间/h166728516310124411010512010613010714010815010916010101701011180101219010132001014200轮胎损坏为止试。试验结果表明,轮胎滚动阻力系数小于5.5 NkN-1,满足配套主机厂要求。2.6静态接地压力分布按照GB/T 220382018进行轮胎静
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