子午线轮胎花纹槽沟问题影响因素探讨

胡长旭，王慎平，周 洁，姜世元，林文俊，王 锋

（山东玲珑轮胎股份有限公司，山东 招远 264000）

在美国的加利福尼亚、洛杉矶等州以及日本的北陆地区，受当地降雨量的影响，常在高速公路路面铺设与车辆轮胎同行驶方向的沟槽。当轮胎花纹沟与路面沟槽接触时，由于花纹块内嵌作用发生，将在车辆横向产生作用力，这被称为花纹槽沟（Groove Wander）现象，路面排水沟槽如图1所示[1]。如果这个作用力过大，将会影响车辆的操控性和舒适性。因此，对于销往该地区的轮胎，主机厂都要求配套轮胎必须包含该项技术指标参数。本工作借助Abaqus/Explicit模块，研究轮胎结构设计参数对花纹槽沟横向作用力的影响。

图1 路面排水沟槽示意

1 产生机理

关于轮胎花纹槽沟问题的产生机理早在20世纪中后期就被许多学者研究探讨[2-3]，但仍存在一些理论无法解释的现象。直到本世纪初期，横向应力理论[4]的提出对研究轮胎花纹槽沟问题具有里程碑式的意义。

2 轮胎模型建立及有限元仿真计算

由于本工作是基于先前研究所做的进一步探讨，因此有关轮胎模型构建过程和有限元仿真参数均可参考文献[5]。

从轮胎材料分布图出发（以185/65R15规格轮胎为例），通过几何扫掠和网格划分可得到轮胎2D有限元模型，使用Abaqus中SMG命令（*SYMMETRIC MODEL GENERATION）得到轮胎3D计算模型，见图2。路面构建使用解析刚体来模拟，通过设置轮胎行驶方向与路面沟槽方向间微小夹角（0.2°）的方式[5]，使用Abaqus显式动力学方法来模拟轮胎的花纹槽沟滚动过程。

图2 185/65R15有限元仿真模型

3 结果与讨论

3.1 花纹设计参数的影响

轮胎作为车辆与路面的唯一接触部件，通常安装在金属轮辋上，能支承车身，缓冲外界冲击，实现与路面的接触并保证车辆的行驶性能，而这些都与轮胎花纹设计密切相关。因此，合理设计轮胎花纹结构参数不仅可以降低生产成本和使用成本，还能提高车辆的行驶安全性能和操纵性能。

3.1.1 花纹纵沟形状和条数

众所周知，常见半钢子午线轮胎花纹纵沟形状有两种，分别为直沟和锯齿沟[6]。另外，市场上的轮胎花纹纵沟数以3条和4条为主，纵沟条数的变化对轮胎横向力波动有较大的影响。关于花纹纵沟形状和条数对轮胎槽沟波动的影响结果详见文献[5]，在此就不做赘述。

3.1.2 花纹类型

轮胎花纹类型多种多样，对205/55R16规格轮胎而言，我公司设计的花纹也很多，较为经典的3款花纹类型如图3所示。不同花纹类型对横向力波动的影响如图4所示。

图3 不同花纹类型

由图4可知，花纹A的花纹槽沟横向力波动最大，花纹B处于中间，而花纹C最小。这是因为花纹A，B，C肩部沟槽都比较趋于横向，但花纹A，B靠近主沟槽附近都有细小纵沟槽；胎面中部沟槽趋向则各有不同，花纹A纵向趋势最强，花纹B次之，花纹C则最弱，几乎趋于横向。

图4 不同花纹类型对205/55R16轮胎横向力波动的影响

3.2 骨架结构参数的影响

对于半钢子午线轮胎，带束层作为主要受力部件，由橡胶与钢丝帘线复合而成，而胎体帘布层和冠带层则由橡胶-锦纶/聚酯帘线复合而成。

3.2.1 带束层宽度

带束层宽度对轮胎横向力波动的影响如图5所示。

从图5可以看出：对185/65R15轮胎而言，横向力波动幅度随着带束层宽度而变化；对265/35R18轮胎而言，横向力波动幅度与带束层宽度的增减关系不大。造成这种结果的原因，可能是轮胎断面高宽比的不同而导致轮胎侧向刚度不同所致。

图5 带束层宽度对横向力波动的影响

3.2.2 胎体帘布层数

胎体帘布层数对两种不同规格轮胎横向力波动的影响如图6所示。

从图6可以看出，胎体帘布层数对轮胎横向力波动的影响较小。这是因为胎体帘线材料为锦纶或聚酯，改变帘布层数对轮胎横向刚度影响较小，从而产生较小的横向力波动变化。

图6 胎体帘布层数对轮胎横向力波动的影响

3.2.3 冠带层帘布层数

冠带层帘布层数对两种不同规格轮胎横向力波动的影响如图7所示。

从图7可以看出，冠带层帘布层数对轮胎横向力波动的影响较小，这是因为冠带层帘线是聚酯或锦纶材料，由此产生的横向刚度变化较小。

图7 冠带层帘布层数对轮胎横向力波动的影响

4 结论

本工作利用Abaqus仿真软件研究轮胎的花纹沟槽横向力波动问题，详细讨论了轮胎结构设计参数（花纹和骨架结构）对横向力波动的影响。得到如下结论。

（1）花纹设计参数对花纹槽沟横向力波动的影响较大：直沟型产生的横向力波动大于曲折沟型；4条花纹纵沟轮胎的舒适性好于3条花纹纵沟轮胎；花纹沟方向越趋向于纵沟，产生的横向力波动越大。

（2）骨架材料中带束层的设计参数对花纹槽沟横向力波动影响较大。对高断面轮胎而言，横向力波动随着带束层宽度增大而增大，而低断面轮胎几乎不受带束层宽度变化的影响。胎体帘布层和冠带层设计参数对轮胎花纹槽沟横向力波动几乎无影响。

本研究可为设计人员开发高性能花纹槽沟轮胎提供一定的参考。