CN111506964B - 带束设计优化的轮胎结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轮胎带束层结构，具体为全钢子午线（TBR）轮胎，通过带束层宽度角度设计以提高轮胎的耐久性能为目标。

Description

带束设计优化的轮胎结构
技术领域
本发明属于轮胎带束层结构设计领域，具体涉及一种带束层优化的全钢子午线(TBR)轮胎结构。
背景技术
轮胎是典型的橡胶与骨架材料复合的弹性结构体，轮胎的疲劳破坏是轮胎破坏的主要形式，按照破坏位置而言，主要可分为花纹沟底部、带束层层间及端部、子口部位帘线及增强材料层间及端部。围绕轮胎的疲劳破坏，轮胎结构工程师以及众多学者进行了大量的研究工作。现有技术包括提高胎圈三角胶的硬度与厚度，同时适当增大三角胶的高度(但反包高度不宜提高)，在胎侧加钢丝包布大幅提高胎侧的刚性，进而提高子口的耐久性等。
带束层是轮胎结构重要的组成部分，主要起保护胎体，增强胎面强度，承载并传递应力的作用。轮胎成型时，先把带束层等部件贴于带束鼓之上，此时带束层等均为平直几何构型。当轮胎硫化时，由于内部高压过热水或高压高温蒸汽的作用，使橡胶材料具有流动性。在压力作用下，胎面橡胶材料流入模具的花纹沟槽，此时带束层会发生膨胀，导致帘线间距发生变化。带束层在成型过程中的膨胀效应会导致其中间部位角度变化小，带束层边部的角度变化较大，由于带束层的角度和间距对其箍紧作用影响很大，对轮胎性能产生很大影响。然而对带束层膨胀效应导致的角度间距变化对轮胎性能的影响研究不多。
发明内容
本发明为了提高轮胎耐久性能，对带束层结构进行研究改进，通过仿真模拟软件分析，考虑了带束层膨胀效应，从带束层剪切角度变化、带束层边缘张力幅值的变化的角度，以对比改进前后的耐久水平；通过对不同的带束层宽度和角度研究发现：带束层宽度、角度的变化体现了膨胀效应，会明显影响带束层张力幅值和剪切角度变化，对轮胎整体下沉量也有明显影响。通过改变1#带束层角度，可以减小1#带束层在在负载工况下的剪切变形程度，对 2#带束层角度变化影响不大；通过改变带束层宽度，第1#和2#带束层的角度变化更加均匀，这可以避免因带束层局部变形过大造成疲劳失效破坏，并且通过适当设置带束层的宽度值，可以减小带束层角度的变化，进而有助于提高轮胎的耐久性能。带束层宽度和角度均可以影响胎肩部位的应力、应变、带束层角度剪切值，减小带束层剪切变形程度，进而提升轮胎的耐久性。
如图1所分析轮胎为三层带束层结构，图1左图为未考虑带束层膨胀效应，由此导致带束层边缘的箍紧力较实际大，体现为接地印痕边缘长度较小；图1中间图为考虑带束层膨胀效应的轮胎接地印痕，与左图对比可知，其边缘接地长度较大，已经超过接地印痕的中心长度，这是由于上述带束层边缘膨胀变大，降低其箍紧能力；图1右图为实际轮胎压力毯测试结果，通过对比可知，中图与实际更加吻合，说明考虑带束层膨胀效应的轮胎性能仿真方法更加合理。
假设部件从成型鼓到成品轮胎的过程中，因为膨胀，骨材料有一定伸长，伸长率为ε，那么通过几何关系可知：
A1B1＝dL＝(1+ε)dL0
上式即为成型前后带束层角度变化关系。参数意义如图2所示；对于间距的变化关系，可以通过几何分析获得，如图3所示。
通过几何分析可知：
N为钢丝的数量，s0和s分别为成型前后两根骨架材料之间的间距。通过膨胀率、成型鼓直径和部件厚度即可实现考虑带束层膨胀效应的仿真模拟。
通过改变带束层宽度，模拟带束层膨胀效应，考察不同带束层宽度对轮胎胎肩耐久性能的影响，优化方案中主要对比了五种不同的带束层宽度。利用有限元分析软件和轮胎专用有限元分析前处理软件TYABAS 3.0，对五种不同带束层宽度设计方案进行建模和仿真分析，并主要分析了带束层张力幅值和角度变换情况。同时，通过改变1#带束层(第一带束层)角度设计四种方案，考察带束层结构设计中角度参数对耐久性能的影响，发现1#带束、2#带束端点张力和带束层角度变化随1#带束层角度增加而减小，因此增加1#带束层角度可以减小带束层端点和层间剪切破坏，从而提高胎肩耐久性。
附图说明
图1带束层膨胀效应对轮胎接地印痕的影响。
图2成型鼓与轮胎成型后带束层的结构参数：左为部件在成型鼓的示意图，右为部件在成品轮胎中的结构参数示意图。
图3骨架材料距离关系。
图4不同方案下带束层张力幅值。
图5不同方案下带束层角度总变化。
图6不同方案下下沉量。
图7不同设计方案带束层端点张力幅值变化。
图8不同设计方案带束层角度变化。
具体实施方式
通过改变带束层宽度，研究不同带束层宽度对轮胎胎肩耐久性能的影响，主要对比了五种不同的带束层宽度。具体方案如表1所示(单位为mm)。
表1不同带束层宽度参数
利用有限元分析软件和轮胎专用有限元分析前处理软件TYABAS 3.0，对上述五种不同带束层宽度设计方案进行建模和仿真分析，并主要分析了带束层张力幅值和角度变换情况，有限元分析结果如表2所示。
表2不同带束层宽度方案耐久性分析结果
注：1)、1#A表示1带束层角度，2#A表示2带束层角度，TA表示带束层角度总变化，1#F表示1带束层张力幅值，2#F表示2带束层张力幅值，δ表示轮胎下沉量；2)、表中力单位均为Mpa，位移单位均为mm，角度变化单位均为度。
从表2中原始设计和该改进设计方案中可以看出，通过改变带束层宽度，第1#和2#带束层的角度变化更加均匀，这可以避免因带束层局部变形过大造成疲劳失效破坏，并且通过适当设置带束层的宽度值，可以减小带束层角度的变化，进而有助于提高轮胎的耐久性能。接下来分析第1#和2#带束层张力幅值的变化，其变化结果如图4所示。
从图4中可以看出通过适当改变带束层宽度1#和2#带束层张力幅值均有明显降低，这将有助于提升带束层的使用寿命，提升轮胎耐久性。图5为不同方案的一号和二号带束层角度变化总值。
从图5可知，带束层作为轮胎的主要受力部件，通过改变带束层的宽度一方面可以减小带束层角度变化，另一个方面不同的带束层宽度也可以提高胎体的整体刚度，减小轮胎的下沉量，如图6所示，这有助于减小胎体生热，进而提升轮胎的耐久性。
考虑带束层结构设计中角度参数对耐久性能的影响，主要通过改变1#带束层角度，其设计参数如表3所示。
表3不同方案带束层角度参数
对上述四种不同带束层角度设计方案进行建模和仿真分析，并主要分析了带束层张力幅值和角度变换情况，有限元分析结果如表4所示。
表4不同带束层角度方案耐久性分析结果
注：1)、1#A表示1带束层角度变化，2#A表示2带束层角度变化，TA表示带束层角度总变化，1#F表示1带束层张力幅值，2#F表示2带束层张力幅值，δ表示轮胎下沉量；2)、表中力单位均为Mpa,位移单位均为mm，角度变化单位均为度。
从表中可以看到，通过改变1#带束层角度，可以减小1#带束层在在负载工况下的剪切变形程度，对2#带束层角度变化影响不大；通过统计不同带束层角度下带束层总角度变化和张力变化情况，如图7和图8所示。
从图7和图8可以看到，1#带束、2#带束端点张力和带束层角度变化随1#带束层角度增加而减小，可见增加1#带束层角度可以减小带束层端点和层间剪切破坏，从而提高胎肩耐久性。
选择朝阳橡胶轮胎公司生产的轮胎，通过记录胎体最高温度和两个测温点的温度值，获得结构改变前后温度变化情况如表5所示。
表5改进前后轮胎生热情况变化
由上述结果可见，对带束层结构改进使轮胎耐热耐久性能增加。
上述附图和实施例并不构成对本发明的保护范围的限定，本领域技术人员可以根据上述说明对本发明进行各种变化和应用。

Claims (3)

1.一种全钢子午线轮胎，其特征在于带束层结构中第一带束层宽度为97.5mm，第二带束层宽度113mm，第三带束层宽度65-80mm，第一带束层角度为21°-24°。
2.如权利要求1所述轮胎，其特征在于，第一带束层宽度为97.5mm，第二带束层宽度113mm，第三带束层宽度80mm。
3.如权利要求1所述轮胎，其特征在于，带束层结构中第一带束层角度为21°或24°。
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