观察：国内外钢丝子午胎技术与进展
作者：孔德星,赵乐臣
来源：《创新科技》 2011年第2期
文／孔德星赵乐臣
子午线轮胎的出现与性能
从公元前的秦朝甚至更早的年代起，我国古代的贵族们就开始乘坐由马拉动的轿车。现代意义上的汽车则源于1885年德国工程师卡尔·奔驰制成的一辆装有0;85马力汽油机的三轮车。它与两千多年前我国的轿车相比，除了用机器代替马匹以外，结构变化不多，在行驶速度和舒适方面几乎没有进步。关于橡胶轮胎的应用，自从1839年古得伊尔发现了硫化胶的特性后，1845年英国工程师R.W.汤姆森在车轮周围套上一个充气橡胶管，并获得了这项设备的专利；直到1890年，轮胎被正式用在自行车上，1895年充气轮胎被用于各种老式汽车。1946年法国米其林发明了子午线轮胎，掀起了轮胎工业的一场革命。汽车轮胎领域的这场技术革命持续了半个多世纪，最近，轮胎的发展又回至无气囊的结构。
虽然还可能会有一些新结构轮胎的出现，但子午线轮胎将在很长的时间内充当轮胎家族的主角。这主要
是由于它与斜交轮胎相比具有以下几方面的优良性能：1）胎面耐磨，行驶里程高。轮胎滚动时，一部分圆弧被压缩成弦，轮胎着地面的印痕内不仅有变形，而且还有滑移。这种滑移会加速胎面的磨损。子午胎冠部刚性大，周向变形小，几乎没有滑移。此外，子午胎面宽，着地面积大，单位压力小，且印痕内压力均匀，减小了胎面的磨损，所以子午胎的行驶里程比斜交胎高。2）滚动阻力小，节省燃料。子午胎的胎侧薄，变形后很容易恢复，参与变形的橡胶少，因此其滚动阻力也小于斜交胎。3）胎体生热低，适应高速行驶，安全可靠。轮胎的生热和热破坏是高速轮胎损坏的主要原因之一。由于子午胎摩擦变形小，行驶生热低，胎体的帘布层少，散热也快。因此行驶温度比斜交胎低。4）缓冲性能好，乘坐舒适。由于子午胎帘线呈径向排列，法向变形大于斜交胎，胎体柔软，弹性好，有很好的缓冲性能，因此提高了车辆行驶的平顺性。
国家发展计划委员会和科学技术部联合发布的《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南》指出：子午线轮胎具有节油、安全的特点。工艺也比传统的斜交胎产品复杂。目前我国轿车子午化率已基本达到100%，但轻型载重车轮胎，特别是大中型载重车轮胎，子午化率还非常低。重点发展的子午线轮胎技术，轿车子午胎以发展宽断面系列、高速度级产品为主；载重子午胎重点发展无内胎全钢丝子午胎，并配套建设相应的原材料供应系统。
子午线轮胎设计理论的发展
在轮胎设计理论研究方面，人们不断通过合理的结构设计和轮胎材料的改进来获得优良的使用性能。轮胎的使用性能一般包括：载荷能力、耐磨性能、缓冲性能、附着性能、行驶安全性、滚动阻力和经济性等。随着汽车工业的迅速发展，汽车特别是乘用车的速度级越来越高，对轮胎在高速行驶中的特殊性能，如动平衡、发热、排水、共振、低噪声等提出了要求。轮胎的这些使用性能几乎都与轮胎力学有着密切的联系。当人们意识到这一点后，自然会想到通过对轮胎力学的深入研究来指导轮胎的设计。但是，由于轮胎理论十分复杂，直到上世纪50年代以后才开始在这方面取得一些进展。关于轮胎力学问题的探讨，第一篇较为系统的研究论文是美国的R．Hadekel于1952年发表的。随后，英、美、日、德、前苏联、捷克等国的许多学者发表了一系列研究论文。先后发展了网络理论、薄膜理论、薄壳理论以及基于有限元分析的多种轮胎设计理论。
1．网络理论
假设充气轮胎的内压仅由骨架材料帘线来承担，从而使轮胎简化成为一个在内压力作用下达到平衡的受力网。其平衡态的几何形状取决于帘线排列方向和材料性质以及内压大小。如果帘线是不伸张的．充气形状与内压大小无关。这种网状分析法包括计算轮胎径向力和周向力，并确立以内轮廓顶点为原点的径向和周向坐标描述的轮胎形状。但是，网状分析法没有包括帘线外附橡胶的作用，忽略了胎圈部和多
层结构对屈挠变形的影响。网状分析法较成功地应用于薄壳轮胎的实践中，能近似地计算轮胎形状和应力，若要求更详尽地分析研究轮胎性能，如计算子午线轮胎带束层时，则需要更完善的分析方法。
2．薄膜理论
薄膜理论包含了橡胶作用，并且假设载荷是由帘线橡胶的薄膜层伸张来支撑的，要比网络理论更接近轮胎实际。线性薄膜分析的几何与平衡关系式都和网状分析的分析式相同。所以，线性薄膜分析并不存在超出网状分析的优越性。由于这两种分析方法的计算函数都和材料弹性无关，而材料的弹性性能在分析结构中能反映所包含橡胶矩阵的作用。经典的非线性薄膜理论一直被用于计算薄膜充气形状（当已知未充气形状时）。非线性薄膜理论还是研究内胎已知未充气形状来计算充气形状变形的有限元分析的基础。但是，薄膜分析法在轮胎上的应用范围十分有限，不能分析几何形状、材料性能和载荷的陡峭变化，不能计算印迹范围内剪切变形的影响，不能预测重要的曲率变化部位和厚度突变部位的局部应力。
3．薄壳理论
薄壳模型考虑了薄膜理论所忽视的弯曲影响，因此能反映出印迹面、胎圈部和曲率突然变化区域的局部应力应变状况。薄壳理论的经典方法包括各种不同解法的完整表达式，可表达出壳体尺寸和材料性能成函数关系的外载荷作用下薄壳的应力和变形，但是大多数经典薄壳理论由于胎体形状复杂、各种厚度不同、复合性能不均匀且其变形较大等原因而不能直接应用于轮胎分析中。尽管在深入研究轮胎应力和
变形方面还存在许多问题，但薄壳理论仍然是比薄膜理论更全面地解决轮胎问题的方法。在薄壳理论中，假设壳体厚度相对于壳体表面曲率半径来说是很微小的，变形位移相对于壳体尺寸来说也是很小的，壳体法向应力忽略不计。壳体厚度方向的截面在壳体变形的前后始终保持一个平面。但薄壳分析法仍存在许多缺陷。薄壳分析法最大的局限性在于只能分析充气状态和自由旋转的轮胎，不能分析其他载荷下的轮胎变形。
4．基于有限元分析的轮胎设计理论
早在上世纪70年代美国与日本各大轮胎公司已开始采用有限元法来分析轮胎结构中的力学问题。80年代以日本普利司通公司为首的几家大轮胎公司应用有限元分析技术开发出了多种优化轮胎结构设计的方法。近年来；日本普利司通公司基于有限元分析和CAD技术进行轮胎设计和性能仿真，这一方法被称为“大统一理论”。普利司通公司在子午胎设计中开发了一系列新技术被称为AQ DONUTS，采用新材料有效延缓橡胶硬化，使轮胎在磨耗达到一定程度后，也同样可以保有和新胎相近的抓地力。胎面采用无方向性设计，在胎纹与沟槽设计上融人多项崭新理念，同时并运用了第二代的CUTTⅡ（最优化胎边形状）、O-BeadⅡ（真圆胎唇设计）以及Tread In Tread（双层橡胶抗磨耗设计）等技术，因此在行驶噪音与舒适性上都具有高水平的表现。东洋橡胶公司也发展了DSCOⅡ，运用超级计算机，分析轮胎在接触地面时的变化，以及轮胎的内部动力特性、摩擦状况等，取得高精度的解析数据。针对设计轮胎的性能需求，使花纹排列、内部构造及材料配方达到完美结合，并在计算机所设定的使用环境中进行各项性
能测试。
有限元法用于轮胎分析，从1970年代起步发展到今天百家争鸣的繁荣局面，在技术水平上也经历了由二维分析到三维分析两个层次。
正因为如此，世界上著名的轮胎公司都设有专门的计算力学实验室，其目标是追求更加准确和全面地模拟轮胎的各种性能，同时也探索提高解算效率的新途径。如日本东洋橡胶公司在其研发中心就设有计算力学实验室。他们在富士通VEX大型计算机上用ABAQUS有限元软件对子午线轮胎进行三维有限元分析，显式解法需要连续运算192小时，而隐式解法则可缩短至6.5小时。我国轮胎有限元分析的研究进度
国内在利用有限元分析手段对轮胎设计进行研究方面，北京橡胶工业研究设计院做了大量的工作。1995年何晓玫等发表了适应低断面轿车子午线轮胎，使其具有较好高速性能和较低滚动阻力的PDEP设计理论运用有限元结构分析程序，以低断面轿车子午线轮胎为研究对象。以轮胎的预应力轮廓和动平衡轮廓为设计基准，充分考虑轮胎在动态条件下的变形情况。通过改变胎体轮廓线在模型内的形状来实现对带束层和胎圈施加张力，使其在动态下达到最佳平衡状态。该理论从研究轮胎负荷下的接地状态人手，通过优化轮胎的接地印痕及压力分布，使相同条件下的滚动半径增大，并可以控制带束层张力分布。在此基础上，1997又提出了PDEP-S理论，并说明PDEP-S理论将轮廓设计中轮胎的预应力和动平衡轮廓有机结合起来，可使轮胎设计进一步优化。
北京化工大学从1995年以来开展子午线轮能动态仿真与结构优化设计的研究。由不接地到接地，相继进行了两年的研究，并取得了一定成果。青岛科技大学在该领域进行了一系列的研究工作。华南理工大学俞淇等在长期跟踪并及时介绍国外研究进展的同时，也发表了一系列研究论文。上海轮胎橡胶（集团）股份有限公司轮胎研究所成立了美国阿克隆分部，简称T.R.T,R，与美国阿克隆橡胶开发实验室(ARDL)合作研究，开展了对轮胎材料的实验研究工作，并已发表了P215/70R15轮胎在二维模型上对充气尺寸的预测结果。徐延海等利用数值方法和实验方法对子午线轮胎的自由振动以及轮胎与路面接触等特性进行了研究。探讨了影响子午线轮胎特性的结构参数，如带束层的分部、铺层角度以及使用情况等对子午线轮胎特性的影响。任旭春等利用MSC.Patran建立轮胎三维有限元预测模型，模拟滚动轮胎与地面的接触。轮胎的动态分析采用Mooney-Rivlin结构模型和显式有限元分析，考虑了轮胎与地面以及轮辋与轮胎间的静摩擦和动态摩擦，给出了几组不同模量的分析结果，针对胎圈处应力进行优化设计。此外，刘文宁等利用有限元法对载重子午线轮胎三维模型的应力应变和温度场进行了分析。
综上所述，根据轮胎问题的复杂性和现有研究技术的可行性，三维有限元分析是子午线轮胎性能分析与模拟的主流技术。
综观国内外轮胎发展情况，安全、节能、环保始终是人们关注的焦点。这些目标实现也须依赖于新材料的合理应用和新结构的创新发展。
在安全方面，虽然子午胎本身具有比斜交胎好得多的高速行驶安全性，但依然存在爆胎等问题，因此，轮胎研究和制造者们还在不断地通过材料和结构改进以进一步提高安全性。前面所述的无气囊轮胎就是结构创新的典型例子。
在节能方面，研究结果表明，轿车行驶中燃油产生的动力65%用于克服空气阻力，20%用来克服轮胎滚动的阻力，15%用来克服零部件之间的摩擦力。由此可见，在节能型子午胎设计制造方面还有很太的潜力可挖。
在环保方面，绿轮胎是发展方向，考虑资源的再生利用，在子午胎材料和结构设计方面要有所考虑。同时，通过优化的设计使子午线轮胎主要噪声的产生降到最低程度也是今后一个重要的发展方向。
钢丝轮胎 上述方面的应用成果和各种理论绝大多数都是基于计算机辅助工程(CAE)的应用成果。我国轮胎技术发展迫切需要产、学、研各界合作，大力发展轮胎CAE技术，从而不断推出安全、节能、环保的轮胎新产品。
（作者单位：好友轮胎有限公司）
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