简析轮胎结构设计对轮胎性能的影响

简析轮胎结构设计对轮胎性能的影响

发表时间：2019-07-29T13:36:38.390Z 来源：《基层建设》2019年第14期作者：周斌

[导读] 摘要：本文主要对轮胎结构设计对轮胎性能的影响进行分析和了解。

万力轮胎股份有限公司 510940

摘要：本文主要对轮胎结构设计对轮胎性能的影响进行分析和了解。轮胎是汽车与地面接触的唯一部件，轮胎所产生的垂直力、纵向力、侧向力和力矩是轮胎与地面相互作用后产生变形的结果。路面不平、轮轴的运动以及轮胎的不均匀性都会引起轮胎的振动，轮胎的振动力传递特性与轮胎的结构密切相关。

关键词：结构设计；轮胎；作用；影响

一、轮胎的结构及作用

汽车的诞生与发展是世界科技进度的伟大成果，是人类进步的重要足迹，使人类从马车时代迈入了一个汽车工业时代。汽车出现初期，为了满足汽车的舒适性、操控稳定性、动力性，科学家不断的进行研究与创新，不断推动轮胎行业的进步与革新。

对于轮胎的作用；第一，轮胎是车辆与路面之间力传递的载体，通过轮胎传递驱动力、制动力、转向力等，从而实现了汽车的驱动、制动、转向等操作。第二，支撑车辆载荷。车辆的载荷导致轮胎的下沉，直到轮胎接地面积的平均压力与轮胎内部的充气压力达到平衡。第三，减轻、吸收汽车行驶过程的震动和冲击力，避免汽车零部件受到剧烈的震动而导致早期损坏。同时适应车辆的高速行驶状态并降低行驶噪音，保证行驶的安全性、舒适性、操纵稳定性和燃油经济性。

对于轮胎性能介绍；轮胎作为汽车与地面接触的唯一零部件，轮胎性能的好坏直接影响到车辆驾驶人员和乘客的安全，轮胎性能的重要性可想而知，为此各个国家也针对轮胎安全性能做出了明确的要求。随着汽车行业的突飞猛进，消费者在关注轮胎安全性能之余，开始关注整车的舒适性、操控稳定性、NVH等性能。为了满足消费者的需求，汽车厂家在选择轮胎供应商时，也对轮胎性能提出了各种明确的指标。

轮胎性能分类目前没有明确规定的划分方式，轮胎性能分为以下三类：第一，法规强制要求的安全性能：高速、耐久、脱圈、强度、外缘尺寸；第二，轮胎装配到整车测试的性能：舒适性、操控稳定性、NVH、燃油经济性、耐冲击性能、干湿地制动性能、磨耗性能等；第三，为了研究轮胎单体性能或者装配到整车上的轮胎性能表现而进行的单胎性能测试：静态接地压力分布、滚动阻力、轮胎刚性、轮胎单体噪声、轮胎模态、PRAT、六分力测试、气味性、气密性、环保性、轮胎动平衡均匀性等。

二、轮胎结构设计对轮胎耐久性能影响

轮胎耐久性是指轮胎在完成设计目标行驶里程前，保持轮胎结构完整性和安全性的性能。轮胎承载车辆及乘车人员的载荷，传递有轮胎和地面摩擦产生的传递力和力矩给车辆，从而响应驾驶员和汽车的动态指令。轮胎还要承受各种复杂路况对轮胎的冲击，各种环境对轮胎的考验，适应各种操作条件，比如高速行驶、长途长时间驾驶，同时还要适应消费者不同的保养习惯。轮胎耐久性能的失效，可能导致轮胎达不到实际的设计行驶里程指标花纹便磨损完成，导致消费者抱怨。也有可能出现轮胎花纹块未磨损完成，便出现胎面、带束层脱层，花纹掉块等问题，使得轮胎终止其生命周期。

导致带束层子午线轮胎在实际使用过程中出现失效模式的原因通常是疲劳，轮胎实际使用是反复加载的过程，大应力和大应变会导致逐渐发生断裂。橡胶作为粘弹性材料，影响它强度的因素是温度和加载速度。其他的影响主要包括因断裂、撕裂、污染、胎体内压导致的轮胎结构损坏。轮胎结构损坏可能会加速疲劳过程或导致立即破坏。

轮胎行驶过程中，轮胎会周期性下沉，轮胎内部部件温度与轮胎腔体内空气温度达到热平衡。轮胎运行状态的改变与轮胎自身结构的变化，可以改变平衡状态。持续生热导致轮胎局部温度过高，通常乘用车子午线轮胎在胎肩带束层端点位置生热最高，轻卡子午线轮胎在胎肩带束层端点位置及胎圈位置生热最高。过量生热导致橡胶性能下降，强度降低，橡胶抗撕裂能力也下降。随着这种高温状态的持续，轮胎部分区域会达到临界温度范围，橡胶性能的下降将会导致轮胎脱层。通常乘用车子午线轮胎多发生在胎肩位置，轻卡子午线轮胎多发生在胎肩位置或者胎圈位置。查看破损位置，橡胶多有孔状，骨架附胶多有融化现象。

三、轮胎结构设计对轮胎接地压力分布影响

轮胎接地区域通常被成为印痕，印痕的大小和形状直接影响轮胎与路面间作用力的传递，它可以反映出路面和轮胎间的力学特性，对轮胎磨耗性能和滚动阻力、轮胎噪音、制动性能等有着非常重要的影响，因此对轮胎接地印痕及接地压力分布的研究有着非常重要的意义。轮胎接地面积越大，相同配方条件下，轮胎的抓地能力会越大，有利于轮胎的驱动制动性能。轮胎的接地形状趋于椭圆形时，对轮胎的舒适性有利，对轮胎的低噪音有利，对轮胎的直行性能有利。轮胎的接地形状趋于矩形时，对轮胎的操控稳定性有利，对轮胎的磨耗性能有利，同时对轮胎的承载能力有利。

目前轮胎厂家多使用有限元仿真手段和实验设备测试方法对轮胎的接地压力分布进行测试及分析。其中实验测试手法多采用压力传感器法，常用测试设备如图所示；

四、轮胎结构设计对轮胎整车NVH性能的影响

NVH是Noise、Vibration、Harshness的缩写，即噪声、振动和声振粗糙度。它是衡量汽车综合品质的一项非常重要的性能指标，它带着消费者驾乘舒适性最直接的感受，目前汽车NVH问题是各大汽车制造商和零部件供应商非常关注的问题之一。随着消费者对整车NVH性能的关注，主机厂在新车型开发过程中也把整车NVH的测试作为了车型设计验证的一个重要环节。NVH的研究可以通过对汽车某一个系统进行建模分析，同时也可以对整车总成进行建模分析，寻找影响整车舒适性的最大因素，可以采用改善激励源振动状态的方法，通常是采用

降幅或者移频的方式，也可以采用控制传递途径的方式。

影响驾乘NVH性能的激励可以来自于路面激励，也可以来自于轮胎内部，驾乘干扰可以通过空气进行传播，也可以通过轮胎和车身结构进行传播。轮胎产生的噪声可以通过空气传播途径传播到车辆经过处观察者的耳中，这就是我们常说的通过噪声。轮胎噪声也可以通过空气传播，从车辆上密封不好的位置传播至汽车驾驶室内，从而对驾驶室内的NVH产生影响。路面的激励或者轮胎自身的激励可以通过轮胎传递至悬架，然后传递至驾驶室地板及方向盘等，驾驶人员及乘坐人员便会感受到振动。在激励传递的过程中，传递路径可能会导致振动的增强或者衰减。由于轮胎和车身具有独立或者联合的结构特性，这些特征可以增强或者削弱振动噪声的信号。

参考文献：

[1] 基于有限元分析的轮胎接地印痕研究[J].陈雯苑.橡塑技术与装备.2018（15）

[2] 一种降低噪音且具有良好高速性能的轮胎结构[J].马晓.轮胎工业.2018（06）

[3] 骨架材料结构对轮胎噪声的影响[J].刘剑美，Siegfried Ratzeburg，朱庆帅，陈虎，田健.轮胎工业.2018（04）