汽车轮胎平衡性的分析

杨章林

（滁州职业技术学院，安徽滁州239000）

汽车行驶是由机械和电子两大系统的多个部件统一协调完成的。为了追求行驶的平顺性，对汽车转动部件的平衡性提出了很高的要求。汽车轮胎由于直接和地面接触，反馈各个方面的载荷作用，它的材料结构、装配方法、磨损及受力情况都受到平衡性的约束，因而轮胎的平衡性对汽车行驶有着重要的意义[1-2]。这里，笔者在其他因素理想化前提下，研究磨损对平衡性的影响。

1 平衡性影响因素

转动的部件在运动过程中受诸多因素影响，会因为不平衡性而产生离心力，其计算公式如式（1）所示。

式（1）中：G为转动部件质量（kg）；e为偏心距（mm）；w为角速度（rad∕s）；g为重力加速度（m∕s2）；F为离心力（N）。通过式（1）可知，不平衡性产生的离心力和偏心距成正比，偏心距越大，不平衡性越凸显，易导致行驶过程中出现振动、打摆等不良现象。影响偏心距的因素很多，如材料质量、装配误差、磨损的不均匀性引起的形位误差等。鉴于当前道路环境的改善和装配技术的提高，此二因素对偏心距的影响降低，故在本文中主要分析轮胎磨损不均匀引起的不平衡性。

2 轮胎的静态载荷分析

2.1 轮胎的结构

汽车的广泛性用途决定了轮胎种类的繁多，常用的是子午线轮胎。子午线轮胎主要由胎冠、缓冲层、胎肩、帘布层、胎侧和胎圈6个部分组成，结构如图1所示。这种轮胎由于无内胎，完全依靠外胎密封，性能可靠。根据实际工作需要，在胎冠上面设计不同类型的花纹。帘布层结构较复杂，按照子午线形式分布，可以产生很高的强度。胎圈用于在轮辋上固定轮胎。这些部件组合起来为轮胎的顺利工作提供了良好的保障。

图1 轮胎结构

2.2 静载荷分析

2.2.1 模型建立

轮胎的制作材料特别是帘布层的加强材料种类繁多。轮胎生产以弹性模量（E）和泊松比（v）为主要参数，同时注意材料性能的各向同性和各向异性两个方面。计算方法如式（2）、式（3）和式（4）所示[3-4]。

各向同性计算：

各向异性计算：

利用ANSYS软件自带的SOLID45∕SOLID46功能对其控制单元体和控制层单元进行设立，并且设定材料属性（MaterialModel Number 6），为了更贴近实际，需要综合考虑材料的两种不同性能，按照具体要求和条件，建立1∕2轮胎模型图，如图2所示。此处以常用的15英寸内径子午线轮胎为对象建立模型。

图2 1/2轮胎模型

2.2.2 施加载荷

轮胎在实际应用过程中主要承受支承方向上的力、制动状态的摩擦力、行驶状态的其他方向侧面受力等，各种约束比较复杂。为了便于分析，笔者选择竖直方向上的载荷，并且以刚性接触环境进行模拟。在选择汽车轮胎的胎压时，需要结合汽车载荷和速度两大参数。根据胎压，可以将目前常用的汽车轮胎分为三种：大型工具车的超低压胎、常见的低压胎和特殊用途的高压胎。其中，低压胎的气压值为0.2-0.5MPa，这是一个优良的范围，因为在该范围内轮胎的很多性能如弹性、散热性和缓和振动性等均有良好体现。本研究中将胎压确定为0.22MPa，为了便于体现结果，对其他因素进行理想化。在前述建立的模型基础上，模拟均布载荷的施加（如图3）。载荷方向为径向，从轮胎内部作用出来，为方便显示以红色网格线进行表达。

图3 施加载荷

2.2.3 结果分析

给予竖直方向上载荷后，由于地面反馈的反向力导致轮胎的不同部位承受压力明显有异，外形在横向和纵向上有了明显变化，其压力变形如图4所示。

图4 轮胎变形图

根据图4，我们不难发现其变形是不规则的，整个区域呈扁平化，中间部分是胎面，接地部分是胎冠，面积较大，压力也最大，所以变形量较大，与地面之间的摩擦最大，因其上附胎纹缓和冲击，且能提供较高的抓地力。胎纹因摩擦力的增大会进一步加剧材料的磨损程度，又因材料磨损的不均匀性进一步加剧了偏心距，此时对称位置的失圆性成了不平衡的诱因。各种不同工况也成为改变胎面磨损率的推手。再看两边的胎肩和胎侧部分，这些部位也成为变形较明显的地方。汽车实际行驶中会随着路况的变化而出现载荷的波动，随之而来的是周期性的交变变形。轮胎变形的不规则性对轮胎外部磨损量及其偏心距的实时产生都有重要影响。另外，从微观角度看，需要再从应力方面进行分析（如图5）。

图5 应力图

在图5中可以看出，整个轮胎的应力分布具有规则性，相对均匀，从中间开始呈放射性增大，到胎侧中间部分发生逆向变化，再往上又开始缩小。对应工作情况，可以明显看出胎侧受到最大的应力，结合变形情况可知任意截面的失圆率都在变化。胎侧由于受到交变应力的影响，容易出现失效，同时在变形影响下胎侧外鼓，这对本身就比较柔软的胎侧影响甚大。不同部位由于所受应力不一致，在工作中如果再考虑材料因素，不难发现不同部位的磨损情况不同。这些因素容易导致轮胎偏心距产生并变大，在轮胎制造过程中务必充分注意这些问题。

3 结论

通过上述分析可以发现，在单独进行竖直载荷作用时，轮胎各个部位的变形和所受应力的变化与轮胎因磨损而产生的偏心距之间有直接关系。轮胎的不平衡性影响汽车的正常行驶。利用ANSYS软件分析，得出为解决轮胎不平衡性问题而需要在材料耐磨性方面做出更多研究的结论。