车辆多元体结构冬季轮胎摩擦特性及抗滑技术

齐 鹏， 王 强，王云龙， 齐晓杰， 杨 兆， 王国田， 吕德刚

(1.哈尔滨职业技术学院 机械工程学院，哈尔滨 150050;2. 黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，哈尔滨 150050)

车辆多元体结构冬季轮胎摩擦特性及抗滑技术

齐 鹏1， 王 强2，王云龙2， 齐晓杰2， 杨 兆2， 王国田2， 吕德刚2

(1.哈尔滨职业技术学院 机械工程学院，哈尔滨 150050;2. 黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，哈尔滨 150050)

基于人工神经网络优化，提出了由有利于车辆起动、制动及防侧滑3种功能的材料组成多元体橡胶轮胎胎面的技术，探讨了通过改变胎面胶单元体材料之间的结构、形状及分布比例来提高轮胎综合抗滑性能；利用低温仓恒温测试技术及计算机仿真，研究多元体橡胶轮胎胎面的冰雪路面摩擦特性及抗滑机理，为高抗滑冬季轮胎的研究提供指导.

冬季轮胎；抗滑；多元体；摩擦特性

高抗滑性是冬季轮胎安全使用的重要性能，冰雪路面轮胎橡胶的摩擦特性及抗滑机理是目前的研究热点.现有研究主要是通过胎面材料改性及胎面花纹设计技术来提高轮胎冰雪路面的起动性、制动性及侧滑性，但是无论采用哪种技术，冬季轮胎在使用过程中，还经常会出现如车轮起动牵引力不足打滑或空转、制动距离过大、转弯侧滑及方向跑偏严重等一些问题，引发交通拥堵甚至交通事故[1-3].为了提高轮胎综合行驶性能，仅仅依靠改变单一均质胎面的配方和花纹结构是很难实现的，因为,单一均质胎面胶的材料不能同时在起动、制动及侧滑运动状态时充分发挥其最佳性能，势必会造成某些运动状态失常[4-5].为此，文中从改变原有的单一均质胎面材料入手，探讨采用非均质胎面材料的性能来提高轮胎在冰雪路面的综合抗滑性能，即非均质胎面采用3种不同功能材料(3种不同配方组分)组合而成，分别针对有利于车辆起动、制动及防侧滑3种典型运动状态优化设计胎面胶单元材料，再通过改变胎面胶单元材料之间的结构、形状及分布比例组合优化，最终形成非均质的胎面材料，文中将其定义为多元体橡胶复合材料.目前,关于多元体橡胶复合材料应用于轮胎的研究尚未见有国内外文献报道[6-8].

1 抗滑轮胎多元体总体技术方案

抗滑轮胎多元体总体技术方案如图1所示，技术方案将会实现如下研究目标：①探讨多元体橡胶复合材料的组成对其与冰雪路面相互作用的影响规律，从而明确多元体橡胶复合材料在冰雪路面的摩擦机理，为提高轮胎胎面的抗滑性提供理论基础；②探索高抗滑轮胎胎面用多元体橡胶复合材料的优化及最佳制备工艺；③建立一套能反映轮胎胎面与冰雪路面间摩擦特性的仿真及试验平台；④建立、优化和完善一整套适用于提高冬季轮胎抗滑问题的、由基本理论、数学及力学模型构成的多元体橡胶复合材料高抗滑理论及实现方法体系.

图1 总体技术方案

2 轮胎胎面的冰雪路面摩擦特性与胎面材料性能的相关性研究

采用单一均质典型配方、花纹结构的夏季轮胎、冬季轮胎、全天候轮胎胎面混炼胶，通过改变混炼胶的配方体系和硫化工艺(硫化温度、深度、压力及时间等)，获得大量不同物理机械性能胎面胶标准试样块体.低温仓恒温环境下利用万能拉伸试验机获得拉伸强度、弹性模量、扯断伸长率、定伸应力、永久变形及耐撕裂性等参数；利用邵尔硬度计获得硬度、阿克隆磨耗机获得耐磨性、冲击弹性试验机获得弹性、橡胶疲劳龟裂试验机获得耐疲劳性、橡胶低温脆性试验机获得脆性温度、老化试验箱获得耐热性和耐老化性等物理机械性能参数.低温仓恒温环境下,构建摩擦特性试验平台，并利用ABAQUS有限元软件进行大量的计算机数值模拟，研究胎面胶标准试样块体在不同运动状态下(起动、制动及侧滑)与不同形式冰雪路面的摩擦特性.通过试验和计算机仿真分析，建立摩擦特性与物理机械性能之间的相互影响关系，明确分析出物理机械性能参数中哪些参数在考虑载荷、转弯半径、温度和滑移速度条件下对摩擦系数、牵引力(起动状态)、制动力(制动状态)、侧滑力(侧滑状态)等摩擦特性起主要影响作用，并建立摩擦特性和胎面材料性能之间相关性.

3 满足不同形式冰雪路面、不同运动状态的胎面胶单元体的优化设计

依据已经建立的摩擦特性和胎面材料性能之间的相关性，优化设计并分别制备在不同形式冰雪路面下有利于提高起动性、制动性及防测滑性的胎面胶单元体.采用丁苯橡胶、顺丁橡胶、天然橡胶顺和式异戊橡胶,为橡胶基体，研究中采用其中两种或者多种并用胶通过改变相应用量来完成基体橡胶种类的选择及优化；通过改变硫磺和促进剂的种类和用量以及硫化温度、硫化深度、硫化压力及硫化时间等参数完成硫化体系的优化；通过改变增强体、炭黑和白炭黑等种类和用量来完成补强与填充体系的优化.以设计-分析-试验-制备-优化一体化为原则，应用概率统计原理、ABAQUS有限元数值模拟和低温仓恒温试验相结合获得最优化的胎面胶单元体.采用三段混炼工艺，混炼过程控制最佳混炼温度、混炼时间、排胶温度及转子转速.胎面胶单元体制备工艺流程如图2所示，关键工艺为控制第一段混炼胶和第二段混炼胶的排胶温度要比普通胎面排胶温度高，密炼机转子转速比普通胎面转子转速低.

图2 胎面胶单元体制备工艺流程

4 基于人工神经网络的胎面胶单元体分布组合优化

针对有利于起动、制动和防侧滑3种运动状态，雪路面、冰雪混合路面、压实冰路面及冰水混合路面4种典型工况，载荷、环境温度(-5～-40 ℃)、行驶速度(10～60 km/h)及转弯半径4种条件下,进行胎面胶单元体分布组合优化，获得满足上述路面及它们综合路面工况下的车辆起动、制动及防侧滑综合性能优良的胎面胶多元体.通过改变有利于起动、制动及防侧滑胎面胶单元体的结构、形状、分布比例(如图3所示的分布组合方案)，寻找一个最佳的分布组合方案.采用人工神经网络中的“多层误差反向传播”算法和基于共享小生境技术的遗传算法并应用Matlab软件来求解多目标分布组合优化问题，构建由输入层、第一隐层、第二隐层和输出层组成的多层前向神经网络，结构如图4所示.

图3 不同比例、不同形状的单元体分布组合方案

图4 组合优化神经网络结构

5 结 论

从改变胎面单一均质材料角度，探讨了冬季冰雪路面抗滑轮胎多元体技术，探讨了不同形式的冰雪路面摩擦特性研究方案，最终将通过在轮胎上的应用,揭示轮胎胎面多元体橡胶复合材料的抗滑机理，为冬季轮胎的设计提供指导.

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FrictionCharacteristicsandAnti-SlidingTechnologyofVehiclePolyploidStructureWinterTire

QI Peng1, WANG Qiang2, WANG Yun-long2, QI Xiao-jie2, YANG Zhao2,WANG Guo-tian2, LV De-gang2

(1.Harbin Vocational & Technical College, School of Mechanical Engineering, Harbin 150050,China;2. Heilongjiang Institute of Technology, School of Automobile and Traffic Engineering，Harbin 150050,China)

Based on artificial neural network,provided the technique of making polyploidy rubber tire tread by use of three kind of materials which are beneficial to vehicle starting, braking and anti-slide slip, and discussed about changing structure, shape and distribution proportion among haploid materials of tire tread rubber. Friction feature and anti-slide mechanism on ice-snow road of polyploid rubber tire tread are studied by using test technique of low-temperature cabin and computer simulation, provided theory instruction for studies on high anti-slide winter tires.

Winter tire; Anti-sliding; Polyploid; Friction property

1009-4687(2017)04-0037-04

2017-11-6

2015年度黑龙江省自然科学基金项目(E2015025)

王 强(1981-)，男，副教授，博士，研究方向为轮胎技术、汽车行驶安全性.

U4

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