浅析轮胎胎面磨耗行为的研究方法

摘 要：汽车轮胎作为整车与路面相接触的重要部件，不仅直接影响汽车的使用性能（动力性、操纵稳定性和平顺性等），而且严重影响汽车行驶的安全性能和使用成本。各轮胎企业为增加自身的竞争力，都不断加大研发投入，力争在激烈的市场之中获取一席之地。但相比于国外一些技术先进的轮胎公司而言，我国轮胎企业数量多、规模小、研发投入不够的状态依然比较严重。本文通过分析我国汽车轮胎现状，对轮胎的磨耗研究方法以及发展趋势进行探讨。

关键词：轮胎;现状;磨耗

1 目前的国内外研究水平和发展趋势

十九世纪七十年代，英国科学家瑞利采用试函数的方式求解复杂微分方程，二十世纪初，里茨在此基础上提出完善的数值近似法，这种方法也成为现代有限元方法的基础。

二十世纪七十年代以来，有限元技术在轮胎工业方面得到应用，但由于轮胎自身结构和胎面花纹的复杂性，使得有限元技术在分析轮胎力学性能方面的准确性受到很大的限制。

近年来，轮胎有限元模型已成为研究轮胎一切力学性能的重要基础，建模技术也从最初的简化轮胎模型发展为可以反映轮胎实际花纹结构的模型，应用的分析领域也更为广泛，比如特性、疲劳分析、噪声分析、制动性能和滑水现象分析等。

2002 年通过优化胎侧结构使胎侧所受张力分布更加均匀，带束层应变能密度也有所降低，提高汽车的操纵性能和轮胎的耐久性，而且通过数值试验证实系统化的多目标优化方案不仅可以优化胎侧轮廓，而且可以使有限元计算快速、稳定地收敛。

2005 年模拟轮胎碰撞凸起的瞬态响应，并与试验对比，验证所建模型和分析方法的准确性，然后分析轮胎滚动速度和充气压力等参数轮胎瞬态响应的影响。

2006 年通过数值分析方法分析 ABS 系统作用下三维花纹轮胎模型制动过程中的轮胎摩擦能量损失以及刹车片摩擦热量的分布情况，并计算轮胎在干燥路面上的制动距离;同年，分析花纹轮胎在潮湿路面上的滑水特性，采用通用接触方式仿真复杂花纹与水流的接触过程，并通过数值分析的方法计算轮胎滑水过程中胎面接触压力和水流压力。

2007 年根据三维花纹轮胎的瞬态滚动分析模型对轮胎驻波特性进行数值化分析，通过对比仿真结果与试验测得的驻波时的临界速度值来判断仿真过程的可靠性，证实充气压力和载荷等参数对驻波时的临界速度值有重要的影响。

国内外对于轮胎耐久、耐磨耗性的测试普遍采用室外实车试验的方式。我国国标GB/T29041-2012对汽车轮胎的道路磨耗性能试验进行规定：要求轮胎先进行1300km的磨合，之后进行耐磨损性测试，汽车每行驶5200km，测量一次胎面花纹療耗深度;对于试验车速也进行规定，80%的试验过程以90-110km/h的速度进行，其余20%随机在100-110km/h的速度范围内进行;需遵守实车轮胎使用标准（GB/T29041-2012）按行驶里程进行轮胎换位。美国交通部（DOT）针对轮胎耐磨性、牵引和耐高温性制定UTQC标准，其测试磨合距离800英里（约为1300km），之后每行驶800英里测量一次磨耗深度。该标准对于轮胎的耐磨性进行统一的定义，规定标准轮胎的磨耗指数为100，对应的磨耗距离为30000英里（约48279km），测试的轮胎磨耗指数越大，则耐磨性越好。

2 研究内容及方案

在传统设计过程中，轮胎耐磨性能的分析评价大多通过试验进行，即测试拥有不同材料配方和设计结构轮胎的耐磨性。这个过程往往需要经历从设计到样品再到试验检验的多个循环过程，无法在轮胎设计初期进行磨损特性的预测，因此只能通过试验结果来修改设计方案。这种方式不仅要依赖于设计工程师的经验，而且开发周期长，开发成本高，无法满足当下激烈的市场竞争要求。随着摩擦学领域内橡胶摩擦磨损机理的不断被揭示，以及计算机技术的不断发展，借助计算机仿真技术可以将轮胎的设计水平和设计效率大幅提升。

近年来，有限元技术得到极大的进步与发展，逐渐应用于机械设计的众多领域，而且也成为研究分析子午线轮胎结构特性的重要手段，例如通过有限元方法（FEA）研究轮胎的力学性能、材料参数特性以及性能对比分析等。基于有限元方法进行轮胎的动力学分析，结合磨损基本原理和车轮实际行驶工况，探究胎面橡胶磨损计算的新策略，将胎面磨损状况通过有限元模型表示出来，实现在设计初期对轮胎磨耗性能进行评价并采取相应的设计优化工作，缩短开发周期，提高效率。

3 研究方法的创新之处

以 205/55R16 型号的三款轮胎为研究对象，采用有限元分析和几何更新相结合的方法，研究三种胎面结构轮胎自由滚动 20000 km 后胎面的磨耗情况。采用几何更新法对三种轮胎进行磨耗行为的仿真分析，与不采用网格移动的仿真结果比较，得到较为合理的结果。轮胎在滚动过程中，存在一个自由滚动的状态，此时地面对轮胎作用的纵向力为零。而当轮胎的旋转角速度大于或小于自由滚动角速度的时候，会受到驱动或制动力矩和地面给轮胎的驱动或制动力兄的作用，使车轮处于驱动或制动状态。根据在驱动或制动过程中滑动运动所占的比例，滑移率A：的定义为公式：

当k=0时轮胎自由滚动，k>0时为驱动，k<0时为制动A为胎面滑动速度，v为车轮平动速度，w为车轮旋转角速度，为轮胎的有效滚动半径。

根据不同胎面结构的特点，划分轮胎有限元网格，确定和定义轮胎各部分橡胶、帘线和钢丝的材料模型和材料参数。然后，进行轮胎径向刚度的仿真分析，并与试验对标验证轮胎有限元模型的准确性。

参考文献：

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[2]李振.浅论汽车轮胎的磨损与保养[J].农家参谋，2017（23）：296.

[3]庄严，王凌云，张国玉，王醒华.通用型汽车胎压胎温监测系统研究[J].长春理工大学学报（自然科学版），2017，40（06）：65-68.

作者简介：王悦忍（1992-），男，山东嘉祥人，本科，研究方向：汽车轮胎磨损行为。