基于Abaqus的全钢轮胎接地印痕仿真分析

张伟伟，王海艳，任世夺，张永锋，张梦洁

[浦林成山（青岛）工业研究设计有限公司，山东 青岛 266042]

轮胎是汽车最重要的部件之一，车辆的承载、导向、驱动、加速及制动等性能主要通过轮胎与路面之间的相互作用来实现。因此研究轮胎与路面之间的接触问题成为轮胎设计过程中必须考虑的因素，而轮胎的接地性能又主要通过接地印痕来体现[1]。

目前国内轮胎企业在产品设计过程中主要通过两种方式获得接地印痕，一是通过静负荷试验对轮胎接地印痕进行拓印，也称为油墨印痕，二是通过压力毯试验。前者只能获得接地印痕的形状及尺寸等参数，进行简单的主观判断；后者则可以较为精确地得到接地印痕的形状、尺寸以及压力分布曲线。但这两种方式都只能对成品轮胎的性能进行测试。

随着计算机技术的发展，在轮胎设计的初始阶段，采用有限元方法对轮胎接地印痕进行仿真分析会大幅提高产品开发的效率，同时减少产品研发成本[2-5]。

本工作采用有限元仿真方法对不同胎冠弧设计方案的全钢轮胎进行接地印痕分析，验证接地印痕的有限元仿真精度，并研究胎冠弧设计对接地印痕的影响。

1 研究方法

1.1 轮胎接地印痕形状量化

轮胎接地印痕形状参数用于定量描述接地印痕的形状，如图1所示。其中LX和LW分别为接地印痕长轴和短轴的长度，目前大部分轮胎公司评估接地印痕时普遍采用这两个值来表征，LI和LO分别代表接地印痕内外两侧80%短轴宽处的长轴长度。

图1 轮胎接地印痕形状参数

接地印痕的形状系数（即矩形率，Cs）和左右对称系数（Cm）计算如下：

Cs越接近1，接地印痕形状越接近矩形；当Cs小于1时，值越小，接地印痕形状越接近蝴蝶形；当Cs大于1时，值越大，接地印痕形状越接近椭圆形。Cm代表内胎肩和外胎肩的对称程度，表征轮胎在加工过程中因工艺和设备等原因造成的不对称性，其值越接近于1对称性越好。

1.2 有限元模型的建立

本工作以215/75R17.5和315/70R22.5两个规格轮胎为研究对象构建轮胎材料分布图，选用通用有限元分析软件Abaqus进行轮胎的充气和加载分析。选用Yeoh本构模型对橡胶材料进行描述，骨架材料如胎体、带束层结构选用Rebar单元定义。二维充气模型中，橡胶材料的单元类型分别采用CGAX3H和CGAX4H，骨架材料的单元类型采用SFMGAX1。三维加载分析中，橡胶材料分别采用杂交单元C3D6H和C3D8H，模型中简化了花纹的横沟和细小钢片。

2 215/75R17.5轮胎接地印痕分析

2.1 胎冠弧设计方案

目前全钢轮胎胎冠弧设计普遍采用一段弧或一段弧加直线的设计，胎冠弧设计方法对接地印痕的形状有显著影响。

215/75R17.5轮胎2个方案均采用一段弧加直线的设计方法，参数如图2和表1所示。

图2 215/75R17.5轮胎胎冠弧设计方案

表1 215/75R17.5轮胎不同方案胎冠弧设计 mm

2.2 仿真与测试结果分析

两个方案轮胎接地印痕分析结果见表2。仿真和试验轮胎接地印痕见图3。

表2 215/75R17.5轮胎仿真与测试接地印痕参数对比

图3 215/75R17.5轮胎仿真与测试接地印痕

由表2和图3可见，方案1与方案2轮胎的仿真接地印痕长短轴尺寸差异在1%以内，但是形状差异很大，方案1轮胎的Cs为1.19，接地印痕形状趋于椭圆形，而方案2轮胎的Cs为1.03，接地印痕形状更接近矩形。

由表2还可以看出，与试验接地印痕相比，仿真接地印痕的LX和LW准确度达98%以上，LI和LO仿真准确度达到99.4%以上，Cs和Cm仿真准确度达到99%以上。试验结果与仿真结果一致性良好，且轮胎其他性能均达到标准要求。经过优化，选择方案2作为最终方案进行试产。

3 315/70R22.5轮胎接地印痕分析

3.1 胎冠弧设计方案

315/70R22.5胎冠弧采用两种设计方法，其中方案1′和方案2′为一段弧设计，方案3′为一段弧加直线设计，设计参数详见图4和表3。

图4 315/70R22.5轮胎胎冠弧设计方案

表3 315/70R22.5轮胎不同方案胎冠弧设计 mm

3.2 仿真与测试结果分析

3个方案轮胎接地印痕分析结果见表4。由表4可见：方案1′与方案2′的h不同，胎冠弧半径相差10%，Cs仅相差0.01；方案2′与方案3′的h相同，但是Cs却相差0.03，接地印痕形状差异较大。这说明胎冠弧设计中一段弧与一段弧加直线两种设计方法和胎冠弧半径是影响接地印痕形状的主要因素。

表4 315/70R22.5轮胎仿真与测试接地印痕参数对比

3个方案接地印痕的仿真和测试结果见图5。

图5 315/70R22.5轮胎仿真与测试接地印痕

由图5可见，方案3′轮胎仿真接地印痕呈“W”形，方案1′和方案2′轮胎仿真接地印痕形状相近，均优于方案3′轮胎。进一步对比胎肩耐久性能，方案1′轮胎剪切应变为0.493，小于方案2′轮胎的0.534，因此选用方案1′作为试产方案。

315/70R22.5轮胎方案1′接地印痕Cs远大于1，形状趋于椭圆形，接地印痕参数仿真准确度达94%以上，产品现已投入量产。

4 结语

在轮胎设计阶段通过仿真技术对不同设计方案的轮胎接地印痕进行评估，可摆脱仅靠设计人员的经验和主观判定对轮胎接地印痕进行评价的思路，能更好地指导设计，提高轮胎性能。

全钢轮胎胎冠弧设计对接地印痕形状具有显著影响，胎冠弧是改善接地印痕的主要设计参数，行驶面弧度高和胎冠弧半径共同影响接地印痕形状。Cs和Cm可以量化表征接地印痕形状，在后续工作中需继续研究接地印痕肩部下沉量等参数对接地印痕的影响，从而更全面地表征轮胎接地印痕形状。