仿猫爪掌垫子午线轮胎胎冠设计

2022-03-30刘从臻李永强孙运芬谢孟雨徐成伟

机械科学与技术 2022年2期

刘从臻,李永强,孙运芬,谢孟雨,徐成伟

(山东理工大学交通与车辆工程学院,山东淄博 255000)

轮胎作为轮式车辆直接与地面接触的部件,其性能优劣对车辆操纵稳定性、安全性、舒适性、经济性等产生重要的影响。胎冠是轮胎与地面唯一接触部分,决定着轮胎诸多接地性能。Tanaka等[1]通过改变胎冠弧的连接方式,探究对磨损性能的影响;梁晨[2]通过研究轮胎综合接地性能,提出轮胎抓地性能评价指标并阐述了影响抓地性能的影响因素;彭旭东等[3]发现温度对胎面胶料模量有一定影响,进而对轮胎抓地力有重要影响;Cho等[4]利用磨损模型数值分析方法优化胎面花纹,改善了轮胎的磨耗性能。但轮胎抓地与磨损性能之间存在固有矛盾,并与滚动阻力相互制约,形成“魔鬼三角”关系[5],传统方法很难实现各性能的协同提升。

近年来,伴随着生物科学技术的发展,仿生学结合基础学科在机械仿生、医疗仿生、电子仿生等方面[6-8]取得了很大进展。在轮胎设计领域,德国大陆公司[9]通过仿生设计出仿豹爪轮胎,可在车辆制动时增大轮胎-路面接触面积,减小制动距离;周利坤等[10]以章鱼吸盘作为仿生对象,设计仿生吸盘式轮胎来提高车辆在冰面上的制动性能;李杰等[11]运用试验和理论分析方法,对沙漠仿生轮胎的静态特性和动态特性进行了研究;丛茜等[12]对3种不同仿生非光滑沟槽表面流场进行了数值模拟,分析沟槽形状对减阻效果的影响;王国林等[13]通过仿蝗虫脚掌进行胎冠结构设计,同时改善了轮胎的抓地与磨损性能;樊沙沙等[14]将仿生凹坑非光滑结构移植到轮胎花纹沟壁设计中,通过噪声声压对比,仿生结构可减小花纹噪声的产生。国内外研究现状表明,仿生学在轮胎设计应用中已取得了许多重要成果,逐渐成为轮胎性能优化的新途径。

本文采用WALKWAY压力测试系统与3D激光扫描仪对猫前爪接地特性进行研究,利用相似原理进行猫爪掌垫弧曲线拟合并运用到乘用车轮胎胎冠设计中,探究轮胎静载、制动、侧偏工况下接地面积与压力分布等接地情况,以期实现两性能的协同提升。

1 猫爪接地特性分析与胎冠设计

1.1 试验装置

猫爪动态接地特性获取由OLYMPUS高速相机和WALKWAY压力测试系统联合测试完成,试验台布置如图1所示。压力传感器置于跑道表面,并通过数据传输线与电脑连接,选取成年健康的猫进行通过测试,利用食物及光点等方式引诱猫在透明挡板间行走[15],利用WALKWAY压力测试系统采集猫爪通过时的接地运动数据,并使用OLYMPUS高速相机进行拍摄。

图1 试验台原理图

1.2 动态接地特性分析

猫在运动时,前爪主要起到支撑与控制方向的作用[16],以确保转向时足够的侧向力。选取猫前爪作为研究对象,研究变量为前进速度。猫爪接地时垂向反力与接地面积相关数据如图2和图3所示。

图2 地面垂直反力变化曲线

图3 猫爪接地面积变化曲线

由图2和图3可知,不同速度下猫爪受到的垂向反力先增加后减小,速度越高,接地时间越短且峰值垂向反力越大。接地面积与垂向反力分布趋势相似,接地面积曲线关于总接地时间对称。通过对比发现:不同速度下,接地面积曲线斜率明显大于垂向反力曲线斜率,且在垂向压力峰值处接地面积保持最大并几乎稳定不变。说明猫爪可在短时间之内与地面产生稳定的接触。对猫爪掌垫与各个爪趾的垂直反力进行提取,绘制各部位接地压力变化曲线(速度1.34 m/s),如图4所示。

图4 猫前爪各部位反力变化曲线(1.34 m/s)

由图4可知,在猫前爪与地面产生稳定接触的过程中,掌垫始终为受力最大部位。其他速度下各部位接地反力变化趋势一致。说明在猫爪接地时,掌垫为主要支撑受力部位。以此为灵感,将猫前爪掌垫外形特征进行提取并应用到乘用车轮胎胎冠弧设计中。

1.3 掌垫点云处理及胎冠弧设计

猫爪表面为不规则曲面,利用VIVID 910型3D激光扫描仪对猫爪进行非接触式测量。将扫描的点云数据导入逆向造型软件Imageware中进行精简处理,留下所需的猫爪掌垫点云数据。处理过程如图5所示。将图5d)中的白色横截面点进行曲线拟合,得到猫爪掌垫横截面曲线,如图6所示。

图5 点云处理过程

图6 猫爪掌垫点云横截面拟合曲线

以掌垫截面肩部点云(图6中红色点)为基础,进行多项式拟合,其拟合方程为

y=1.443 9+1.551 0x-0.270 9x2+0.013 1x3

(1)

拟合方程判定系数R2为0.999 4,拟合精度极高。乘用车轮胎胎冠弧利用“相似原理”[17]进行仿生设计,得到仿生胎冠弧,如图7所示。其中红色曲线为仿生设计的肩部胎冠弧,黑色为样胎胎冠弧。

图7 仿生胎冠弧设计示意图

2 轮胎模型建立与验证

2.1 有限元模型

由于轮胎结构的复杂性与橡胶材料的非线性,各部件分别以不同的材料进行表征[18]。胎体和带束层是橡胶-帘线复合材料,用Rebar材料模型来模拟,其材料模型属性见表1。

表1 加强筋材料属性

采用Yeoh材料模型来模拟胎面与胎体等橡胶材料,Yeoh模型应变能本构方程为[19]

W=C10(I1-3)+C20(I1-3)2+C30(I1-3)3

(2)

式中:W为应变能;C10、C20和C30为3阶减缩多项式的展开系数;I1为应变第一不变量。

2.2 模型验证

为验证轮胎有限元模型的精度与适用性,利用CSS-88100静态加载试验机对待测轮胎进行加载试验,测量载荷及接地印迹,如图8所示。轮胎最大额定载荷为6 150 N,加载时充气压力为2.6 bar。静态加载时,“载荷-下沉量”的试验与仿真结果如图9所示,载荷与下沉量近似线性关系且误差在很小范围内。

图8 静态加载试验

图9 载荷-下沉量曲线

轮胎静载时接地印迹形状对比如图10所示,试验与仿真印迹分布具有较好的一致性。试验与仿真数值比较如表2所示,试验与仿真最大误差为3.7%,精准性高,因此轮胎模型可以用于下一步的仿真分析。

图10 静负荷下接地印迹形状

表2 接地印迹试验与仿真数值

3 结果分析与讨论

3.1 静载接地性能分析

通过静态加载分析,得到样胎与仿生胎接地压力分布,如图11所示。由图11可知,胎冠弧经仿生设计,胎冠接地印迹矩形率提高;胎面中心接地压力提高,且胎肩应力集中区域峰值压力降低,胎肩高应力区域接地印迹由“梭型”变为“梯形”;在保持稳定接地面积的前提下,样胎与仿生胎峰值接地压力分别为0.54 MPa和0.47 MPa,峰值接地压力降低13%,压力分布较均匀。表明静载工况下仿生结构设计可保证轮胎稳定的接地状态。

图11 轮胎静载接地压力分布

3.2 制动接地性能分析

良好的制动性能是保证车辆安全行驶的前提,轮胎在最佳滑移率状态下可发挥最佳制动性能。以制动时轮胎-路面反力和接地压力标准差作为指标评价其抓地与磨损性能。接地压力标准差可表示为

(3)

以60 km/h作为初始速度进行15%滑移率制动[20]。通过仿真获得制动时接地压力分布情况与接地参数,如图12与表3所示。通过对比静载与制动时接地压力分布,胎肩仍为主要受力区域,制动时肩部发生“拖拽”现象,高应力区域趋向制动前端;相较于样胎,仿生轮胎接地中心面积变大,有效缓解胎肩应力集中的同时制动接地面积增大2.23%,从而获得较大的制动力。通过表3参数对比可知,轮胎抓地力提升不明显,为0.74%,原因在于仿生设计仅对胎冠肩部进行调整,而轮胎纵向抓地力则主要由整个胎面提供。但仿生轮胎峰值接地压力和接地压力标准差分别降低10.74%与7.65%。综上,在未降低抓地力的前提下,胎肩偏磨损得到大幅度改善,仿生设计一定程度上缓解了轮胎抓地与磨损性能之间的矛盾。

图12 轮胎制动接地压力分布

表3 轮胎制动接地参数

3.3 侧偏接地性能分析

轮胎侧偏特性对车辆操纵稳定性有重要影响。在发生侧偏时,轮胎肩为主要受力区域,通过将轮胎速度进行侧向与纵向分解来实现不同侧偏角的仿真,侧偏角度分别取2°、4°、6°、8°[21]。得出轮胎侧偏接地压力分布与接地参数,如图13、图14和表4所示。

图13 样胎稳态侧偏接地压力分布

图14 仿生轮胎稳态侧偏接地压力分布

表4 轮胎稳态侧偏接地数据

由图13、图14与表4可知,随着侧偏角的增大,轮胎接地印迹由矩形变为梯形,接地面积呈现下降趋势;峰值接地压力逐渐增大且由胎肩部位开始转移至接地中心肋条花纹边缘处,导致胎面接地压力分布均匀性降低,偏磨损现象严重。对比两种轮胎,仿生轮胎侧偏力相比样胎最大提高2.3%,峰值接地压力最大降低11.2%,接地压力标准差最大降低6.8%,接地面积最大增加5.9%。仿生胎冠设计在侧偏工况下可有效增大轮胎接地面积,提升侧向抓地力,降低偏磨损,提高车辆的操纵稳定性。