全钢载重子午线轮胎接地压力分布的仿真研究

2022-07-19侯丹丹徐晓鹏张春生童晓茜崔志博王友善

橡胶工业 2022年4期

侯丹丹，徐晓鹏*，张春生，童晓茜，崔志博，王友善

（1.中策橡胶集团股份有限公司全钢子午胎研究所，浙江杭州 310018；2.哈尔滨工业大学化工与化学学院/新能源转换与储存关键材料技术工业和信息化部重点实验室，黑龙江哈尔滨 150001；3.哈尔滨工业大学航天学院/特种环境复合材料技术国家级重点实验室，黑龙江哈尔滨 150001）

轮胎是连接车辆与地面的重要部件，决定着车辆与地面间载荷传递的特性[1-3]。轮胎性能对车辆的舒适性、操纵性及安全性至关重要[4-6]。接地压力分布表征车辆施加载荷后轮胎与地面接触压力的均匀性，决定轮胎磨耗性能，并对轮胎使用寿命有重要影响，因此轮胎接地压力分布一直是轮胎和车辆领域研究的热点课题[7-9]。许喆等[10]利用有限元分析研究了充气压力、负荷、速度、摩擦因数等因素对轮胎接地印痕和接地压力分布的影响。鲁冰花等[11]提出轮胎接地压力非对称指数的概念，利用轮胎环模型定量研究轮胎接地压力分布的不对称性，分析了轮胎物理参数对非对称指数的非线性影响规律。崔鲁欣等[12]利用TireScan压力分布测量系统，通过设计行驶面宽及行驶面弧度高，使12R22.5全钢载重子午线轮胎接地印痕形状更接近于理想状态，接地压力分布更均匀。

本工作以12R22.5全钢载重子午线轮胎为例，从轮胎结构设计角度出发，利用有限元仿真研究胎冠弧角度、断面宽和零度带束层膨胀率对轮胎接地压力分布的影响。

1 轮胎有限元仿真建模

利用CAD软件绘制轮胎材料分布图，将其导入轮胎仿真分析前处理软件Tyabas-Pre中进行网格划分调整、边界条件设定、材料单元分配、骨架材料生成、材料参数设定、轮辋添加、充气压力和负荷施加等操作，最终生成有限元分析文件，再将其提交至Abaqus/Standard软件进行计算。轮胎材料分布及网格划分如图1所示。

轮胎三维有限元仿真模型如图2所示。胎体、带束层和胎圈等的骨架材料采用Rebar加强筋单元进行处理，Rebar单元的类型为SFMGAX1，大部分钢丝帘线是各向同性的线弹性材料；橡胶材料应力-应变关系以线弹性来描述，单元类型为各向同性不可压缩的CGAX4H。轮胎与轮辋的摩擦因数为0.35，轮胎与地面的摩擦因数为0.50，轮胎标准充气压力、负荷分别为830和3 750 kg。

将Abaqus/Standard程序计算结果导入后处理软件Tyabas-Post中，读取轮胎接地压力分布数据，分析结果如图3（a）所示。同时利用中国台湾高铁检测仪器有限公司生产的LT-5000型静态加载试验机和美国Tekscan公司生产的MAP7100型压力分布系统，根据GB/T 22038—2008《汽车轮胎静态接地压力分布试验方法》测试实际轮胎的接地压力分布，结果如图3（b）所示。

从图3可以看出，接地压力分布的仿真分析结果与实际测试结果相似度很高，因此本工作使用的轮胎仿真数据可信度高。

2 结果与讨论

轮胎接地压力分布的影响因素大致可分为两类，一类为轮胎的使用工况，比如轮胎胎压、车辆负载、路面倾角、车辆外倾角和前束角等；另一类为轮胎的结构设计因素，如轮胎高宽比、胎冠弧角度、带束层结构、断面宽等。这些因素最终都是通过改变轮胎与地面的接触区域特性与接地压力分布特性来影响轮胎的接地性能[13]。

2.1 胎冠弧角度对轮胎接地压力分布的影响

具有不同胎冠弧角度的轮胎接地压力分布如图4所示，θ为胎冠弧角度。除胎冠弧角度以外，所有轮胎材料、结构设计参数均一致。

从图4可以看出，在其他设计参数保持不变的情况下，修改胎冠弧角度对轮胎接地压力分布的影响较大。随着胎冠弧角度的逐渐增大，轮胎接地压力分布从类似椭圆的形态变成了接近矩形的形态。

不同胎冠弧角度下轮胎接地压力分布的几何评价指标如表1所示。接地长度为轮胎在垂直负荷作用下胎面与刚性路面接触时，其接地面沿轮胎周向切线方向的最大长度；接地宽度为胎面与刚性路面接触时，其接地面外周沿轮胎轴向的最大宽度；接地形状矩形因数为接地压力分布形状的矩形度；接地面积为胎面在刚性路面上的印痕面积；接地压力为轮胎与刚性路面接触时，轮胎对刚性路面产生的压力。

表1 不同胎冠弧角度下轮胎接地压力分布的几何评价指标Tab.1 Geometric evaluation indexes of ground contact pressure distributions of tires with different cap arc angles

从表1可以看出，随着胎冠弧角度的增大，轮胎接地宽度基本不变，而接地长度逐渐减小，接地面积和接地形状矩形因数增大。接地印痕是胎面与路面接触后，胎面沿接地面四周挤压变形产生的，随着负荷的增大，接地印痕向四周扩张。接地印痕在轴向方向上扩大到整个轮胎行驶面完全接地就不再扩大。本工作使用的充气压力和负荷均为标准值，在此状态下轮胎与地面充分接触，所以轮胎接地宽度基本不变。而印痕在周向切线方向扩张没有明显的界线，胎冠弧角度越大，轮胎胎肩与地面距离越小，在相同的负荷下胎肩就越容易接地，胎肩接地面积大就会产生更多的支撑力，这样致使胎冠中心所需的支撑力减小，从而使轮胎接地长度减小、接地面积和接地形状矩形因数增大。

从图4还可以看出，一般接地压力最大处在胎冠中心，因为这部分最先与路面接触，也是变形最大的地方。随着胎冠弧角度的增大，胎肩部位胶料增多，更容易与路面接触，在相同负荷下轮胎形变和支撑力更大，最大接地压力和平均接地压力逐渐减小。

在实际使用过程中，具有椭圆形印痕的轮胎肩部与地面接触不良，容易出现异常磨损、偏磨等情况。随着胎冠弧角度增大，接地形状矩形因数和接地面积增大，接地压力分布均匀，可以改善轮胎耐磨性能、磨耗均匀性和抓着性能。但胎冠弧角度也不是越大越好，增大胎冠弧角度会使胎冠、胎肩厚度增大，材料成本增加，散热困难[14]。而且胎冠弧角度过大会使接地压力分布出现反弧现象[见图4（e）]，导致轮胎胎冠中心出现异常磨损等问题。

2.2 断面宽对轮胎接地压力分布的影响

具有不同断面宽的轮胎接地压力分布如图5所示，B为断面宽。

从图5可以看出：轮胎采用4条直沟花纹设计，印痕分为5块；随着断面宽增大，中间3块印痕长度变化不大，而边部2块印痕长度逐渐增大，印痕边部形状从向外倾斜变为向内倾斜。这是由于断面宽越大，轮胎整体越扁平，轮胎与地面接触时，扁平轮胎的胎肩部位离地面更近，在相同负荷作用下，肩部与地面接触面积更大，因此印痕边部长度增大。

不同断面宽下轮胎接地压力分布的几何评价指标如表2所示。

从表2可以看出：随着断面宽逐渐增大，轮胎接地长度逐渐减小，接地宽度基本不变，这主要是由轮胎扁平化引起的；接地面积和接地形状矩形因数呈先增大后减小的趋势。接地面积和接地形状矩形因数先增大是受到轮胎扁平化的影响，轮胎越扁平，肩部越容易接地；但是当胎肩厚度减小达到一定程度后就很难再减小了，此时在印痕边缘处会形成支点，导致接地内部段的弯矩增大，引起带束层的轴向屈曲，轮胎有脱离地面的趋势，接地压力也随之减小[15]，所以当断面宽增大到一定程度后，接地面积和接地形状矩形因数反而减小。从图5（d）和（e）也可以看出，轮胎印痕花纹边沟处有向内凹陷的趋势。

表2 不同断面宽下轮胎接地压力分布的几何评价指标Tab.2 Geometric evaluation indexes of ground contact pressure distributions of tires with different cross-sectional widths

从表2还可以看出，随着断面宽的增大，轮胎最大接地压力减小，而平均接地压力则是先减小后增大。这是因为最大接地压力出现在胎冠中间部位，肩部支撑力增大，所以中部压力就减小了。平均接地压力后面又增大，是因为肩部挤压太严重，导致肩部压力急剧上升，所以比中部减小的压力更多。

总体来说，图5的轮胎接地压力分布都不是很好，图5（a）在使用过程中容易出现肩部异常磨损，图5（b）和（c）稍有改善，而图5（d）和（e）则会在边沟附近出现异常磨损。因此，在增大断面宽来增大接地形状矩形因数时，需要同时调整胎肩胶料厚度、形状来缓解其带来的超额形变。

2.3 零度带束层膨胀率对轮胎接地压力分布的影响

带束层又称为支撑层，是指在子午线轮胎的胎面基部下，沿胎面中心线圆周方向箍紧胎体的帘布层，主要起缓和冲击、箍紧胎体的作用。从结构上讲，带束层可分为3层、3.5层、4层及3层加零度结构。本工作所采用的带束层结构是3层加零度结构，其中零度带束层采用上下两层并用结构，置于2号带束层上、3号带束层两边。零度带束层主要起限制带束层边缘变形和增大胎肩部位刚度的作用。

具有不同零度带束层膨胀率的轮胎接地压力分布如图6所示，P为零度带束层膨胀率。零度带束层膨胀率是指在轮胎制造过程中，零度带束层的钢丝帘线受到一定程度的膨胀拉伸时所产生的伸长率，其大小可以通过调整轮胎成型、硫化工艺来控制。在本工作有限元仿真计算中，零度带束层Rebar单元采用超弹性的Marlow模型，力学性能数据采用真实的钢丝帘线拉伸应力-应变曲线数据，选取不同的钢丝帘线拉伸应力-应变曲线的起始点来模拟膨胀率。

从图6可以看出，随着零度带束层膨胀率的增大，轮胎接地压力分布区域在边沟附近逐渐减小，具有从矩形变为椭圆形的趋势。

不同零度带束层膨胀率下轮胎接地压力分布的几何评价指标如表3所示。

表3 不同零度带束层膨胀率下轮胎接地压力分布的几何评价指标Tab.3 Geometric evaluation indexes of ground contact pressure distributions of tires with different zero belt expansion rates

从表3可以看出，随着零度带束层膨胀率的增大，轮胎接地宽度基本保持不变，接地长度一开始变化不大，后明显增大。零度带束层整体位置处于边沟下方，可以控制这个部位的带束层以及胶料的变形。当零度带束层膨胀率较小时，带束层的束缚作用不明显，边沟附近的胶料在接地时仍然能有效地摊开接地；当零度带束层膨胀率继续增大时，零度带束层钢丝帘线拉伸应力-应变曲线在拐点时，模量急剧上升，束缚作用快速增大，轮胎肩部刚性增大，在接地时肩部胶料不能摊开，无法提供有效的支撑力，所以胎冠中部需提供更大的支撑力，导致其胶料变形增大，接地长度增大。接地形状矩形因数随着零度带束层膨胀率的增大先基本不变后减小也是这个原因引起的，而接地面积由于边部面积减小，中部面积增大，没有明显的变化规律。最大接地压力和平均接地压力都随着零度膨胀率增大先基本不变后增大，这也是零度带束层钢丝帘线拉伸应力-应变曲线拐点后胎冠中部所需支撑力增大引起的。因此，调整零度带束层膨胀率可以控制零度带束层附近的刚性，从而调整该部位的接地印痕形状。