免充气轮胎结构的接地性能分析

2024-01-12盖胜磊吴芷红

内燃机与动力装置 2023年6期

盖胜磊,吴芷红

山东交通学院汽车工程学院,山东济南 250357

0 引言

轮胎是汽车重要行驶的部件,目前车用轮胎工业发展的主流是轮胎结构子午化、无内胎化、扁平化[1]。随着我国交通运输业和蓬勃发展,机动车保有量持续增加,在加快交通出行的同时,交通事故也不断增加。据统计,我国近一半的高速公路交通事故由轮胎故障引发,由轮胎引发的事故中70%为汽车爆胎[2]。充气轮胎胎面薄,长期损耗易产生交通事故,且充气轮胎生产工艺繁琐、造价昂贵,所以加快研发安全节能、工艺简单的免充气轮胎势在必行[3]。

相比传统的充气轮胎,免充气轮胎没有内胎,具有防爆、防漏气等优点,提高了汽车的安全性能和动力性能[4-5]。目前,各大轮胎生产商均研发了自己的免充气轮胎,如米其林公司的可用于各种特种运输车辆上的Tweel免充气轮胎[6],固铂公司的可有效抵挡口径为5.56 mm子弹和地雷直接冲击的仿生蜂窝轮胎[7],普利司通公司的第二代免充气式轮胎Air-Free[8]等。李莉等[9]设计出一款可在较差道路条件下行驶的辐板式免充气轮胎,向仲兵等[10]研制出一款可安装在特种车辆上铰链式免充气机械轮胎,2017年国内第一次用3D打印技术成功打印出聚氨酯免充气轮胎。为优化轮胎性能、降低制造成本,本文中搭建繁花结构式的免充气轮胎有限元模型,分析阵列数为20、30、40的免充气轮胎的接地性能。

1 免充气轮胎的结构

安子军等[11]设计的繁花结构或免充气轮胎结构主要由外胎面、辐条支撑体和内外圆筒组成,如图1所示。辐条支撑体可代替充气轮胎的胎体结构,在汽车高速行进时起承重和支撑作用。辐条采用繁花式结构,繁花结构形成的通孔孔壁只能通过弯曲和压缩变形提供弹性,故繁花结构式免充气轮胎刚度较小,但能满足普通轿车使用需求;不同繁花结构具有不同的舒适性能,可满足不同应用需求。

图1 免充气轮胎结构

免充气轮胎的外胎在行驶时与地面长期接触,轮胎的外表面应采用耐磨性能和防滑性能优异的橡胶材料。高速行驶时,车辆轮胎与地面剧烈摩擦产生热能,若轮胎胎面与辐条均使用散热性较差的聚氨酯材料,产生的热量持续聚集到聚氨酯上,导致免充气轮胎发生较大的热变形。采用橡胶胎面可使产生的热量在轮胎表面快速散失,减少聚氨酯材料支撑体上堆积的热量和热变形。另外,橡胶材料具有良好的弹性和耐磨性,可减小车辆行驶过程中由辐条变形引起的振动,延长轮胎使用寿命。

2 免充气轮胎有限元模型

采用ABAQUS软件的前处理模块建立免充气轮胎的几何模型,并设置节点、单元、材料参数、边界条件。

2.1 材料属性

建模时不考虑轮胎内表面与轮辋的接触,不考虑轮胎与地面接触时地面产生的变形,故将轮胎内圈与地面设置为刚性材料;辐条支撑体定义为聚氨酯材料,弹性模量为24 MPa,泊松比为0.49[12]。

轮胎外胎为橡胶材料,橡胶是一种超弹性材料,弹性形变较大,选用 Mooney-Rivlin 模型定义其力学性能。

2.2 单元模型

为节省时间并提升网格质量,使用sweep网格划分技术划分模型网格。聚氨酯辐条支撑体设置为S4R,橡胶外胎与刚性内圈设置为六面体杂交单元的C3D8I,繁花结构式免充气轮胎的网格模型如图2所示。

a)橡胶外胎 b)刚性内圈 c)聚氨酯辐条图2 繁花结构式免充气轮胎的网格模型

2.3 边界条件与负载设置

分析免充气轮胎的接地性能时,对于地面与橡胶胎面间的接触,定义其法向力学行为为“硬”接触,切向力学行为的摩擦公式为“罚”,摩擦因数约为0.5;支撑体与轮胎的接触采用Tie约束,即使用黏合方式将辐条分别与橡胶胎面、刚性内圈进行连接,并添加方向向上约为4 kN的载荷代替轮胎竖直向下的受力,近似模拟免充气轮胎的受力状态[13]。

3 仿真结果与分析

3.1 轮胎接地压力分布

免充气轮胎接地时的压力分布影响其接地性能,进而影响轮胎的磨损与侧偏特性。选择3种免充气轮胎(轮胎Ⅰ:阵列数为20、厚度为3.0 mm;轮胎Ⅱ:阵列数为30、厚度为2.1 mm;轮胎Ⅲ:阵列数为40、厚度为1.5 mm),以轮胎重心下沉量代替垂直载荷的作用,通过仿真分析下沉5、15、25 mm时的接地压力分布。

3.1.1 轮胎Ⅰ

轮胎Ⅰ下沉5、15、25 mm时应力和地面压力分布如图3所示。

图3 轮胎Ⅰ下沉5、15、25 mm时的接地应力与地面压力分布

由图3可知:轮胎Ⅰ下沉5、15、25 mm时的最大应力分别为4.28、20.84、28.14 MPa;轮胎的最大应力随下沉的增大而增大,最大应力位置略有不同,基本集中在轮辐底部与外胎的连接处;当下沉5 mm时,地面压力为矩形分布,此时轮胎面与地面完全接触,由于辐条V型尖端的存在,最大压力分布在靠近轮胎与地面接触边缘的两侧,随着下沉持续增大,地面压力逐渐分段,下沉15 mm时,地面压力呈现不连续的3段式分布,下沉25 mm时,地面压力为不连续的5段式分布现象,该现象主要由各个辐条接触地面时的应力集中导致。当出现压力分段后,免充气轮胎与地面的接触为不均匀接触,即轮胎与地面接触不牢靠,行驶过程中轮胎接地应力集中,导致轮胎局部磨损严重,寿命大大降低。因此,对于阵列数较小的免充气轮胎,可适当增大辐条厚度、刚度及胎面厚度,且只适用于下沉量较小的载重设备。

3.1.2 轮胎Ⅱ

轮胎Ⅱ下沉5、15、25 mm时的应力和地面压力分布图4所示。

由图4可知:轮胎Ⅱ下沉5、15、25 mm时的最大应力分别为7.64、18.59、19.88 MPa;最大应力随着下沉增大而增大;相比轮胎Ⅰ,轮胎Ⅱ在相同下沉时的轮胎辐条变形相对较小且地面压力出现3段式、5段式现象更加明显;最大地面压力先减小后增大,主要原因为下沉增大,轮胎与地面的接触面积逐渐增大,抵消了由于接触力增大而造成的应力增大;轮胎Ⅱ的整体应力主要集中在与点面接触靠近边缘的位置,同样也会造成轮胎的磨损,因此,阵列为30的充气轮胎也不适用于大荷载、下沉大的车辆。

3.1.3 轮胎Ⅲ

轮胎Ⅲ下沉5、15、25 mm时的应力和地面压力分布图5所示。

图5 轮胎Ⅲ下沉5、15、25 mm时的接地应力与地面压力分布

由图5可知:轮胎Ⅱ下沉5、15、25 mm时的最大应力分别为8.30、25.16、31.67 MPa;相比于前2种轮胎,轮胎Ⅲ的变形更小,在下沉25 mm时接地压力分布均匀连续,未出现5段式分布现象,因此,轮胎Ⅲ具有良好的接地性能,适合下沉量较大的普通汽车。

轮胎的优化不能只考虑阵列密集程度,应综合考虑阵列密度和辐条厚度,在节省材料的前提下获得受力更好的轮胎。

3.2 静态工况下的轮胎性能

随着轮胎阵列的增加,轮胎整体密度增大,应力分布更加均匀,在相同下沉条件下变形更小。研究轮胎的弹性性能,应先确定下沉量,而辐条厚度与阵列数影响下沉量[14]。

轮胎的径向刚度影响汽车行驶的稳定性和舒适性。选择12种免充气轮胎(阵列为20且辐条厚度为4.2～4.8 mm、阵列为30且辐条厚度为3.4～4.0 mm、阵列为40且辐条厚度为2.0～2.6 mm),仿真分析不同轮胎的负载与下沉量关系,如图6所示。由图6可知:轮胎下沉量与负载正相关,相同阵列和负载时,辐条厚度越大下沉量越小。图6中曲线的斜率为轮胎的径向刚度,如表1所示。

表1 免充气轮胎的刚度

a)阵列为20 b)阵列为30 c)阵列为40图6 免充气轮胎径负载与下沉量关系曲线

由图6和表1可知:阵列为40且辐条厚度为2.2～2.6 mm与阵列为20且辐条厚度为4.2～4.8 mm的免充气轮胎刚度基本一致,这2种免充气轮胎的下沉平稳性相近;相比于增大阵列,增大辐条厚度更利于提高轮胎刚度。阵列为20、辐条厚度为4.2 mm的轮胎刚度为420.54 N/mm,阵列为30、辐条厚度为4.0 mm的轮胎刚度为336.20 N/mm,二者辐条厚度相差0.2 mm,而刚度相差约84 N/mm,在同一阵列条件下,辐条厚度每增大0.2 mm,刚度平均约增大35 N/mm,辐条厚度增加对于刚度增加的增益效果明显。