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全钢载重子午线轮胎侧偏特性有限元分析

发表时间：2021/8/9 来源：《中国科技信息》2021年9月中作者：姜敬如杨丽张鹏飞

[导读] 汽车对地面的作用是通过轮胎实现的，轮胎的力学特性直接影响车辆的操纵性、平顺性和安全性等性能。汽车的操纵稳定性很大程度上取决于轮胎的侧偏特性，其已成为各汽车厂家和轮胎生产企业研究和分析的重点。

八亿橡胶有限责任公司姜敬如杨丽张鹏飞山东省枣庄市 277000

摘要：汽车对地面的作用是通过轮胎实现的，轮胎的力学特性直接影响车辆的操纵性、平顺性和安全性等性能。汽车的操纵稳定性很大程度上取决于轮胎的侧偏特性，其已成为各汽车厂家和轮胎生产企业研究和分析的重点。在汽车行驶过程中，由于路面的侧向倾斜、转弯时的离心力等因素，使车轮的运动方向偏离其中心，此时车轮的旋转平面与行驶方向的夹角称为侧偏角。传统的试验方法是研究轮胎侧偏特性的重要手段，黄舸舸等通过常规试验研究了带束层结构对轮胎侧偏特性的影响。近年来，随着计算机技术的飞速发展和有限元商用分析软件的不断完善，有限元仿真分析方法开始应用于轮胎侧偏特性的研究。
关键词：全钢载重子午线轮胎；侧偏特性；侧向力；回正力矩；有限元分析
        引言
        轮胎是汽车的重要组成部件，是橡胶工业重要的产品。轮胎的主要功能是支承负荷，向地面传递制动力、驱动力和转向力，以及缓冲减振，车辆实现各种运动的外力大部分都是由轮胎与路面的相互作用产生的。轮胎对汽车性能具有十分重要的影响，车辆的许多重要性能都与轮胎的力学特性有关，如车辆的操纵稳定性、行驶与制动的安全性、车辆动力性与通过性等，而且还影响着汽车的环保性能和运输效率，这些性能的改善都依赖于对轮胎力学特性的研究。因此轮胎力学特性的研究是车辆动力学分析和研究的基础.
        1全钢载重子午线轮胎的结构
        橡胶材料属超弹性材料，具有近似体积不可压缩性和非线性本构关系，它的力学行为对温度、环境、应变历史、加载的速率都非常敏感，这样使得描述橡胶的行为变得更为复杂。为了描述橡胶材料包括压缩及剪切在内的力学行为，需要对橡胶材料进行包括拉伸、压缩、剪切及体积实验等在内的基础实验。子午线轮胎中的带束层、胎体等是轮胎的主要承载部件，它们是帘线一橡胶复合材料，由于帘线结构复杂，其拉伸和压缩模量不等，并且不同部位帘线方向不同，加上基体材料为非线性，使得帘线一橡胶复合材料呈现复杂的各向异性和非线性。例如钢丝帘线与橡胶的刚性比约为104，它与橡胶内掺入纤维的复合材料FRR(FiberReinforcedRubber)等的刚性相比也明显的大。而且，橡胶内掺入纤维是朝着特定方向的。故当轮胎变形时帘线的配置发生变化，亦即纤维的方向根据缩放仪效应发生变化，从而改变了复合构件的性质。
        2全钢载重子午线轮胎侧偏特性有限元分析
        2.1单一垂直负荷对侧偏特性的影响
        当充气压力为930kPa、标准负荷为34790N时，在侧偏角为－10°～10°范围内，正的侧偏角产生负的侧向力，负的侧偏角产生正的侧向力，侧向力随侧偏角的变化呈现出一个负的斜率形式，但随着侧偏角的增大，侧向力的绝对值呈逐渐增大趋势。当侧偏角为0°时，侧向力并不为零，这主要是由于带束层的角度设计及侧偏侧倾的叠加影响等所致。
        2.2轮胎的自由滚动及自由滚动半径
        轮胎自由滚动是轮胎在一定载荷下行驶时，侧偏角、侧倾角、纵向力均为零时的滚动状态。此时的滚动半径即为轮胎的自由滚动半径，可由。有限元模拟方法:计算轮胎的自由滚动半径是通过给定轮胎一定载荷，一定前进速度，设定轮胎侧偏角、侧倾角为零，先用前进速度除以估算的滚动半径来估算一个自由滚动角速度范围，再计算轮胎角速度在这个范围变化时轮胎的纵向力变化过程，当纵向力方向变换时其滚动角速度即为此载荷、前进速度对应的自由滚动角速度。

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如本文所用的11.00R20轮胎，其胎压为930Kpa，其自由半径约为0.5415m，静负荷半径为0.507m，我们可以估算轮胎的自由滚动半径为0._53m，前进速度为1km/h，即0.2778m/s，对应角速度为0._52411rad/s，因此我们把轮胎的角速度范围定为0.51-0.53rad/s，再通过计算找到纵向力为零时的角速度，即自由滚动角速度。求出自由滚动角速度，即可用轮胎前进速度除以自由角速度来得到轮胎的自由滚动半径。轮胎的自由滚动半径是由轮胎本身特性及胎压、载荷等使用工况共同决定的。试验方法:在一定载荷下，侧偏角、侧倾角调为零，不在轮胎上加任何力矩时，轮胎在试验台上滚动时的滚动半径，我们成为自由滚动半径。
        2.3轮胎的侧向刚度
        侧向刚度是指受有一定垂直载荷作用的轮胎在平坦的路面上侧向移动，其侧向力与轮胎接地中心的侧向移动量的比值。轮胎的侧向刚度不仅受气压、垂直载荷的影响，还受轮胎扁平率及层级的影响。模拟方法:轮胎固定不动，通过将路面沿侧向移动一定距离，来获得轮胎在不同侧向位移下所对应的侧向力值。
        2.4轮胎三维建模
        采用有限元分析软件TYABAS对275/70R22.5RT606全钢载重子午线轮胎的结构设计图进行网格划分。橡胶材料的不可压缩性用Lagrange乘子法解决，而以物理非线性Mooney-Rivilin模型来模拟应变能密度（W）公式描述为W＝C10（I1－3）＋C01（I2－3）＋C11（I1－3）（I2－3）式中，I1和I2分别为第一和第二不变量；C10，C01和C11为单轴拉伸或压缩、平面拉伸和等轴拉伸等试验测得的数据拟合而成的材料常数。胎体帘布层和带束层均为正交各向异性材料，用rebar嵌入式单元处理，橡胶材料用各向同性不可压缩单元表示，钢丝圈用各向同性线弹性材料单元描述。在二维模型的基础上，通过旋转生成三维轮胎模型，共有106个断面，接地区域附近断面密度大，然后逐渐增大划分区域。轮胎三维模型中的橡胶材料采用各向同性的不可压缩C3D8H单元表示，选用超弹性模型Mooney-Rivilin描述材料的应力-应变行为。275/70R22.5RT606全钢载重子午线轮胎的充气压力为930kPa，标准负荷为34790N，轮胎与轮辋之间的摩擦因数为0.5，滑移率为0.01。计算条件如下：轮胎需要在稳态滚动的条件下转弯，稳态滚动速度　50km·h-1，转弯角度　－10°～10°。
        结语
        本文以275/70R22.5RT606全钢载重子午线轮胎为研究对象，运用有限元分析软件TYABAS和Abaqus建立了有限元分析模型，对轮胎稳态侧偏特性进行模拟仿真，研究其在不同负荷下的规律性。（1）随着负荷的增大，接地压力的最大值由中心区域逐渐向轮胎边缘转移。（2）在单一垂直负荷下，随着侧偏角的增大，侧向力绝对值逐渐增大；在侧偏角从0°到－5°范围内变化时，回正力矩为负值并逐渐减小，而在侧偏角从－5°到－10°范围内变化时逐渐增大；但在侧偏角为0°～10°范围内，回正力矩的变化情况刚好相反；在侧偏角为－5°和5°时回正力矩分别达到极小值和极大值，随后逐渐趋于平缓。（3）在不同负荷下，轮胎的稳态滚动半径随着负荷的增大而逐渐减小。侧向力随着负荷的变化表现出一定的规律性。在同一侧偏角下，随着负荷的增大，侧向力的绝对值逐渐增大。随着负荷逐渐增大，在侧偏角为－10°～10°范围内，回正力矩的曲线变化趋势几乎相同，在侧偏角为－5°和5°时回正力矩分别达到极小值和极大值。
参考文献
[1]黄舸舸，蒋中凯，危银涛，等.带束层结构对载重子午线轮胎侧偏特性的影响[J].轮胎工业，2011，31（7）：394-398.
[2]区志明，王友善，汪俊.冠带层模量对轿车子午线轮胎接地性能和侧向刚度的影响[J].轮胎工业，2010，30（8）：459-462.
[3]GentAN，WalterJD.轮胎理论与技术[M].危银涛，李勇，冯希金，等，译.北京：清华大学出版社，2013：208-210.