免充氣輪胎與子午線輪胎的有限元分析對比

黃京城，王 偉，2*

（1.青島科技大學(xué) 橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266042；2.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024）

輪胎是汽車的關(guān)鍵部件，支撐整車質(zhì)量，傳遞驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)力矩，提供緩沖性能，保證轉(zhuǎn)向穩(wěn)定。汽車因輪胎漏氣爆胎通常會引發(fā)嚴(yán)重交通事故，特別是在高速公路上，爆胎的影響更大。新型免充氣輪胎結(jié)構(gòu)特殊，不需要充氣，從根本上解決了充氣輪胎的爆胎隱患。目前，美國固鉑公司研發(fā)的仿生蜂巢結(jié)構(gòu)免充氣輪胎已用于特種車輛[1]。另外，法國米其林公司已生產(chǎn)Tweel車輪和免充氣輪胎[2-3]；日本普利司通公司研制出螺旋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的免充氣安全輪胎[4]；韓國韓泰公司研發(fā)出綠色環(huán)保i-Flex免充氣輪胎[5]。免充氣安全輪胎已經(jīng)成為一種新的發(fā)展趨勢。在免充氣輪胎方面，我國也取得了一些研究成果。沈陽三橡輪胎有限責(zé)任公司研發(fā)的和平牌安全輪胎已應(yīng)用于紅旗轎車、運(yùn)鈔車等特殊車輛[6]。李莉等[7]研究了一種輻條板式輪胎，并且進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。岳紅旭等[8]對一種新型安全輪胎進(jìn)行了非線性有限元分析。

本研究采用Abaqus軟件建立免充氣輪胎的有限元模型，進(jìn)行靜態(tài)接地和側(cè)傾工況的模擬分析，并與同規(guī)格的11.00R20載重子午線輪胎做性能對比，以期為開發(fā)和應(yīng)用免充氣輪胎提供參考。

1 新型免充氣輪胎的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

新型免充氣輪胎采用高分子材料結(jié)構(gòu)支撐體替代傳統(tǒng)輪胎的充氣胎體結(jié)構(gòu)，輪胎與路面接觸時(shí)胎面上的受力由結(jié)構(gòu)支撐體分擔(dān)，輪胎滾動(dòng)時(shí)支撐體可將壓力進(jìn)行傳遞，達(dá)到與傳統(tǒng)充氣輪胎相同的減震緩沖效果。

本研究免充氣安全輪胎[9]主要由胎面、支撐結(jié)構(gòu)胎體和輪輞組成，輪胎外直徑和胎面寬度參照11.00R20載重子午線輪胎取值，如圖1所示。

圖1 免充氣安全輪胎結(jié)構(gòu)

輪胎胎面由花紋和基部膠組成，基部膠起連接花紋和支撐體的作用，花紋磨平后，可在基部膠上貼合新的花紋塊進(jìn)行翻新，提高輪胎的循環(huán)利用率。

支撐體內(nèi)外周向分布兩排組合通孔，每排均勻排列10組組合通孔，外面一排通孔由上下反向互扣的梯形結(jié)構(gòu)構(gòu)成，交叉形成X形的支撐結(jié)構(gòu)；內(nèi)排通孔均呈梯形結(jié)構(gòu)。較粗的中間支柱可以保證非充氣輪胎具有足夠的承載能力，避免過大的壓縮變形。細(xì)X形支撐臂賦予輪胎一定的彈性，緩沖來自路面的沖擊和震動(dòng)，保證乘坐舒適性。通孔可提高輪胎的散熱率，降低輪胎的行駛溫度。支撐體材料選用模量為24 MPa的熱塑性聚氨酯彈性體，既具有橡膠的彈性，又具有塑料的強(qiáng)度。

支撐體內(nèi)部連接輪輞的部位有30 mm厚的實(shí)體環(huán)，環(huán)上兩側(cè)交替排列10個(gè)凹槽，凹槽內(nèi)側(cè)大、外側(cè)小，與對應(yīng)的輪輞鎖緊在一起，防止輪胎在行駛過程中脫落和在輪輞上產(chǎn)生周向滑動(dòng)。

2 免充氣輪胎模型的建立

根據(jù)前述免充氣輪胎結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)用Abaqus軟件建立相應(yīng)的幾何模型，進(jìn)行模擬計(jì)算的前處理，主要包括定義材料屬性、劃分網(wǎng)格、選擇單元類型以及確定負(fù)荷邊界條件等。

2.1 材料模型

本研究建立的免充氣輪胎模型主要包括胎面、支撐結(jié)構(gòu)胎體、與胎體接觸的輪輞以及地面，將地面和輪輞假設(shè)為剛性體，胎體選擇聚氨酯彈性體，模量為24 MPa。

胎面的主要材料是橡膠，具有體積不可壓縮性本構(gòu)關(guān)系。橡膠材料的本構(gòu)關(guān)系是復(fù)雜的非線性函數(shù)，采用Yeoh模型[10]描述。

2.2 單元模型

對免充氣輪胎模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，運(yùn)用Sweep網(wǎng)格劃分技術(shù)中的進(jìn)階算法和映射網(wǎng)格，提高網(wǎng)格質(zhì)量，將胎體和胎面的幾何模型劃分為六面體單元C3D8H。

2.3 邊界條件

輪胎接地分析主要涉及輪胎與輪輞、胎面與地面兩種接觸問題。求解接觸問題通常采用Lagrange乘子法、罰函數(shù)法及基于求解器的直接約束法等。本模型對胎面與地面接觸問題采用罰函數(shù)法求解，對輪輞與胎體、胎體與胎面接觸采用Tie約束法，使輪輞與支撐結(jié)構(gòu)胎體、胎體與胎面結(jié)合為一個(gè)整體。在輪胎與地面的接觸模擬中，設(shè)定兩者之間的摩擦因數(shù)為0.5。

3 結(jié)果與討論

為評價(jià)本免充氣安全輪胎的性能，將標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷下的模擬結(jié)果與相同規(guī)格11.00R20載重子午線輪胎的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

3.1 靜態(tài)接地工況下的輪胎性能

免充氣輪胎滾動(dòng)過程中不同位置的垂直變形如圖2所示。兩個(gè)位置的結(jié)構(gòu)有所不同，位置1是柱形結(jié)構(gòu)起主要支撐作用，位置2是X形結(jié)構(gòu)起主要支撐作用，但下沉量基本相同，垂直變形一致，可以保證輪胎行駛的平穩(wěn)性。

圖2 免充氣輪胎垂直變形

標(biāo)準(zhǔn)工況下免充氣輪胎模擬與子午線輪胎實(shí)測結(jié)果對比如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)工況下免充氣輪胎模擬與子午線輪胎實(shí)測結(jié)果對比

由表1可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷下，兩者的下沉量接近，但免充氣輪胎的接地面積比子午線輪胎減小7.3%，平均接地壓力增大8.6%，最大接地壓力減小11.6%，平均壓力增大使胎面磨損加劇，但最大壓力減小使接地區(qū)域壓力分布較子午線輪胎更均勻，可以減輕不均勻磨耗。

輪胎靜剛度是指輪胎靜負(fù)荷時(shí)負(fù)荷增量與下沉量增量之比。輪胎的徑向剛度對車輛行駛的平順性有很大影響，具有合適的徑向剛度才能保證駕駛舒適性。免充氣輪胎與同規(guī)格充氣子午線輪胎的靜剛度曲線如3所示。從圖3可以看出，兩種輪胎的靜剛度曲線的吻合程度非常高，靜剛度曲線的斜率代表輪胎負(fù)荷下的徑向剛度，反映輪胎的承載能力和緩沖性能。

圖3 兩種輪胎靜剛度曲線對比

上述對比分析表明，本研究免充氣輪胎在標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷下，可以達(dá)到同規(guī)格充氣子午線輪胎在剛度和負(fù)荷能力及緩沖性能方面的要求。

3.2 側(cè)傾角對輪胎接地性能的影響

前輪在汽車上安裝時(shí)具有一定的側(cè)傾角，以獲得較好的方向穩(wěn)定性，改進(jìn)制動(dòng)性能，提高轉(zhuǎn)向靈活性。同時(shí)，道路設(shè)計(jì)在橫向方向預(yù)留一定傾角以便于排水。輪胎與路面接觸勢必存在一定傾角，造成不均勻接觸和磨損。因此，研究一定側(cè)傾角下輪胎的性能顯得十分重要。本研究對免充氣輪胎在側(cè)傾角（θ）分別為3°，6°，9°和12°工況下的性能特點(diǎn)進(jìn)行分析。圖4所示為側(cè)傾工況下的免充氣輪胎有限元模型。

圖4 側(cè)傾工況下免充氣輪胎有限元模型

側(cè)傾工況下，側(cè)傾角對免充氣輪胎和子午線輪胎接地面積和最大接地壓力的影響如圖5和6所示。圖中子午線輪胎的計(jì)算值來自文獻(xiàn)[11]。

圖5 側(cè)傾角對接地面積的影響

從圖5可以看出，負(fù)荷相同時(shí)，側(cè)傾工況下兩者的接地面積變化趨勢相同，均隨側(cè)傾角的增大而減小，但是兩者最大接地壓力值和變化趨勢不同（見圖6），免充氣輪胎最大接地壓力值較小，且隨側(cè)傾角增大而增大，而子午線輪胎基本保持不變，表明子午線輪胎的胎體將承受更大負(fù)荷，長期處于側(cè)傾工況下，會增大輪胎的不均勻磨耗，加劇胎體結(jié)構(gòu)損耗，導(dǎo)致性能下降。

圖6 側(cè)傾角對最大接地壓力的影響

不同側(cè)傾角下免充氣輪胎與子午線輪胎的靜剛度曲線比較如圖7所示。從圖7可以看出，隨著側(cè)傾角的增大，免充氣輪胎的徑向剛度降低。側(cè)傾角為3°時(shí)，負(fù)荷較小，靜剛度曲線差異較大，隨著負(fù)荷增大，剛度逐漸接近。免充氣輪胎側(cè)傾接地處胎側(cè)剛性較大，而子午線輪胎的胎側(cè)柔軟，導(dǎo)致相同負(fù)荷下子午線輪胎的下沉量增大，但側(cè)傾角進(jìn)一步增大，兩者的靜剛度曲線吻合較好。

圖7 不同側(cè)傾角下輪胎的靜剛度曲線

4 結(jié)論

通過建立免充氣輪胎的有限元模型，對其進(jìn)行靜態(tài)接地和側(cè)傾工況的模擬分析，并與同規(guī)格的11.00R20載重子午線輪胎進(jìn)行性能對比，得出如下結(jié)論。

（1）標(biāo)準(zhǔn)靜負(fù)荷工況下，免充氣輪胎與同規(guī)格充氣子午線輪胎的下沉量接近，靜剛度曲線基本吻合。相對于子午線輪胎，免充氣輪胎最大接地壓力有所降低，可減輕不均勻磨耗。

（2）側(cè)傾工況下，隨著側(cè)傾角的增大，免充氣輪胎的接地面積減小，徑向剛度降低，與子午線輪胎側(cè)傾下的靜剛度曲線吻合較好。

綜上所述，該免充氣輪胎可以達(dá)到同規(guī)格子午線輪胎的負(fù)荷能力和徑向剛度及減震的性能要求，同時(shí)從根本上解決了充氣輪胎易爆胎、不抗刺扎等問題。