淺析輪胎胎面磨耗行為的研究方法

摘 要：汽車輪胎作為整車與路面相接觸的重要部件，不僅直接影響汽車的使用性能（動力性、操縱穩(wěn)定性和平順性等），而且嚴重影響汽車行駛的安全性能和使用成本。各輪胎企業(yè)為增加自身的競爭力，都不斷加大研發(fā)投入，力爭在激烈的市場之中獲取一席之地。但相比于國外一些技術(shù)先進的輪胎公司而言，我國輪胎企業(yè)數(shù)量多、規(guī)模小、研發(fā)投入不夠的狀態(tài)依然比較嚴重。本文通過分析我國汽車輪胎現(xiàn)狀，對輪胎的磨耗研究方法以及發(fā)展趨勢進行探討。

關(guān)鍵詞：輪胎;現(xiàn)狀;磨耗

1 目前的國內(nèi)外研究水平和發(fā)展趨勢

十九世紀(jì)七十年代，英國科學(xué)家瑞利采用試函數(shù)的方式求解復(fù)雜微分方程，二十世紀(jì)初，里茨在此基礎(chǔ)上提出完善的數(shù)值近似法，這種方法也成為現(xiàn)代有限元方法的基礎(chǔ)。

二十世紀(jì)七十年代以來，有限元技術(shù)在輪胎工業(yè)方面得到應(yīng)用，但由于輪胎自身結(jié)構(gòu)和胎面花紋的復(fù)雜性，使得有限元技術(shù)在分析輪胎力學(xué)性能方面的準(zhǔn)確性受到很大的限制。

近年來，輪胎有限元模型已成為研究輪胎一切力學(xué)性能的重要基礎(chǔ)，建模技術(shù)也從最初的簡化輪胎模型發(fā)展為可以反映輪胎實際花紋結(jié)構(gòu)的模型，應(yīng)用的分析領(lǐng)域也更為廣泛，比如特性、疲勞分析、噪聲分析、制動性能和滑水現(xiàn)象分析等。

2002 年通過優(yōu)化胎側(cè)結(jié)構(gòu)使胎側(cè)所受張力分布更加均勻，帶束層應(yīng)變能密度也有所降低，提高汽車的操縱性能和輪胎的耐久性，而且通過數(shù)值試驗證實系統(tǒng)化的多目標(biāo)優(yōu)化方案不僅可以優(yōu)化胎側(cè)輪廓，而且可以使有限元計算快速、穩(wěn)定地收斂。

2005 年模擬輪胎碰撞凸起的瞬態(tài)響應(yīng)，并與試驗對比，驗證所建模型和分析方法的準(zhǔn)確性，然后分析輪胎滾動速度和充氣壓力等參數(shù)輪胎瞬態(tài)響應(yīng)的影響。

2006 年通過數(shù)值分析方法分析 ABS 系統(tǒng)作用下三維花紋輪胎模型制動過程中的輪胎摩擦能量損失以及剎車片摩擦熱量的分布情況，并計算輪胎在干燥路面上的制動距離;同年，分析花紋輪胎在潮濕路面上的滑水特性，采用通用接觸方式仿真復(fù)雜花紋與水流的接觸過程，并通過數(shù)值分析的方法計算輪胎滑水過程中胎面接觸壓力和水流壓力。

2007 年根據(jù)三維花紋輪胎的瞬態(tài)滾動分析模型對輪胎駐波特性進行數(shù)值化分析，通過對比仿真結(jié)果與試驗測得的駐波時的臨界速度值來判斷仿真過程的可靠性，證實充氣壓力和載荷等參數(shù)對駐波時的臨界速度值有重要的影響。

國內(nèi)外對于輪胎耐久、耐磨耗性的測試普遍采用室外實車試驗的方式。我國國標(biāo)GB/T29041-2012對汽車輪胎的道路磨耗性能試驗進行規(guī)定：要求輪胎先進行1300km的磨合，之后進行耐磨損性測試，汽車每行駛5200km，測量一次胎面花紋療耗深度;對于試驗車速也進行規(guī)定，80%的試驗過程以90-110km/h的速度進行，其余20%隨機在100-110km/h的速度范圍內(nèi)進行;需遵守實車輪胎使用標(biāo)準(zhǔn)（GB/T29041-2012）按行駛里程進行輪胎換位。美國交通部（DOT）針對輪胎耐磨性、牽引和耐高溫性制定UTQC標(biāo)準(zhǔn)，其測試磨合距離800英里（約為1300km），之后每行駛800英里測量一次磨耗深度。該標(biāo)準(zhǔn)對于輪胎的耐磨性進行統(tǒng)一的定義，規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)輪胎的磨耗指數(shù)為100，對應(yīng)的磨耗距離為30000英里（約48279km），測試的輪胎磨耗指數(shù)越大，則耐磨性越好。

2 研究內(nèi)容及方案

在傳統(tǒng)設(shè)計過程中，輪胎耐磨性能的分析評價大多通過試驗進行，即測試擁有不同材料配方和設(shè)計結(jié)構(gòu)輪胎的耐磨性。這個過程往往需要經(jīng)歷從設(shè)計到樣品再到試驗檢驗的多個循環(huán)過程，無法在輪胎設(shè)計初期進行磨損特性的預(yù)測，因此只能通過試驗結(jié)果來修改設(shè)計方案。這種方式不僅要依賴于設(shè)計工程師的經(jīng)驗，而且開發(fā)周期長，開發(fā)成本高，無法滿足當(dāng)下激烈的市場競爭要求。隨著摩擦學(xué)領(lǐng)域內(nèi)橡膠摩擦磨損機理的不斷被揭示，以及計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，借助計算機仿真技術(shù)可以將輪胎的設(shè)計水平和設(shè)計效率大幅提升。

近年來，有限元技術(shù)得到極大的進步與發(fā)展，逐漸應(yīng)用于機械設(shè)計的眾多領(lǐng)域，而且也成為研究分析子午線輪胎結(jié)構(gòu)特性的重要手段，例如通過有限元方法（FEA）研究輪胎的力學(xué)性能、材料參數(shù)特性以及性能對比分析等?；谟邢拊椒ㄟM行輪胎的動力學(xué)分析，結(jié)合磨損基本原理和車輪實際行駛工況，探究胎面橡膠磨損計算的新策略，將胎面磨損狀況通過有限元模型表示出來，實現(xiàn)在設(shè)計初期對輪胎磨耗性能進行評價并采取相應(yīng)的設(shè)計優(yōu)化工作，縮短開發(fā)周期，提高效率。

3 研究方法的創(chuàng)新之處

以 205/55R16 型號的三款輪胎為研究對象，采用有限元分析和幾何更新相結(jié)合的方法，研究三種胎面結(jié)構(gòu)輪胎自由滾動 20000 km 后胎面的磨耗情況。采用幾何更新法對三種輪胎進行磨耗行為的仿真分析，與不采用網(wǎng)格移動的仿真結(jié)果比較，得到較為合理的結(jié)果。輪胎在滾動過程中，存在一個自由滾動的狀態(tài)，此時地面對輪胎作用的縱向力為零。而當(dāng)輪胎的旋轉(zhuǎn)角速度大于或小于自由滾動角速度的時候，會受到驅(qū)動或制動力矩和地面給輪胎的驅(qū)動或制動力兄的作用，使車輪處于驅(qū)動或制動狀態(tài)。根據(jù)在驅(qū)動或制動過程中滑動運動所占的比例，滑移率A：的定義為公式：

當(dāng)k=0時輪胎自由滾動，k>0時為驅(qū)動，k<0時為制動A為胎面滑動速度，v為車輪平動速度，w為車輪旋轉(zhuǎn)角速度，為輪胎的有效滾動半徑。

根據(jù)不同胎面結(jié)構(gòu)的特點，劃分輪胎有限元網(wǎng)格，確定和定義輪胎各部分橡膠、簾線和鋼絲的材料模型和材料參數(shù)。然后，進行輪胎徑向剛度的仿真分析，并與試驗對標(biāo)驗證輪胎有限元模型的準(zhǔn)確性。

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作者簡介：王悅?cè)蹋?992-），男，山東嘉祥人，本科，研究方向：汽車輪胎磨損行為。