齊曉杰 于建國(guó)

（東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院1） 哈爾濱 150040） （黑龍江工程學(xué)院汽車(chē)與交通工程學(xué)院2） 哈爾濱 150050）

隨著我國(guó)公路里程的快速延長(zhǎng)，長(zhǎng)距離、高速載重車(chē)輛運(yùn)輸里程逐年提高，為降低運(yùn)輸成本，節(jié)約橡膠資源和節(jié)能環(huán)保，翻新輪胎已經(jīng)被普遍應(yīng)用.但由于對(duì)翻新輪胎翻新工藝和使用方面還缺乏深入的研究，導(dǎo)致翻新輪胎在使用中經(jīng)常出現(xiàn)早期磨損、老化及撕裂等失效現(xiàn)象頻繁發(fā)生，因此，進(jìn)行翻新輪胎力學(xué)特性方面的研究具有重要意義.翻新輪胎貼合胎面是使用膠煉機(jī)出片后進(jìn)行熱翻或冷翻，不僅二次粘附后與胎體的結(jié)合性能與新輪胎相比存在一定的差異，而且粘附胎面的接地力學(xué)性能也會(huì)發(fā)生變化［1－3］.

1 翻新輪胎接地力學(xué)描述

翻新輪胎的接地面積、接地壓力在仿真分析及試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上可采用如下公式進(jìn)行計(jì)算，翻新輪胎與同型號(hào)同品牌的新輪胎相比，翻新輪胎的接地面積較新輪胎的要小，平均接地壓力較新輪胎的要大.

1）接地長(zhǎng)度、寬度和面積公式［4］

接地面積

式中：D為輪胎直徑；δ為輪胎直徑；B0為胎面寬度；s，t為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；λ為系數(shù)，當(dāng)b＜0.95B0時(shí)，λ＝0；當(dāng)b≥0.95B0時(shí)，λ＝1.

2）接地壓力公式 各國(guó)學(xué)者在進(jìn)行輪胎的力學(xué)特性分析時(shí)，采用梯形和拋物線形等不同的表達(dá)形式來(lái)模擬輪胎的垂直壓力分布.本研究借鑒日本學(xué)者Sakai提出的接地壓力方程：

翻新子午線輪胎n＝4

3）平均接地壓力公式 輪胎載荷除以接地面積即得平均接地壓力，并用下式表示

式中：pg為接地平均壓力，Pa；W 為輪胎載荷，N；A為接地面積，m2.

2 接地力學(xué)特性有限元仿真

1）建模及定義單元類(lèi)型 11R22.5翻新輪胎胎面層、緩沖層、胎體層3部分層合結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料［5］幾何模型如圖1所示，利用ANSYS層單元對(duì)輪胎進(jìn)行模擬，采用的單元類(lèi)型為Solid46，接觸問(wèn)題中采用CONTACT173接觸單元和TARGET170接觸單元用來(lái)模擬輪胎與剛性地面的接觸，路面采用的單元類(lèi)型為Plane42.

圖1 層合結(jié)構(gòu)幾何模型

2）定義材料屬性及創(chuàng)建有限元模型 將翻新輪胎胎面層、緩沖層視為各項(xiàng)同性材料，其彈性模量由實(shí)驗(yàn)測(cè)得.翻新輪胎胎體視為正交各向異性材料，根據(jù)各向異性的彈性體力學(xué)本構(gòu)方程，胎體為橫向同性鋼絲簾線／橡膠復(fù)合材料，其材料整體特性參數(shù)測(cè)定較為困難［6－7］.為此，本文以復(fù)合材料力學(xué)中典型的0°排列復(fù)合平板模型為基礎(chǔ)，結(jié)合鋼絲簾線／橡膠復(fù)合材料的力學(xué)特點(diǎn)，部分參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，胎體材料整體特性參數(shù)采用Gough－Tangorra公式［8］計(jì)算得出.瀝青路面彈性模量［9－10］為EX＝1.6×109Pa，泊松比為 PRXY＝0.25.建立的有限元模型如圖2所示，有限元模型中共有個(gè)170 071單元，69 366個(gè)節(jié)點(diǎn).

圖2 有限元模型

3）施加邊界條件及約束 將輪胎與輪輞的接觸面進(jìn)行ALL DOF全約束，輪胎與地面接觸面建立接觸對(duì)，定義輪胎為變形體，地面為剛體，接觸摩擦系數(shù)設(shè)定為0.7，接觸模型如圖3所示.

4）施加載荷并求解 在翻新輪胎有限元模型的內(nèi)表面分別施加830 k Pa（標(biāo)準(zhǔn)充氣壓）、730，630，530 k Pa的壓力，并在輪胎的垂直平面內(nèi)施予與無(wú)負(fù)荷輪胎接觸的地面相對(duì)于輪胎一定位移，即為輪胎的固定下沉量.采用大變形非線性進(jìn)行求解，收斂準(zhǔn)則和加強(qiáng)收斂的措施采用以作用力F為主，位移U為輔的收斂判據(jù)，迭代運(yùn)算次數(shù)為70次.

圖3 接觸對(duì)的建立

3 有限元仿真結(jié)果分析

1）接地中心區(qū)域壓力分析 圖4所示為翻新輪胎的接地應(yīng)力云圖，分析可知，接地中心區(qū)域的壓力值為138 478 Pa，接地中心周?chē)膲毫χ禐?48 360，625 316 Pa，說(shuō)明在接地中心區(qū)域的壓力值最小，而接地中心周?chē)剌喬L動(dòng)及寬度方向壓力值均增大.圖5為不同工況下接地中心區(qū)域壓力值曲線，分析可知，垂直載荷較低時(shí)，接地中心的壓力值較大，隨著載荷的增加，接地中心的壓力值減小，變化規(guī)律近似線性，而且接地中心區(qū)域的壓力值和充氣壓力有關(guān)，載荷一定時(shí)，充氣壓力越高，接地中心區(qū)域壓力值越大.

圖4 接地中心區(qū)域壓力分布

2）接地壓力分布狀況分析.在圖6所示的接地曲線上選取8個(gè)節(jié)點(diǎn)，即位于胎肩部位的節(jié)點(diǎn)27 203，28 389，2 839，28 393，28 394，27 198和位于接地中心部位的節(jié)點(diǎn)28 391，28 392，并取得各節(jié)點(diǎn)在不同工況下的壓力值.本文列舉了充氣壓力830 k Pa（標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力）、3 000 kg（標(biāo)準(zhǔn)載荷）2種工況的接地壓力分布曲線見(jiàn)圖7～8.從圖中可以看出，翻新輪胎的接地壓力分布曲線近似拋物線形狀，胎肩部位壓力較大，接地中心區(qū)域壓力較小.充氣壓力一定時(shí)，隨著載荷的增大，最大接地壓力點(diǎn)移向胎肩兩側(cè)，載荷越大，胎肩部位的壓力值越大，而接地中心區(qū)域的壓力值變化不明顯，說(shuō)明載荷變化對(duì)輪胎胎肩區(qū)域的壓力值影響較大，對(duì)輪胎中心區(qū)域的接地壓力值影響較小.載荷一定時(shí)，隨著充氣壓力的增大，胎肩部位和接地中心區(qū)域的壓力值均減小，說(shuō)明充氣壓力變化對(duì)輪胎胎肩區(qū)域和接地中心區(qū)域的壓力值均有較大影響.由此，可以說(shuō)明翻新輪胎胎面撕裂失效的部位常出現(xiàn)在胎肩部位.

圖5 不同工況下接地中心區(qū)域壓力值

圖6 接地曲線選取

圖7 充氣壓力830 k Pa不同載荷下接地壓力分布

3）接地面積分析.不同工況下的接地面積曲線如圖9所示.從圖中可看出，充氣壓力一定時(shí)，隨著輪胎載荷的增大，接地面積增大，增大趨勢(shì)近似線性規(guī)律；載荷一定，隨著充氣壓力的減小，接地面積增大.此仿真結(jié)果與輪胎實(shí)際工況吻合.

圖8 載荷3 000 kg不同充氣壓力下接地壓力分布

圖9 不同工況下接地面積曲線

4 翻新輪胎接地力學(xué)特性試驗(yàn)研究

1）試驗(yàn)方法 翻新輪胎接地力學(xué)特性試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖如圖10所示.試驗(yàn)中，加載力F2與輪胎支反力F1（載荷）存在以下關(guān)系：F2×a＝F1×b（其中b＝2a），即F2＝2F1.不同載荷、充氣壓力下的接地壓力值由壓力傳感器6測(cè)定.接地面積由測(cè)力板上留下的壓痕面積來(lái)進(jìn)行標(biāo)定.

圖10 接地力學(xué)特性試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

2）試驗(yàn)結(jié)果及分析 圖11，12為接地壓力和接地面積實(shí)測(cè)曲線圖，從圖中可以看出，接地壓力曲線近似拋物線形狀，接地面積曲線近似線性規(guī)律，實(shí)測(cè)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算、有限元模型仿真結(jié)果有較好的一致性.圖13為翻新輪胎與同品牌同型號(hào)的新輪胎充氣壓力為830 k Pa時(shí)接地面積對(duì)比曲線，分析可知，相同載荷情況下，翻新輪胎的接地面積較新輪胎小，主要原因是翻新輪胎由于存在一定程度的老化，其彈性性能發(fā)生變化，導(dǎo)致翻新輪胎的徑向變形比新輪胎小，根據(jù)構(gòu)建的接地力學(xué)特性數(shù)學(xué)模型可知，翻新輪胎的接地長(zhǎng)度變小，從而使其接地面積較新輪胎要小.

圖11 接地壓力實(shí)測(cè)曲線

圖12 接地面積實(shí)測(cè)曲線

圖13 接地面積對(duì)比曲線

圖14 a），b），c）表示充氣壓力為830 k Pa時(shí)不同載荷下11.00R22.5型翻新輪胎的接地印痕.從圖中可以看出，充氣壓力一定，隨著輪胎載荷的增加，接地長(zhǎng)度、寬度和面積都有不同程度的增加.在試驗(yàn)所用充氣壓力及側(cè)向力、外傾角均為零的條件下，翻新輪胎印跡面積隨垂直載荷的增加而增大，載荷小時(shí)輪胎在接地中心附近區(qū)域與地面接觸，印跡近似圓形（如圖14a））.當(dāng)垂直載荷增加到某一定值時(shí)，輪胎將在整個(gè)寬度上與地面接觸（如圖14b））印跡近似為橢圓形，垂直載荷再繼續(xù)增加，輪胎印跡寬度不變，印跡長(zhǎng)度增加，印跡面積增大，印跡近似矩形（如圖14c））.這與輪胎的接地形狀大多介于矩形和橢圓形之間的結(jié)論相吻合.從圖14所示中還可以看出，翻新輪胎胎面上一點(diǎn)的接地壓力分布與輪胎的充氣壓力、輪胎所受載荷、行駛工況和該點(diǎn)在胎面上的位置有關(guān).載荷變化對(duì)輪胎胎面中心區(qū)域的接地壓力值影響較小，印痕較淺，對(duì)胎肩區(qū)域的接地壓力值影響較大，印痕較深，這與經(jīng)驗(yàn)計(jì)算及仿真分析結(jié)果相一致.

5 結(jié) 論

圖14 充氣壓力為830 k Pa時(shí)不同載荷下的印跡

1）翻新子午線輪胎在接地區(qū)域中心部位的壓力值最小，向胎肩兩側(cè)部位逐漸增大.

2）充氣壓力一定，翻新輪胎隨著載荷的增大，胎肩部位的壓力值越大，而接地中心區(qū)域的壓力值變化較緩慢，說(shuō)明載荷變化對(duì)翻新輪胎胎肩區(qū)域的壓力值影響較大，對(duì)翻新輪胎中心區(qū)域的接地壓力值影響較小.載荷一定時(shí)，隨著充氣壓力的增大，胎肩部位和接地中心區(qū)域的壓力值均減小，說(shuō)明充氣壓力載荷變化對(duì)翻新輪胎胎肩區(qū)域和接地中心區(qū)域的壓力值均有較大影響.

3）充氣壓力一定，翻新輪胎隨著輪胎載荷的增大，接地面積增大，增大趨勢(shì)近似線性規(guī)律；載荷一定，隨著充氣壓力的減小，接地面積增大.仿真分析與實(shí)測(cè)表明，翻新輪胎與同牌同型號(hào)的新輪胎相比，其接地面積較新輪胎要小.

4）充氣壓力一定，翻新輪胎的接地印痕隨垂直載荷的增加而增大，從圓形變成橢圓形并當(dāng)垂直載荷增加到某一定值時(shí)近似矩形，實(shí)測(cè)試驗(yàn)表明印痕中心較其他部位顏色淺，進(jìn)一步驗(yàn)證了輪胎接地中心區(qū)域的壓力值較小.

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