蓋勝磊,吳芷紅

山東交通學(xué)院汽車工程學(xué)院,山東濟(jì)南 250357

0 引言

輪胎是汽車重要行駛的部件,目前車用輪胎工業(yè)發(fā)展的主流是輪胎結(jié)構(gòu)子午化、無內(nèi)胎化、扁平化[1]。隨著我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)和蓬勃發(fā)展,機(jī)動(dòng)車保有量持續(xù)增加,在加快交通出行的同時(shí),交通事故也不斷增加。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)近一半的高速公路交通事故由輪胎故障引發(fā),由輪胎引發(fā)的事故中70%為汽車爆胎[2]。充氣輪胎胎面薄,長(zhǎng)期損耗易產(chǎn)生交通事故,且充氣輪胎生產(chǎn)工藝繁瑣、造價(jià)昂貴,所以加快研發(fā)安全節(jié)能、工藝簡(jiǎn)單的免充氣輪胎勢(shì)在必行[3]。

相比傳統(tǒng)的充氣輪胎,免充氣輪胎沒有內(nèi)胎,具有防爆、防漏氣等優(yōu)點(diǎn),提高了汽車的安全性能和動(dòng)力性能[4-5]。目前,各大輪胎生產(chǎn)商均研發(fā)了自己的免充氣輪胎,如米其林公司的可用于各種特種運(yùn)輸車輛上的Tweel免充氣輪胎[6],固鉑公司的可有效抵擋口徑為5.56 mm子彈和地雷直接沖擊的仿生蜂窩輪胎[7],普利司通公司的第二代免充氣式輪胎Air-Free[8]等。李莉等[9]設(shè)計(jì)出一款可在較差道路條件下行駛的輻板式免充氣輪胎,向仲兵等[10]研制出一款可安裝在特種車輛上鉸鏈?zhǔn)矫獬錃鈾C(jī)械輪胎,2017年國(guó)內(nèi)第一次用3D打印技術(shù)成功打印出聚氨酯免充氣輪胎。為優(yōu)化輪胎性能、降低制造成本,本文中搭建繁花結(jié)構(gòu)式的免充氣輪胎有限元模型,分析陣列數(shù)為20、30、40的免充氣輪胎的接地性能。

1 免充氣輪胎的結(jié)構(gòu)

安子軍等[11]設(shè)計(jì)的繁花結(jié)構(gòu)或免充氣輪胎結(jié)構(gòu)主要由外胎面、輻條支撐體和內(nèi)外圓筒組成,如圖1所示。輻條支撐體可代替充氣輪胎的胎體結(jié)構(gòu),在汽車高速行進(jìn)時(shí)起承重和支撐作用。輻條采用繁花式結(jié)構(gòu),繁花結(jié)構(gòu)形成的通孔孔壁只能通過彎曲和壓縮變形提供彈性,故繁花結(jié)構(gòu)式免充氣輪胎剛度較小,但能滿足普通轎車使用需求;不同繁花結(jié)構(gòu)具有不同的舒適性能,可滿足不同應(yīng)用需求。

圖1 免充氣輪胎結(jié)構(gòu)

免充氣輪胎的外胎在行駛時(shí)與地面長(zhǎng)期接觸,輪胎的外表面應(yīng)采用耐磨性能和防滑性能優(yōu)異的橡膠材料。高速行駛時(shí),車輛輪胎與地面劇烈摩擦產(chǎn)生熱能,若輪胎胎面與輻條均使用散熱性較差的聚氨酯材料,產(chǎn)生的熱量持續(xù)聚集到聚氨酯上,導(dǎo)致免充氣輪胎發(fā)生較大的熱變形。采用橡膠胎面可使產(chǎn)生的熱量在輪胎表面快速散失,減少聚氨酯材料支撐體上堆積的熱量和熱變形。另外,橡膠材料具有良好的彈性和耐磨性,可減小車輛行駛過程中由輻條變形引起的振動(dòng),延長(zhǎng)輪胎使用壽命。

2 免充氣輪胎有限元模型

采用ABAQUS軟件的前處理模塊建立免充氣輪胎的幾何模型,并設(shè)置節(jié)點(diǎn)、單元、材料參數(shù)、邊界條件。

2.1 材料屬性

建模時(shí)不考慮輪胎內(nèi)表面與輪輞的接觸,不考慮輪胎與地面接觸時(shí)地面產(chǎn)生的變形,故將輪胎內(nèi)圈與地面設(shè)置為剛性材料;輻條支撐體定義為聚氨酯材料,彈性模量為24 MPa,泊松比為0.49[12]。

輪胎外胎為橡膠材料,橡膠是一種超彈性材料,彈性形變較大,選用 Mooney-Rivlin 模型定義其力學(xué)性能。

2.2 單元模型

為節(jié)省時(shí)間并提升網(wǎng)格質(zhì)量,使用sweep網(wǎng)格劃分技術(shù)劃分模型網(wǎng)格。聚氨酯輻條支撐體設(shè)置為S4R,橡膠外胎與剛性內(nèi)圈設(shè)置為六面體雜交單元的C3D8I,繁花結(jié)構(gòu)式免充氣輪胎的網(wǎng)格模型如圖2所示。

a)橡膠外胎 b)剛性內(nèi)圈 c)聚氨酯輻條圖2 繁花結(jié)構(gòu)式免充氣輪胎的網(wǎng)格模型

2.3 邊界條件與負(fù)載設(shè)置

分析免充氣輪胎的接地性能時(shí),對(duì)于地面與橡膠胎面間的接觸,定義其法向力學(xué)行為為“硬”接觸,切向力學(xué)行為的摩擦公式為“罰”,摩擦因數(shù)約為0.5;支撐體與輪胎的接觸采用Tie約束,即使用黏合方式將輻條分別與橡膠胎面、剛性內(nèi)圈進(jìn)行連接,并添加方向向上約為4 kN的載荷代替輪胎豎直向下的受力,近似模擬免充氣輪胎的受力狀態(tài)[13]。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 輪胎接地壓力分布

免充氣輪胎接地時(shí)的壓力分布影響其接地性能,進(jìn)而影響輪胎的磨損與側(cè)偏特性。選擇3種免充氣輪胎(輪胎Ⅰ:陣列數(shù)為20、厚度為3.0 mm;輪胎Ⅱ:陣列數(shù)為30、厚度為2.1 mm;輪胎Ⅲ:陣列數(shù)為40、厚度為1.5 mm),以輪胎重心下沉量代替垂直載荷的作用,通過仿真分析下沉5、15、25 mm時(shí)的接地壓力分布。

3.1.1 輪胎Ⅰ

輪胎Ⅰ下沉5、15、25 mm時(shí)應(yīng)力和地面壓力分布如圖3所示。

圖3 輪胎Ⅰ下沉5、15、25 mm時(shí)的接地應(yīng)力與地面壓力分布

由圖3可知:輪胎Ⅰ下沉5、15、25 mm時(shí)的最大應(yīng)力分別為4.28、20.84、28.14 MPa;輪胎的最大應(yīng)力隨下沉的增大而增大,最大應(yīng)力位置略有不同,基本集中在輪輻底部與外胎的連接處;當(dāng)下沉5 mm時(shí),地面壓力為矩形分布,此時(shí)輪胎面與地面完全接觸,由于輻條V型尖端的存在,最大壓力分布在靠近輪胎與地面接觸邊緣的兩側(cè),隨著下沉持續(xù)增大,地面壓力逐漸分段,下沉15 mm時(shí),地面壓力呈現(xiàn)不連續(xù)的3段式分布,下沉25 mm時(shí),地面壓力為不連續(xù)的5段式分布現(xiàn)象,該現(xiàn)象主要由各個(gè)輻條接觸地面時(shí)的應(yīng)力集中導(dǎo)致。當(dāng)出現(xiàn)壓力分段后,免充氣輪胎與地面的接觸為不均勻接觸,即輪胎與地面接觸不牢靠,行駛過程中輪胎接地應(yīng)力集中,導(dǎo)致輪胎局部磨損嚴(yán)重,壽命大大降低。因此,對(duì)于陣列數(shù)較小的免充氣輪胎,可適當(dāng)增大輻條厚度、剛度及胎面厚度,且只適用于下沉量較小的載重設(shè)備。

3.1.2 輪胎Ⅱ

輪胎Ⅱ下沉5、15、25 mm時(shí)的應(yīng)力和地面壓力分布圖4所示。

由圖4可知:輪胎Ⅱ下沉5、15、25 mm時(shí)的最大應(yīng)力分別為7.64、18.59、19.88 MPa;最大應(yīng)力隨著下沉增大而增大;相比輪胎Ⅰ,輪胎Ⅱ在相同下沉?xí)r的輪胎輻條變形相對(duì)較小且地面壓力出現(xiàn)3段式、5段式現(xiàn)象更加明顯;最大地面壓力先減小后增大,主要原因?yàn)橄鲁猎龃?輪胎與地面的接觸面積逐漸增大,抵消了由于接觸力增大而造成的應(yīng)力增大;輪胎Ⅱ的整體應(yīng)力主要集中在與點(diǎn)面接觸靠近邊緣的位置,同樣也會(huì)造成輪胎的磨損,因此,陣列為30的充氣輪胎也不適用于大荷載、下沉大的車輛。

3.1.3 輪胎Ⅲ

輪胎Ⅲ下沉5、15、25 mm時(shí)的應(yīng)力和地面壓力分布圖5所示。

圖5 輪胎Ⅲ下沉5、15、25 mm時(shí)的接地應(yīng)力與地面壓力分布

由圖5可知:輪胎Ⅱ下沉5、15、25 mm時(shí)的最大應(yīng)力分別為8.30、25.16、31.67 MPa;相比于前2種輪胎,輪胎Ⅲ的變形更小,在下沉25 mm時(shí)接地壓力分布均勻連續(xù),未出現(xiàn)5段式分布現(xiàn)象,因此,輪胎Ⅲ具有良好的接地性能,適合下沉量較大的普通汽車。

輪胎的優(yōu)化不能只考慮陣列密集程度,應(yīng)綜合考慮陣列密度和輻條厚度,在節(jié)省材料的前提下獲得受力更好的輪胎。

3.2 靜態(tài)工況下的輪胎性能

隨著輪胎陣列的增加,輪胎整體密度增大,應(yīng)力分布更加均勻,在相同下沉條件下變形更小。研究輪胎的彈性性能,應(yīng)先確定下沉量,而輻條厚度與陣列數(shù)影響下沉量[14]。

輪胎的徑向剛度影響汽車行駛的穩(wěn)定性和舒適性。選擇12種免充氣輪胎(陣列為20且輻條厚度為4.2～4.8 mm、陣列為30且輻條厚度為3.4～4.0 mm、陣列為40且輻條厚度為2.0～2.6 mm),仿真分析不同輪胎的負(fù)載與下沉量關(guān)系,如圖6所示。由圖6可知:輪胎下沉量與負(fù)載正相關(guān),相同陣列和負(fù)載時(shí),輻條厚度越大下沉量越小。圖6中曲線的斜率為輪胎的徑向剛度,如表1所示。

表1 免充氣輪胎的剛度

a)陣列為20 b)陣列為30 c)陣列為40圖6 免充氣輪胎徑負(fù)載與下沉量關(guān)系曲線

由圖6和表1可知:陣列為40且輻條厚度為2.2～2.6 mm與陣列為20且輻條厚度為4.2～4.8 mm的免充氣輪胎剛度基本一致,這2種免充氣輪胎的下沉平穩(wěn)性相近;相比于增大陣列,增大輻條厚度更利于提高輪胎剛度。陣列為20、輻條厚度為4.2 mm的輪胎剛度為420.54 N/mm,陣列為30、輻條厚度為4.0 mm的輪胎剛度為336.20 N/mm,二者輻條厚度相差0.2 mm,而剛度相差約84 N/mm,在同一陣列條件下,輻條厚度每增大0.2 mm,剛度平均約增大35 N/mm,輻條厚度增加對(duì)于剛度增加的增益效果明顯。

4 結(jié)論

1)隨著輪胎下沉的增大,輪胎Ⅰ與輪胎Ⅱ出現(xiàn)接地不連續(xù)的現(xiàn)象,首先出現(xiàn)3段式應(yīng)力分布,在下沉進(jìn)一步增大后出現(xiàn)5段式的應(yīng)力分布,而輪胎Ⅲ在下沉25 mm時(shí)未發(fā)現(xiàn)與段式應(yīng)力分布接地均勻連續(xù),具有較好的接地性能。

2)陣列數(shù)和輻條厚度影響免充氣輪胎的剛度特性,輻條厚度對(duì)剛度的影響更大,在同一陣列條件下,輻條厚度每增大0.2 mm,剛度平均約增大35 N/mm;可以通過平衡輻條厚度和陣列數(shù)的方式獲得特性不同而剛度一致的輪胎,在優(yōu)化輪胎的同時(shí)節(jié)約制造成本。