輪胎溫度場(chǎng)的有限元分析

付 蕓，李柏萱

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

0 引言

汽車的輪胎被看做是行駛工具里面最為關(guān)鍵的一個(gè)構(gòu)成部分，其對(duì)于汽車的行駛起著非常重要的作用，具體體現(xiàn)在擔(dān)負(fù)著汽車的重量和行駛等。除此之外，輪胎不僅可以提升汽車行駛時(shí)的可靠性和舒適性，而且還會(huì)對(duì)汽車的耐久性以及使用年限造成影響。輪胎在受到整車重量的壓力之后，易變形，進(jìn)而遭到損壞。輪胎出現(xiàn)損壞的具體形式重點(diǎn)囊括有熱損壞、機(jī)械損壞以及疲勞損壞這三種，其中熱損壞是最為普遍的，對(duì)于輪胎的熱損壞進(jìn)行有效的研究能夠在一定程度上提升輪胎的使用壽命以及安全性［1］。

1 有限元仿真計(jì)算模型

1.1 有限元模型的建立

1.1.1 輪胎的主要參數(shù)

試驗(yàn)輪胎的規(guī)格是:國(guó)產(chǎn)9.00-2014PR輪胎，普通縱向花紋(有三條花紋)。輪胎幾何參數(shù)是:“D”所表示的是輪胎外直徑，設(shè)定為1 018 mm;“b”所表示的是輪胎斷面寬，設(shè)定為259mm;胎冠厚度設(shè)定為δ1=31.5;胎肩厚度設(shè)定為δ2=1.25δ1;輪輞的規(guī)格是7.0T;“FS”所表示的是輪胎標(biāo)準(zhǔn)載荷，設(shè)定為3kN;“PS”所表示的是標(biāo)準(zhǔn)胎壓，設(shè)定為300 kpa;施加速度設(shè)置為80km/h;至于環(huán)境溫度，控制在20°C左右。

1.1.2 幾何模型的建立

利用CATIA對(duì)輪胎進(jìn)行建模，繼而成功建立多功能、高效便捷的輪胎幾何模型?；贑ATIA、ABAQUS兩者間的借口技術(shù)，把三維模型直接導(dǎo)入ABAQUS平臺(tái)，通過(guò)網(wǎng)格劃分、材料定義等，進(jìn)而獲得輪胎的有限元模型［2］。

有限元模型其實(shí)也就是把數(shù)字三維模型劃分成多個(gè)有限單元，并對(duì)每個(gè)有限單元進(jìn)行計(jì)算。實(shí)質(zhì)上，諸多軟件都適用于有限元分析，例如，ANSYS、MARC、ABAQUS等。盡管功能性強(qiáng)、極具特色，但就整體看來(lái)，相似度較高，本文主要采用Abaqus對(duì)模型進(jìn)行有限元分析。ABAQUS中涉及到和PRO/E相連接的模塊，因此，安裝過(guò)程中我們必須要對(duì)此重點(diǎn)關(guān)注。本文主要采取系統(tǒng)平臺(tái)自有的傳輸方式，具體情況見(jiàn)圖1。

1.2 基本假設(shè)

(1)輪胎表層直接接觸到空氣，從而對(duì)流換熱;輪胎和地面相接觸時(shí)側(cè)重于導(dǎo)熱，但卻嚴(yán)重忽視輻射換熱所帶來(lái)的負(fù)面影響。

圖1 輪胎的有限元模型

(2)諸多因素都會(huì)導(dǎo)致輪胎升溫，因?yàn)檩喬サ闹谱鞑牧鲜窍鹉z、復(fù)合材料等。因此，車輛行駛過(guò)程中輪胎和地面直接摩擦，動(dòng)態(tài)變形就會(huì)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成熱能，把輪胎和地表摩擦之后所產(chǎn)生的熱量直接傳送給輪胎。

(3)忽視側(cè)偏外力所帶來(lái)的影響，假定輪胎行駛路線為直線。

(4)車輛輪胎和路面相互摩擦之后，所產(chǎn)生的熱量散發(fā)到空氣中，此時(shí)，地表與輪胎都將會(huì)得到部分熱量，并向輪胎內(nèi)部傳遞。

(5)地表與輪胎的摩擦界面的溫度相同［3］。(6)假定輪胎和地表的接觸面均勻受力。

1.3 材料熱物性參數(shù)的設(shè)定

輪胎的結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，主要涉及到胎面、胎肩、胎側(cè)、帶束層、內(nèi)襯層、鋼絲圈、三角膠等。若僅僅只是把橡膠材料模擬為線彈性材料，嚴(yán)重忽視橡膠性質(zhì)，那么，最終無(wú)疑會(huì)影響到計(jì)算結(jié)果。本文在輪胎原有結(jié)構(gòu)上做了簡(jiǎn)化處理，對(duì)胎冠、胎側(cè)、輪輞、胎肩等進(jìn)行新定義。表1中是涉及到胎冠膠的熱擴(kuò)散系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等數(shù)據(jù)信息。

表1 冠膠的熱擴(kuò)散系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱的數(shù)據(jù)

1.4 分析步驟

針對(duì)輪胎而言，通常情況下，載荷施加的主要步驟為:第一，給輪胎內(nèi)層施加壓力，其壓力值設(shè)定為300kpa左右，進(jìn)而對(duì)輪胎內(nèi)部氣壓的全過(guò)程進(jìn)行有效模擬，0.5s之后輪胎變形情況就會(huì)逐漸穩(wěn)定下來(lái);第二，模擬輪胎中心位置垂直向下3300N集中力，0.3s之后變形穩(wěn)定。第三，分析輪胎的動(dòng)態(tài)滾動(dòng)過(guò)程，給輪胎中心點(diǎn)施加80km/h速度，進(jìn)而讓輪胎從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變成為滾動(dòng)狀態(tài)。第四，輪胎停止運(yùn)行［4］。

輪胎自由滾動(dòng)期間，可事先讓其以80km/h速度前行，并向輪胎中心位置的參考點(diǎn)施加3300N載荷。允許輪胎以自己為軸線運(yùn)轉(zhuǎn)，此外，還要固定輪面、參考點(diǎn)的自由度。

1.5 模擬結(jié)果及分析

輪胎行駛期間易于變形，導(dǎo)致材料受損，繼而全部轉(zhuǎn)化成熱能，輪胎內(nèi)表層的熱量全部分散到空氣中，或者是通過(guò)輪輞、輪胎外表層將熱量分散開(kāi)。因?yàn)檩喬ヒ?guī)格、結(jié)構(gòu)、使用條件等都不一樣，因此，產(chǎn)生的熱量也不相同。車輪在滾動(dòng)初期，其溫度和周邊環(huán)境溫度相一致;若是繼續(xù)滾動(dòng)，那么車輪與地表進(jìn)行摩擦之后，車輪溫度也會(huì)隨之提高;輪胎所產(chǎn)生熱量等同于分散熱量，輪胎斷面上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度也不相同，反而是依據(jù)某種規(guī)律分布。

(1)圖2即為輪胎在運(yùn)轉(zhuǎn)15分鐘時(shí)的溫度分布情況，此時(shí)，輪胎的運(yùn)轉(zhuǎn)速度是80km/h。輪胎和地表相接觸時(shí)，最先和地面接觸的就是輪胎的胎冠，此時(shí)就會(huì)導(dǎo)致徑向變形，進(jìn)而產(chǎn)生諸多熱量，也正是因?yàn)樘ス诼院?，因此，胎冠處的熱量無(wú)法向外傳遞，輪胎溫度也隨之上升。

(2)圖3主要將輪胎穩(wěn)定行駛過(guò)程中，表層各個(gè)部位的溫度上升情況反映出來(lái)。當(dāng)車胎穩(wěn)定行駛時(shí)，胎冠溫度就會(huì)達(dá)到最高值，其次才是胎側(cè)、胎側(cè)加強(qiáng)區(qū)、輪輞等部位，而溫度最低的則是胎肩。其關(guān)鍵在于胎冠部位所承受的壓強(qiáng)相對(duì)較大，和地表相接觸之后便會(huì)產(chǎn)生大量熱量，繼而導(dǎo)致溫度上升。輪胎穩(wěn)定行駛過(guò)程中，胎冠兩側(cè)溫度相對(duì)較高，中間部位的溫度相對(duì)較低，由中心向兩側(cè)的分布類似于正弦曲線［5］。實(shí)質(zhì)上，和輪胎結(jié)構(gòu)基本相同，受載也是對(duì)稱的。之所以會(huì)產(chǎn)生此類情形，其關(guān)鍵在于胎冠中間位置的剛性相對(duì)較大，不易變形，而兩側(cè)位置因?yàn)楫a(chǎn)生的熱量相對(duì)較大，散熱性能不佳，容易變形，從而導(dǎo)致輪胎溫度升高。

圖2 輪胎行駛15分鐘時(shí)的溫度的分布云圖

圖3 輪胎行駛45分鐘時(shí)的溫度的分布云圖

2 臺(tái)架試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

在輪胎端面距離輪轂由內(nèi)向外有3個(gè)均布測(cè)溫孔(直徑2mm，深度能達(dá)到輪胎中心)，周向均布，三個(gè)測(cè)量點(diǎn)依次是胎冠、胎側(cè)和胎肩位置處，可以通過(guò)熱電偶測(cè)出3個(gè)點(diǎn)的溫度。

轉(zhuǎn)動(dòng)后每隔15min迅速測(cè)量3個(gè)點(diǎn)的溫升值，轉(zhuǎn)動(dòng)1h。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)載荷是3000N，轉(zhuǎn)速是640r·min-1，臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果如表2所示。

表2 輪胎胎架試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果比較

將有限元分析結(jié)果、臺(tái)架結(jié)果兩者做以對(duì)比，可明顯發(fā)現(xiàn)，臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)⒂邢拊治龅臏厣?guī)律充分顯示出來(lái)，通過(guò)有限元分析之后所得到的溫升值，略高于臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，一般為4-10℃之間;將有限元分析結(jié)果云圖、試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，溫度值誤差在2.6%-10.3%之間。其關(guān)鍵在于測(cè)量誤差，其中主要涉及到測(cè)量精度不高等方面，此外，有限元分析工作進(jìn)行了簡(jiǎn)化也產(chǎn)生了影響。有限元分析過(guò)程中，尚未考慮到輻射能量損失、輻射因素、溫孔散熱等方面，所以，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)溫升值低于理論計(jì)算值。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)車輪溫度升高時(shí)，胎冠溫度也會(huì)隨之升高，并呈現(xiàn)中心對(duì)稱，類似于正弦分布規(guī)律，由此可見(jiàn)，胎冠位置易于發(fā)生熱損壞。此外，輪輞溫度也會(huì)隨之升高，若是使用導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較大的輪輞，那么，輪胎便能夠即時(shí)降溫，從而延長(zhǎng)使用壽命，確保其行駛性能。

(2)根據(jù)研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到了輪胎溫度場(chǎng)分布情況，從而作為輪胎設(shè)計(jì)工作的主要依據(jù)。此外，對(duì)輪胎爆破機(jī)理進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，提出合理化的預(yù)防措施。

［1］ 趙樹(shù)高.子午線輪胎接地問(wèn)題的三維非線性有限元分析研究［J］.輪胎工業(yè)，2001，11(2):4-8.

［2］ 閆相橋.橡膠復(fù)合材料結(jié)構(gòu)大變形有限元分析［J］.計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2002，19(1):18-22.

［3］ 王華慶.斜交輪胎靜態(tài)接地工況的有限元分析［J］.北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，35(2):16-18.

［4］ Lee.Chankyu，Hedrick.karl.Real-time slip-based estimation of maximum tire-road friction coefficient［J］.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2004，9(2):454-458.

［5］ 洪宗躍，吳桂忠.子午線輪胎有限元分析第6講 子午線輪胎的有限元分析模型［J］.輪胎工業(yè)，2006，6(3):187-191.