車輛多元體結(jié)構(gòu)冬季輪胎摩擦特性及抗滑技術(shù)

齊 鵬， 王 強，王云龍， 齊曉杰， 楊 兆， 王國田， 呂德剛

(1.哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院，哈爾濱 150050;2. 黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，哈爾濱 150050)

車輛多元體結(jié)構(gòu)冬季輪胎摩擦特性及抗滑技術(shù)

齊 鵬1， 王 強2，王云龍2， 齊曉杰2， 楊 兆2， 王國田2， 呂德剛2

(1.哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院，哈爾濱 150050;2. 黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，哈爾濱 150050)

基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，提出了由有利于車輛起動、制動及防側(cè)滑3種功能的材料組成多元體橡膠輪胎胎面的技術(shù)，探討了通過改變胎面膠單元體材料之間的結(jié)構(gòu)、形狀及分布比例來提高輪胎綜合抗滑性能；利用低溫倉恒溫測試技術(shù)及計算機仿真，研究多元體橡膠輪胎胎面的冰雪路面摩擦特性及抗滑機理，為高抗滑冬季輪胎的研究提供指導(dǎo).

冬季輪胎；抗滑；多元體；摩擦特性

高抗滑性是冬季輪胎安全使用的重要性能，冰雪路面輪胎橡膠的摩擦特性及抗滑機理是目前的研究熱點.現(xiàn)有研究主要是通過胎面材料改性及胎面花紋設(shè)計技術(shù)來提高輪胎冰雪路面的起動性、制動性及側(cè)滑性，但是無論采用哪種技術(shù)，冬季輪胎在使用過程中，還經(jīng)常會出現(xiàn)如車輪起動牽引力不足打滑或空轉(zhuǎn)、制動距離過大、轉(zhuǎn)彎側(cè)滑及方向跑偏嚴(yán)重等一些問題，引發(fā)交通擁堵甚至交通事故[1-3].為了提高輪胎綜合行駛性能，僅僅依靠改變單一均質(zhì)胎面的配方和花紋結(jié)構(gòu)是很難實現(xiàn)的，因為,單一均質(zhì)胎面膠的材料不能同時在起動、制動及側(cè)滑運動狀態(tài)時充分發(fā)揮其最佳性能，勢必會造成某些運動狀態(tài)失常[4-5].為此，文中從改變原有的單一均質(zhì)胎面材料入手，探討采用非均質(zhì)胎面材料的性能來提高輪胎在冰雪路面的綜合抗滑性能，即非均質(zhì)胎面采用3種不同功能材料(3種不同配方組分)組合而成，分別針對有利于車輛起動、制動及防側(cè)滑3種典型運動狀態(tài)優(yōu)化設(shè)計胎面膠單元材料，再通過改變胎面膠單元材料之間的結(jié)構(gòu)、形狀及分布比例組合優(yōu)化，最終形成非均質(zhì)的胎面材料，文中將其定義為多元體橡膠復(fù)合材料.目前,關(guān)于多元體橡膠復(fù)合材料應(yīng)用于輪胎的研究尚未見有國內(nèi)外文獻報道[6-8].

1 抗滑輪胎多元體總體技術(shù)方案

抗滑輪胎多元體總體技術(shù)方案如圖1所示，技術(shù)方案將會實現(xiàn)如下研究目標(biāo)：①探討多元體橡膠復(fù)合材料的組成對其與冰雪路面相互作用的影響規(guī)律，從而明確多元體橡膠復(fù)合材料在冰雪路面的摩擦機理，為提高輪胎胎面的抗滑性提供理論基礎(chǔ)；②探索高抗滑輪胎胎面用多元體橡膠復(fù)合材料的優(yōu)化及最佳制備工藝；③建立一套能反映輪胎胎面與冰雪路面間摩擦特性的仿真及試驗平臺；④建立、優(yōu)化和完善一整套適用于提高冬季輪胎抗滑問題的、由基本理論、數(shù)學(xué)及力學(xué)模型構(gòu)成的多元體橡膠復(fù)合材料高抗滑理論及實現(xiàn)方法體系.

圖1 總體技術(shù)方案

2 輪胎胎面的冰雪路面摩擦特性與胎面材料性能的相關(guān)性研究

采用單一均質(zhì)典型配方、花紋結(jié)構(gòu)的夏季輪胎、冬季輪胎、全天候輪胎胎面混煉膠，通過改變混煉膠的配方體系和硫化工藝(硫化溫度、深度、壓力及時間等)，獲得大量不同物理機械性能胎面膠標(biāo)準(zhǔn)試樣塊體.低溫倉恒溫環(huán)境下利用萬能拉伸試驗機獲得拉伸強度、彈性模量、扯斷伸長率、定伸應(yīng)力、永久變形及耐撕裂性等參數(shù)；利用邵爾硬度計獲得硬度、阿克隆磨耗機獲得耐磨性、沖擊彈性試驗機獲得彈性、橡膠疲勞龜裂試驗機獲得耐疲勞性、橡膠低溫脆性試驗機獲得脆性溫度、老化試驗箱獲得耐熱性和耐老化性等物理機械性能參數(shù).低溫倉恒溫環(huán)境下,構(gòu)建摩擦特性試驗平臺，并利用ABAQUS有限元軟件進行大量的計算機數(shù)值模擬，研究胎面膠標(biāo)準(zhǔn)試樣塊體在不同運動狀態(tài)下(起動、制動及側(cè)滑)與不同形式冰雪路面的摩擦特性.通過試驗和計算機仿真分析，建立摩擦特性與物理機械性能之間的相互影響關(guān)系，明確分析出物理機械性能參數(shù)中哪些參數(shù)在考慮載荷、轉(zhuǎn)彎半徑、溫度和滑移速度條件下對摩擦系數(shù)、牽引力(起動狀態(tài))、制動力(制動狀態(tài))、側(cè)滑力(側(cè)滑狀態(tài))等摩擦特性起主要影響作用，并建立摩擦特性和胎面材料性能之間相關(guān)性.

3 滿足不同形式冰雪路面、不同運動狀態(tài)的胎面膠單元體的優(yōu)化設(shè)計

依據(jù)已經(jīng)建立的摩擦特性和胎面材料性能之間的相關(guān)性，優(yōu)化設(shè)計并分別制備在不同形式冰雪路面下有利于提高起動性、制動性及防測滑性的胎面膠單元體.采用丁苯橡膠、順丁橡膠、天然橡膠順和式異戊橡膠,為橡膠基體，研究中采用其中兩種或者多種并用膠通過改變相應(yīng)用量來完成基體橡膠種類的選擇及優(yōu)化；通過改變硫磺和促進劑的種類和用量以及硫化溫度、硫化深度、硫化壓力及硫化時間等參數(shù)完成硫化體系的優(yōu)化；通過改變增強體、炭黑和白炭黑等種類和用量來完成補強與填充體系的優(yōu)化.以設(shè)計-分析-試驗-制備-優(yōu)化一體化為原則，應(yīng)用概率統(tǒng)計原理、ABAQUS有限元數(shù)值模擬和低溫倉恒溫試驗相結(jié)合獲得最優(yōu)化的胎面膠單元體.采用三段混煉工藝，混煉過程控制最佳混煉溫度、混煉時間、排膠溫度及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速.胎面膠單元體制備工藝流程如圖2所示，關(guān)鍵工藝為控制第一段混煉膠和第二段混煉膠的排膠溫度要比普通胎面排膠溫度高，密煉機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比普通胎面轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低.

圖2 胎面膠單元體制備工藝流程

4 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的胎面膠單元體分布組合優(yōu)化

針對有利于起動、制動和防側(cè)滑3種運動狀態(tài)，雪路面、冰雪混合路面、壓實冰路面及冰水混合路面4種典型工況，載荷、環(huán)境溫度(-5～-40 ℃)、行駛速度(10～60 km/h)及轉(zhuǎn)彎半徑4種條件下,進行胎面膠單元體分布組合優(yōu)化，獲得滿足上述路面及它們綜合路面工況下的車輛起動、制動及防側(cè)滑綜合性能優(yōu)良的胎面膠多元體.通過改變有利于起動、制動及防側(cè)滑胎面膠單元體的結(jié)構(gòu)、形狀、分布比例(如圖3所示的分布組合方案)，尋找一個最佳的分布組合方案.采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的“多層誤差反向傳播”算法和基于共享小生境技術(shù)的遺傳算法并應(yīng)用Matlab軟件來求解多目標(biāo)分布組合優(yōu)化問題，構(gòu)建由輸入層、第一隱層、第二隱層和輸出層組成的多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖3 不同比例、不同形狀的單元體分布組合方案

圖4 組合優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

5 結(jié) 論

從改變胎面單一均質(zhì)材料角度，探討了冬季冰雪路面抗滑輪胎多元體技術(shù)，探討了不同形式的冰雪路面摩擦特性研究方案，最終將通過在輪胎上的應(yīng)用,揭示輪胎胎面多元體橡膠復(fù)合材料的抗滑機理，為冬季輪胎的設(shè)計提供指導(dǎo).

[1] 相文森.城市冰雪道路交通事故成因及發(fā)生機理研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

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FrictionCharacteristicsandAnti-SlidingTechnologyofVehiclePolyploidStructureWinterTire

QI Peng1, WANG Qiang2, WANG Yun-long2, QI Xiao-jie2, YANG Zhao2,WANG Guo-tian2, LV De-gang2

(1.Harbin Vocational & Technical College, School of Mechanical Engineering, Harbin 150050,China;2. Heilongjiang Institute of Technology, School of Automobile and Traffic Engineering，Harbin 150050,China)

Based on artificial neural network,provided the technique of making polyploidy rubber tire tread by use of three kind of materials which are beneficial to vehicle starting, braking and anti-slide slip, and discussed about changing structure, shape and distribution proportion among haploid materials of tire tread rubber. Friction feature and anti-slide mechanism on ice-snow road of polyploid rubber tire tread are studied by using test technique of low-temperature cabin and computer simulation, provided theory instruction for studies on high anti-slide winter tires.

Winter tire; Anti-sliding; Polyploid; Friction property

1009-4687(2017)04-0037-04

2017-11-6

2015年度黑龍江省自然科學(xué)基金項目(E2015025)

王 強(1981-)，男，副教授，博士，研究方向為輪胎技術(shù)、汽車行駛安全性.

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