胎面膠對(duì)全鋼子午線輪胎滾動(dòng)阻力影響的有限元分析

姚 冰，馮琳閣，張 鵬，盧 帥

（1.怡維怡橡膠研究院有限公司，山東 青島 266045；2.賽輪集團(tuán)股份有限公司，山東 青島 266045）

輪胎是車輛唯一的接地部件，其滾動(dòng)阻力對(duì)車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性和自身性能都有重要影響。降低輪胎滾動(dòng)阻力，不僅可以降低車輛能量消耗，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)可以降低車輛行駛時(shí)輪胎內(nèi)部溫度，提高輪胎的耐久性能，減少由于過(guò)度生熱而引起的輪胎早期肩空等質(zhì)量問(wèn)題。米其林、普利司通等世界知名輪胎企業(yè)早已紛紛推出各類低滾動(dòng)阻力輪胎，歐盟更是通過(guò)立法推動(dòng)低滾動(dòng)阻力輪胎的使用。

輪胎滾動(dòng)阻力是指輪胎滾動(dòng)單位距離的能量損耗，主要是由于橡膠材料的粘彈性引起的。在輪胎滾動(dòng)過(guò)程中，橡膠變形導(dǎo)致能量以熱能的形式損耗。產(chǎn)生輪胎滾動(dòng)阻力的主要因素有3個(gè)：（1）輪胎滾動(dòng)過(guò)程中由于形變而產(chǎn)生的能量損耗；（2）空氣阻力；（3）胎面與路面或輪胎與輪輞之間的摩擦力。

輪胎在滾動(dòng)過(guò)程中的形變耗能是產(chǎn)生滾動(dòng)阻力的最主要因素，占80%～95%。降低輪胎膠料在滾動(dòng)過(guò)程中的能量損耗有兩種方法，一種是減小其應(yīng)力、應(yīng)變幅值，另一種是降低膠料的滯后損失。通過(guò)輪胎結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)雖然能夠改善其滾動(dòng)阻力，但會(huì)影響其他性能。因此采用低滾動(dòng)阻力的胎面膠配方是降低輪胎滾動(dòng)阻力最有效的方法。

本工作以12R22.5全鋼子午線輪胎為例，利用有限元方法建立輪胎穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)溫度場(chǎng)和滾動(dòng)阻力仿真模型，研究胎面膠對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力的影響。

1 滾動(dòng)阻力仿真

20世紀(jì)80年代，通用汽車研究室[1]提出了“雙向解耦”的迭代求解法（以下簡(jiǎn)稱雙向迭代解法）。所謂雙向迭代解法即為依次獨(dú)立求解應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)和溫度場(chǎng)兩個(gè)邊值問(wèn)題，并通過(guò)溫度迭代來(lái)計(jì)算應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)和溫度場(chǎng)之間的互相影響。雙向迭代解法的提出使有限元方法真正成為求解輪胎溫度場(chǎng)問(wèn)題的有效工具。

本研究采用雙向迭代解法，具體過(guò)程如下：（1）進(jìn)行輪胎穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)仿真，并提取穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)；（2）計(jì)算滾動(dòng)阻力和生熱率；（3）輪胎溫度場(chǎng)仿真；（4）判斷溫度場(chǎng)是否達(dá)到平衡狀態(tài)，如果未達(dá)到則返回步驟（2），如果達(dá)到平衡狀態(tài)，輸出溫度場(chǎng)及滾動(dòng)阻力計(jì)算結(jié)果。

輪胎滾動(dòng)阻力和溫度場(chǎng)仿真流程見(jiàn)圖1，涉及的具體求解過(guò)程不再贅述[2-15]。

圖1 輪胎滾動(dòng)阻力和溫度場(chǎng)仿真流程

2 仿真結(jié)果與分析

以12R22.5全鋼子午線輪胎（結(jié)構(gòu)保持不變，選用炭黑填充傳統(tǒng)配方胎面膠和白炭黑填充低滾動(dòng)阻力配方胎面膠）為例進(jìn)行輪胎滾動(dòng)阻力有限元分析。傳統(tǒng)配方胎面膠和低滾動(dòng)阻力配方胎面膠60 ℃時(shí)的損耗因子（tanδ）分別為0.19和0.07。采用兩種胎面膠的輪胎滾動(dòng)阻力的仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 輪胎滾動(dòng)阻力的仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果

從表1可以看出，盡管仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果有一定誤差，但不論是仿真結(jié)果還是實(shí)測(cè)結(jié)果都說(shuō)明采用低滾動(dòng)阻力胎面膠后，輪胎的滾動(dòng)阻力標(biāo)簽等級(jí)均提高了1個(gè)級(jí)別。

采用傳統(tǒng)配方胎面膠和低滾動(dòng)阻力配方胎面膠的輪胎各部件對(duì)其滾動(dòng)阻力的貢獻(xiàn)率仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 輪胎各部件對(duì)滾動(dòng)阻力的貢獻(xiàn)率仿真結(jié)果

從圖2可以看出：對(duì)于采用傳統(tǒng)配方胎面膠的輪胎，胎面膠對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力的貢獻(xiàn)率最大，為36%；對(duì)于采用低滾動(dòng)阻力配方胎面膠的輪胎，胎面膠對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力的貢獻(xiàn)率顯著減小至21%。

采用傳統(tǒng)配方胎面膠和低滾動(dòng)阻力配方胎面膠的輪胎的滾動(dòng)阻力仿真結(jié)果對(duì)比如圖3所示。

圖3 兩種胎面膠配方輪胎各部件的滾動(dòng)阻力仿真結(jié)果對(duì)比

從圖3可以看出，在優(yōu)化胎面膠配方后，輪胎其他部件產(chǎn)生的滾動(dòng)阻力基本維持不變，只有胎面膠的滾動(dòng)阻力明顯降低。

3 結(jié)論

有限元分析結(jié)果表明，與采用傳統(tǒng)配方胎面膠的輪胎相比，采用低滾動(dòng)阻力配方胎面膠的輪胎滾動(dòng)阻力顯著減小，采用低滾動(dòng)阻力配方胎面膠是降低輪胎滾動(dòng)阻力最直接有效的方法。采用有限元分析方法可以研究輪胎滾動(dòng)阻力產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)理以及不同輪胎部件對(duì)滾動(dòng)阻力的貢獻(xiàn)。