仿貓爪掌墊子午線輪胎胎冠設(shè)計(jì)

劉從臻,李永強(qiáng),孫運(yùn)芬,謝孟雨,徐成偉

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院,山東淄博 255000)

輪胎作為輪式車輛直接與地面接觸的部件,其性能優(yōu)劣對(duì)車輛操縱穩(wěn)定性、安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性等產(chǎn)生重要的影響。胎冠是輪胎與地面唯一接觸部分,決定著輪胎諸多接地性能。Tanaka等[1]通過改變胎冠弧的連接方式,探究對(duì)磨損性能的影響;梁晨[2]通過研究輪胎綜合接地性能,提出輪胎抓地性能評(píng)價(jià)指標(biāo)并闡述了影響抓地性能的影響因素;彭旭東等[3]發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)胎面膠料模量有一定影響,進(jìn)而對(duì)輪胎抓地力有重要影響;Cho等[4]利用磨損模型數(shù)值分析方法優(yōu)化胎面花紋,改善了輪胎的磨耗性能。但輪胎抓地與磨損性能之間存在固有矛盾,并與滾動(dòng)阻力相互制約,形成“魔鬼三角”關(guān)系[5],傳統(tǒng)方法很難實(shí)現(xiàn)各性能的協(xié)同提升。

近年來,伴隨著生物科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,仿生學(xué)結(jié)合基礎(chǔ)學(xué)科在機(jī)械仿生、醫(yī)療仿生、電子仿生等方面[6-8]取得了很大進(jìn)展。在輪胎設(shè)計(jì)領(lǐng)域,德國大陸公司[9]通過仿生設(shè)計(jì)出仿豹爪輪胎,可在車輛制動(dòng)時(shí)增大輪胎-路面接觸面積,減小制動(dòng)距離;周利坤等[10]以章魚吸盤作為仿生對(duì)象,設(shè)計(jì)仿生吸盤式輪胎來提高車輛在冰面上的制動(dòng)性能;李杰等[11]運(yùn)用試驗(yàn)和理論分析方法,對(duì)沙漠仿生輪胎的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究;叢茜等[12]對(duì)3種不同仿生非光滑溝槽表面流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析溝槽形狀對(duì)減阻效果的影響;王國林等[13]通過仿蝗蟲腳掌進(jìn)行胎冠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),同時(shí)改善了輪胎的抓地與磨損性能;樊沙沙等[14]將仿生凹坑非光滑結(jié)構(gòu)移植到輪胎花紋溝壁設(shè)計(jì)中,通過噪聲聲壓對(duì)比,仿生結(jié)構(gòu)可減小花紋噪聲的產(chǎn)生。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀表明,仿生學(xué)在輪胎設(shè)計(jì)應(yīng)用中已取得了許多重要成果,逐漸成為輪胎性能優(yōu)化的新途徑。

本文采用WALKWAY壓力測(cè)試系統(tǒng)與3D激光掃描儀對(duì)貓前爪接地特性進(jìn)行研究,利用相似原理進(jìn)行貓爪掌墊弧曲線擬合并運(yùn)用到乘用車輪胎胎冠設(shè)計(jì)中,探究輪胎靜載、制動(dòng)、側(cè)偏工況下接地面積與壓力分布等接地情況,以期實(shí)現(xiàn)兩性能的協(xié)同提升。

1 貓爪接地特性分析與胎冠設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置

貓爪動(dòng)態(tài)接地特性獲取由OLYMPUS高速相機(jī)和WALKWAY壓力測(cè)試系統(tǒng)聯(lián)合測(cè)試完成,試驗(yàn)臺(tái)布置如圖1所示。壓力傳感器置于跑道表面,并通過數(shù)據(jù)傳輸線與電腦連接,選取成年健康的貓進(jìn)行通過測(cè)試,利用食物及光點(diǎn)等方式引誘貓?jiān)谕该鲹醢彘g行走[15],利用WALKWAY壓力測(cè)試系統(tǒng)采集貓爪通過時(shí)的接地運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),并使用OLYMPUS高速相機(jī)進(jìn)行拍攝。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)原理圖

1.2 動(dòng)態(tài)接地特性分析

貓?jiān)谶\(yùn)動(dòng)時(shí),前爪主要起到支撐與控制方向的作用[16],以確保轉(zhuǎn)向時(shí)足夠的側(cè)向力。選取貓前爪作為研究對(duì)象,研究變量為前進(jìn)速度。貓爪接地時(shí)垂向反力與接地面積相關(guān)數(shù)據(jù)如圖2和圖3所示。

圖2 地面垂直反力變化曲線

圖3 貓爪接地面積變化曲線

由圖2和圖3可知,不同速度下貓爪受到的垂向反力先增加后減小,速度越高,接地時(shí)間越短且峰值垂向反力越大。接地面積與垂向反力分布趨勢(shì)相似,接地面積曲線關(guān)于總接地時(shí)間對(duì)稱。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn):不同速度下,接地面積曲線斜率明顯大于垂向反力曲線斜率,且在垂向壓力峰值處接地面積保持最大并幾乎穩(wěn)定不變。說明貓爪可在短時(shí)間之內(nèi)與地面產(chǎn)生穩(wěn)定的接觸。對(duì)貓爪掌墊與各個(gè)爪趾的垂直反力進(jìn)行提取,繪制各部位接地壓力變化曲線(速度1.34 m/s),如圖4所示。

圖4 貓前爪各部位反力變化曲線(1.34 m/s)

由圖4可知,在貓前爪與地面產(chǎn)生穩(wěn)定接觸的過程中,掌墊始終為受力最大部位。其他速度下各部位接地反力變化趨勢(shì)一致。說明在貓爪接地時(shí),掌墊為主要支撐受力部位。以此為靈感,將貓前爪掌墊外形特征進(jìn)行提取并應(yīng)用到乘用車輪胎胎冠弧設(shè)計(jì)中。

1.3 掌墊點(diǎn)云處理及胎冠弧設(shè)計(jì)

貓爪表面為不規(guī)則曲面,利用VIVID 910型3D激光掃描儀對(duì)貓爪進(jìn)行非接觸式測(cè)量。將掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入逆向造型軟件Imageware中進(jìn)行精簡(jiǎn)處理,留下所需的貓爪掌墊點(diǎn)云數(shù)據(jù)。處理過程如圖5所示。將圖5d)中的白色橫截面點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合,得到貓爪掌墊橫截面曲線,如圖6所示。

圖5 點(diǎn)云處理過程

圖6 貓爪掌墊點(diǎn)云橫截面擬合曲線

以掌墊截面肩部點(diǎn)云(圖6中紅色點(diǎn))為基礎(chǔ),進(jìn)行多項(xiàng)式擬合,其擬合方程為

y=1.443 9+1.551 0x-0.270 9x2+0.013 1x3

(1)

擬合方程判定系數(shù)R2為0.999 4,擬合精度極高。乘用車輪胎胎冠弧利用“相似原理”[17]進(jìn)行仿生設(shè)計(jì),得到仿生胎冠弧,如圖7所示。其中紅色曲線為仿生設(shè)計(jì)的肩部胎冠弧,黑色為樣胎胎冠弧。

圖7 仿生胎冠弧設(shè)計(jì)示意圖

2 輪胎模型建立與驗(yàn)證

2.1 有限元模型

由于輪胎結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與橡膠材料的非線性,各部件分別以不同的材料進(jìn)行表征[18]。胎體和帶束層是橡膠-簾線復(fù)合材料,用Rebar材料模型來模擬,其材料模型屬性見表1。

表1 加強(qiáng)筋材料屬性

采用Yeoh材料模型來模擬胎面與胎體等橡膠材料,Yeoh模型應(yīng)變能本構(gòu)方程為[19]

W=C10(I1-3)+C20(I1-3)2+C30(I1-3)3

(2)

式中:W為應(yīng)變能;C10、C20和C30為3階減縮多項(xiàng)式的展開系數(shù);I1為應(yīng)變第一不變量。

2.2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證輪胎有限元模型的精度與適用性,利用CSS-88100靜態(tài)加載試驗(yàn)機(jī)對(duì)待測(cè)輪胎進(jìn)行加載試驗(yàn),測(cè)量載荷及接地印跡,如圖8所示。輪胎最大額定載荷為6 150 N,加載時(shí)充氣壓力為2.6 bar。靜態(tài)加載時(shí),“載荷-下沉量”的試驗(yàn)與仿真結(jié)果如圖9所示,載荷與下沉量近似線性關(guān)系且誤差在很小范圍內(nèi)。

圖8 靜態(tài)加載試驗(yàn)

圖9 載荷-下沉量曲線

輪胎靜載時(shí)接地印跡形狀對(duì)比如圖10所示,試驗(yàn)與仿真印跡分布具有較好的一致性。試驗(yàn)與仿真數(shù)值比較如表2所示,試驗(yàn)與仿真最大誤差為3.7%,精準(zhǔn)性高,因此輪胎模型可以用于下一步的仿真分析。

圖10 靜負(fù)荷下接地印跡形狀

表2 接地印跡試驗(yàn)與仿真數(shù)值

3 結(jié)果分析與討論

3.1 靜載接地性能分析

通過靜態(tài)加載分析,得到樣胎與仿生胎接地壓力分布,如圖11所示。由圖11可知,胎冠弧經(jīng)仿生設(shè)計(jì),胎冠接地印跡矩形率提高;胎面中心接地壓力提高,且胎肩應(yīng)力集中區(qū)域峰值壓力降低,胎肩高應(yīng)力區(qū)域接地印跡由“梭型”變?yōu)椤疤菪巍?在保持穩(wěn)定接地面積的前提下,樣胎與仿生胎峰值接地壓力分別為0.54 MPa和0.47 MPa,峰值接地壓力降低13%,壓力分布較均勻。表明靜載工況下仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可保證輪胎穩(wěn)定的接地狀態(tài)。

圖11 輪胎靜載接地壓力分布

3.2 制動(dòng)接地性能分析

良好的制動(dòng)性能是保證車輛安全行駛的前提,輪胎在最佳滑移率狀態(tài)下可發(fā)揮最佳制動(dòng)性能。以制動(dòng)時(shí)輪胎-路面反力和接地壓力標(biāo)準(zhǔn)差作為指標(biāo)評(píng)價(jià)其抓地與磨損性能。接地壓力標(biāo)準(zhǔn)差可表示為

(3)

以60 km/h作為初始速度進(jìn)行15%滑移率制動(dòng)[20]。通過仿真獲得制動(dòng)時(shí)接地壓力分布情況與接地參數(shù),如圖12與表3所示。通過對(duì)比靜載與制動(dòng)時(shí)接地壓力分布,胎肩仍為主要受力區(qū)域,制動(dòng)時(shí)肩部發(fā)生“拖拽”現(xiàn)象,高應(yīng)力區(qū)域趨向制動(dòng)前端;相較于樣胎,仿生輪胎接地中心面積變大,有效緩解胎肩應(yīng)力集中的同時(shí)制動(dòng)接地面積增大2.23%,從而獲得較大的制動(dòng)力。通過表3參數(shù)對(duì)比可知,輪胎抓地力提升不明顯,為0.74%,原因在于仿生設(shè)計(jì)僅對(duì)胎冠肩部進(jìn)行調(diào)整,而輪胎縱向抓地力則主要由整個(gè)胎面提供。但仿生輪胎峰值接地壓力和接地壓力標(biāo)準(zhǔn)差分別降低10.74%與7.65%。綜上,在未降低抓地力的前提下,胎肩偏磨損得到大幅度改善,仿生設(shè)計(jì)一定程度上緩解了輪胎抓地與磨損性能之間的矛盾。

圖12 輪胎制動(dòng)接地壓力分布

表3 輪胎制動(dòng)接地參數(shù)

3.3 側(cè)偏接地性能分析

輪胎側(cè)偏特性對(duì)車輛操縱穩(wěn)定性有重要影響。在發(fā)生側(cè)偏時(shí),輪胎肩為主要受力區(qū)域,通過將輪胎速度進(jìn)行側(cè)向與縱向分解來實(shí)現(xiàn)不同側(cè)偏角的仿真,側(cè)偏角度分別取2°、4°、6°、8°[21]。得出輪胎側(cè)偏接地壓力分布與接地參數(shù),如圖13、圖14和表4所示。

圖13 樣胎穩(wěn)態(tài)側(cè)偏接地壓力分布

圖14 仿生輪胎穩(wěn)態(tài)側(cè)偏接地壓力分布

表4 輪胎穩(wěn)態(tài)側(cè)偏接地?cái)?shù)據(jù)

由圖13、圖14與表4可知,隨著側(cè)偏角的增大,輪胎接地印跡由矩形變?yōu)樘菪?接地面積呈現(xiàn)下降趨勢(shì);峰值接地壓力逐漸增大且由胎肩部位開始轉(zhuǎn)移至接地中心肋條花紋邊緣處,導(dǎo)致胎面接地壓力分布均勻性降低,偏磨損現(xiàn)象嚴(yán)重。對(duì)比兩種輪胎,仿生輪胎側(cè)偏力相比樣胎最大提高2.3%,峰值接地壓力最大降低11.2%,接地壓力標(biāo)準(zhǔn)差最大降低6.8%,接地面積最大增加5.9%。仿生胎冠設(shè)計(jì)在側(cè)偏工況下可有效增大輪胎接地面積,提升側(cè)向抓地力,降低偏磨損,提高車輛的操縱穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1) 通過WALKWAY系統(tǒng)進(jìn)行壓力測(cè)試,獲得了貓爪動(dòng)態(tài)接地特性;利用3D激光掃描儀逆向拓?fù)湓O(shè)計(jì),獲取貓爪外形點(diǎn)云集,擬合得出貓爪掌墊曲線并用于乘用車輪胎胎冠設(shè)計(jì)。

2) 靜載與制動(dòng)工況下,仿生輪胎接地面積增加,肩部應(yīng)力集中現(xiàn)象得到緩解,抓地力提高,可保證輪胎穩(wěn)定的接地性能。一定程度上緩解了輪胎抓地與磨損性能之間的矛盾。

3) 穩(wěn)態(tài)側(cè)偏工況下,隨側(cè)偏角的增大,接地印跡由矩形變?yōu)樘菪?峰值壓力增大且接地面積逐漸減小。相比于樣胎,仿生輪胎可有效提升側(cè)向抓地力,緩解應(yīng)力集中,提高車輛的操縱穩(wěn)定性。