基于Abaqus的全鋼輪胎接地印痕仿真分析

張偉偉，王海艷，任世奪，張永鋒，張夢潔

[浦林成山（青島）工業(yè)研究設(shè)計有限公司，山東 青島 266042]

輪胎是汽車最重要的部件之一，車輛的承載、導(dǎo)向、驅(qū)動、加速及制動等性能主要通過輪胎與路面之間的相互作用來實現(xiàn)。因此研究輪胎與路面之間的接觸問題成為輪胎設(shè)計過程中必須考慮的因素，而輪胎的接地性能又主要通過接地印痕來體現(xiàn)[1]。

目前國內(nèi)輪胎企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計過程中主要通過兩種方式獲得接地印痕，一是通過靜負(fù)荷試驗對輪胎接地印痕進(jìn)行拓印，也稱為油墨印痕，二是通過壓力毯試驗。前者只能獲得接地印痕的形狀及尺寸等參數(shù)，進(jìn)行簡單的主觀判斷；后者則可以較為精確地得到接地印痕的形狀、尺寸以及壓力分布曲線。但這兩種方式都只能對成品輪胎的性能進(jìn)行測試。

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在輪胎設(shè)計的初始階段，采用有限元方法對輪胎接地印痕進(jìn)行仿真分析會大幅提高產(chǎn)品開發(fā)的效率，同時減少產(chǎn)品研發(fā)成本[2-5]。

本工作采用有限元仿真方法對不同胎冠弧設(shè)計方案的全鋼輪胎進(jìn)行接地印痕分析，驗證接地印痕的有限元仿真精度，并研究胎冠弧設(shè)計對接地印痕的影響。

1 研究方法

1.1 輪胎接地印痕形狀量化

輪胎接地印痕形狀參數(shù)用于定量描述接地印痕的形狀，如圖1所示。其中LX和LW分別為接地印痕長軸和短軸的長度，目前大部分輪胎公司評估接地印痕時普遍采用這兩個值來表征，LI和LO分別代表接地印痕內(nèi)外兩側(cè)80%短軸寬處的長軸長度。

圖1 輪胎接地印痕形狀參數(shù)

接地印痕的形狀系數(shù)（即矩形率，Cs）和左右對稱系數(shù)（Cm）計算如下：

Cs越接近1，接地印痕形狀越接近矩形；當(dāng)Cs小于1時，值越小，接地印痕形狀越接近蝴蝶形；當(dāng)Cs大于1時，值越大，接地印痕形狀越接近橢圓形。Cm代表內(nèi)胎肩和外胎肩的對稱程度，表征輪胎在加工過程中因工藝和設(shè)備等原因造成的不對稱性，其值越接近于1對稱性越好。

1.2 有限元模型的建立

本工作以215/75R17.5和315/70R22.5兩個規(guī)格輪胎為研究對象構(gòu)建輪胎材料分布圖，選用通用有限元分析軟件Abaqus進(jìn)行輪胎的充氣和加載分析。選用Yeoh本構(gòu)模型對橡膠材料進(jìn)行描述，骨架材料如胎體、帶束層結(jié)構(gòu)選用Rebar單元定義。二維充氣模型中，橡膠材料的單元類型分別采用CGAX3H和CGAX4H，骨架材料的單元類型采用SFMGAX1。三維加載分析中，橡膠材料分別采用雜交單元C3D6H和C3D8H，模型中簡化了花紋的橫溝和細(xì)小鋼片。

2 215/75R17.5輪胎接地印痕分析

2.1 胎冠弧設(shè)計方案

目前全鋼輪胎胎冠弧設(shè)計普遍采用一段弧或一段弧加直線的設(shè)計，胎冠弧設(shè)計方法對接地印痕的形狀有顯著影響。

215/75R17.5輪胎2個方案均采用一段弧加直線的設(shè)計方法，參數(shù)如圖2和表1所示。

圖2 215/75R17.5輪胎胎冠弧設(shè)計方案

表1 215/75R17.5輪胎不同方案胎冠弧設(shè)計 mm

2.2 仿真與測試結(jié)果分析

兩個方案輪胎接地印痕分析結(jié)果見表2。仿真和試驗輪胎接地印痕見圖3。

表2 215/75R17.5輪胎仿真與測試接地印痕參數(shù)對比

圖3 215/75R17.5輪胎仿真與測試接地印痕

由表2和圖3可見，方案1與方案2輪胎的仿真接地印痕長短軸尺寸差異在1%以內(nèi)，但是形狀差異很大，方案1輪胎的Cs為1.19，接地印痕形狀趨于橢圓形，而方案2輪胎的Cs為1.03，接地印痕形狀更接近矩形。

由表2還可以看出，與試驗接地印痕相比，仿真接地印痕的LX和LW準(zhǔn)確度達(dá)98%以上，LI和LO仿真準(zhǔn)確度達(dá)到99.4%以上，Cs和Cm仿真準(zhǔn)確度達(dá)到99%以上。試驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致性良好，且輪胎其他性能均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)過優(yōu)化，選擇方案2作為最終方案進(jìn)行試產(chǎn)。

3 315/70R22.5輪胎接地印痕分析

3.1 胎冠弧設(shè)計方案

315/70R22.5胎冠弧采用兩種設(shè)計方法，其中方案1′和方案2′為一段弧設(shè)計，方案3′為一段弧加直線設(shè)計，設(shè)計參數(shù)詳見圖4和表3。

圖4 315/70R22.5輪胎胎冠弧設(shè)計方案

表3 315/70R22.5輪胎不同方案胎冠弧設(shè)計 mm

3.2 仿真與測試結(jié)果分析

3個方案輪胎接地印痕分析結(jié)果見表4。由表4可見：方案1′與方案2′的h不同，胎冠弧半徑相差10%，Cs僅相差0.01；方案2′與方案3′的h相同，但是Cs卻相差0.03，接地印痕形狀差異較大。這說明胎冠弧設(shè)計中一段弧與一段弧加直線兩種設(shè)計方法和胎冠弧半徑是影響接地印痕形狀的主要因素。

表4 315/70R22.5輪胎仿真與測試接地印痕參數(shù)對比

3個方案接地印痕的仿真和測試結(jié)果見圖5。

圖5 315/70R22.5輪胎仿真與測試接地印痕

由圖5可見，方案3′輪胎仿真接地印痕呈“W”形，方案1′和方案2′輪胎仿真接地印痕形狀相近，均優(yōu)于方案3′輪胎。進(jìn)一步對比胎肩耐久性能，方案1′輪胎剪切應(yīng)變?yōu)?.493，小于方案2′輪胎的0.534，因此選用方案1′作為試產(chǎn)方案。

315/70R22.5輪胎方案1′接地印痕Cs遠(yuǎn)大于1，形狀趨于橢圓形，接地印痕參數(shù)仿真準(zhǔn)確度達(dá)94%以上，產(chǎn)品現(xiàn)已投入量產(chǎn)。

4 結(jié)語

在輪胎設(shè)計階段通過仿真技術(shù)對不同設(shè)計方案的輪胎接地印痕進(jìn)行評估，可擺脫僅靠設(shè)計人員的經(jīng)驗和主觀判定對輪胎接地印痕進(jìn)行評價的思路，能更好地指導(dǎo)設(shè)計，提高輪胎性能。

全鋼輪胎胎冠弧設(shè)計對接地印痕形狀具有顯著影響，胎冠弧是改善接地印痕的主要設(shè)計參數(shù)，行駛面弧度高和胎冠弧半徑共同影響接地印痕形狀。Cs和Cm可以量化表征接地印痕形狀，在后續(xù)工作中需繼續(xù)研究接地印痕肩部下沉量等參數(shù)對接地印痕的影響，從而更全面地表征輪胎接地印痕形狀。