載重車輛翻新輪胎接地壓力特性仿真及試驗研究＊

齊曉杰 于建國

（東北林業大學交通學院1） 哈爾濱 150040） （黑龍江工程學院汽車與交通工程學院2） 哈爾濱 150050）

隨著我國公路里程的快速延長，長距離、高速載重車輛運輸里程逐年提高，為降低運輸成本，節約橡膠資源和節能環保，翻新輪胎已經被普遍應用.但由于對翻新輪胎翻新工藝和使用方面還缺乏深入的研究，導致翻新輪胎在使用中經常出現早期磨損、老化及撕裂等失效現象頻繁發生，因此，進行翻新輪胎力學特性方面的研究具有重要意義.翻新輪胎貼合胎面是使用膠煉機出片后進行熱翻或冷翻，不僅二次粘附后與胎體的結合性能與新輪胎相比存在一定的差異，而且粘附胎面的接地力學性能也會發生變化［1－3］.

1 翻新輪胎接地力學描述

翻新輪胎的接地面積、接地壓力在仿真分析及試驗研究基礎上可采用如下公式進行計算，翻新輪胎與同型號同品牌的新輪胎相比，翻新輪胎的接地面積較新輪胎的要小，平均接地壓力較新輪胎的要大.

1）接地長度、寬度和面積公式［4］

接地面積

式中：D為輪胎直徑；δ為輪胎直徑；B0為胎面寬度；s，t為經驗系數；λ為系數，當b＜0.95B0時，λ＝0；當b≥0.95B0時，λ＝1.

2）接地壓力公式 各國學者在進行輪胎的力學特性分析時，采用梯形和拋物線形等不同的表達形式來模擬輪胎的垂直壓力分布.本研究借鑒日本學者Sakai提出的接地壓力方程：

翻新子午線輪胎n＝4

3）平均接地壓力公式 輪胎載荷除以接地面積即得平均接地壓力，并用下式表示

式中：pg為接地平均壓力，Pa；W 為輪胎載荷，N；A為接地面積，m2.

2 接地力學特性有限元仿真

1）建模及定義單元類型 11R22.5翻新輪胎胎面層、緩沖層、胎體層3部分層合結構的復合材料［5］幾何模型如圖1所示，利用ANSYS層單元對輪胎進行模擬，采用的單元類型為Solid46，接觸問題中采用CONTACT173接觸單元和TARGET170接觸單元用來模擬輪胎與剛性地面的接觸，路面采用的單元類型為Plane42.

圖1 層合結構幾何模型

2）定義材料屬性及創建有限元模型 將翻新輪胎胎面層、緩沖層視為各項同性材料，其彈性模量由實驗測得.翻新輪胎胎體視為正交各向異性材料，根據各向異性的彈性體力學本構方程，胎體為橫向同性鋼絲簾線／橡膠復合材料，其材料整體特性參數測定較為困難［6－7］.為此，本文以復合材料力學中典型的0°排列復合平板模型為基礎，結合鋼絲簾線／橡膠復合材料的力學特點，部分參數實驗測定，胎體材料整體特性參數采用Gough－Tangorra公式［8］計算得出.瀝青路面彈性模量［9－10］為EX＝1.6×109Pa，泊松比為 PRXY＝0.25.建立的有限元模型如圖2所示，有限元模型中共有個170 071單元，69 366個節點.

圖2 有限元模型

3）施加邊界條件及約束 將輪胎與輪輞的接觸面進行ALL DOF全約束，輪胎與地面接觸面建立接觸對，定義輪胎為變形體，地面為剛體，接觸摩擦系數設定為0.7，接觸模型如圖3所示.

4）施加載荷并求解 在翻新輪胎有限元模型的內表面分別施加830 k Pa（標準充氣壓）、730，630，530 k Pa的壓力，并在輪胎的垂直平面內施予與無負荷輪胎接觸的地面相對于輪胎一定位移，即為輪胎的固定下沉量.采用大變形非線性進行求解，收斂準則和加強收斂的措施采用以作用力F為主，位移U為輔的收斂判據，迭代運算次數為70次.

圖3 接觸對的建立

3 有限元仿真結果分析

1）接地中心區域壓力分析 圖4所示為翻新輪胎的接地應力云圖，分析可知，接地中心區域的壓力值為138 478 Pa，接地中心周圍的壓力值為348 360，625 316 Pa，說明在接地中心區域的壓力值最小，而接地中心周圍沿輪胎滾動及寬度方向壓力值均增大.圖5為不同工況下接地中心區域壓力值曲線，分析可知，垂直載荷較低時，接地中心的壓力值較大，隨著載荷的增加，接地中心的壓力值減小，變化規律近似線性，而且接地中心區域的壓力值和充氣壓力有關，載荷一定時，充氣壓力越高，接地中心區域壓力值越大.

圖4 接地中心區域壓力分布

2）接地壓力分布狀況分析.在圖6所示的接地曲線上選取8個節點，即位于胎肩部位的節點27 203，28 389，2 839，28 393，28 394，27 198和位于接地中心部位的節點28 391，28 392，并取得各節點在不同工況下的壓力值.本文列舉了充氣壓力830 k Pa（標準充氣壓力）、3 000 kg（標準載荷）2種工況的接地壓力分布曲線見圖7～8.從圖中可以看出，翻新輪胎的接地壓力分布曲線近似拋物線形狀，胎肩部位壓力較大，接地中心區域壓力較小.充氣壓力一定時，隨著載荷的增大，最大接地壓力點移向胎肩兩側，載荷越大，胎肩部位的壓力值越大，而接地中心區域的壓力值變化不明顯，說明載荷變化對輪胎胎肩區域的壓力值影響較大，對輪胎中心區域的接地壓力值影響較小.載荷一定時，隨著充氣壓力的增大，胎肩部位和接地中心區域的壓力值均減小，說明充氣壓力變化對輪胎胎肩區域和接地中心區域的壓力值均有較大影響.由此，可以說明翻新輪胎胎面撕裂失效的部位常出現在胎肩部位.

圖5 不同工況下接地中心區域壓力值

圖6 接地曲線選取

圖7 充氣壓力830 k Pa不同載荷下接地壓力分布

3）接地面積分析.不同工況下的接地面積曲線如圖9所示.從圖中可看出，充氣壓力一定時，隨著輪胎載荷的增大，接地面積增大，增大趨勢近似線性規律；載荷一定，隨著充氣壓力的減小，接地面積增大.此仿真結果與輪胎實際工況吻合.

圖8 載荷3 000 kg不同充氣壓力下接地壓力分布

圖9 不同工況下接地面積曲線

4 翻新輪胎接地力學特性試驗研究

1）試驗方法 翻新輪胎接地力學特性試驗裝置簡圖如圖10所示.試驗中，加載力F2與輪胎支反力F1（載荷）存在以下關系：F2×a＝F1×b（其中b＝2a），即F2＝2F1.不同載荷、充氣壓力下的接地壓力值由壓力傳感器6測定.接地面積由測力板上留下的壓痕面積來進行標定.

圖10 接地力學特性試驗裝置簡圖

2）試驗結果及分析 圖11，12為接地壓力和接地面積實測曲線圖，從圖中可以看出，接地壓力曲線近似拋物線形狀，接地面積曲線近似線性規律，實測結果與經驗公式計算、有限元模型仿真結果有較好的一致性.圖13為翻新輪胎與同品牌同型號的新輪胎充氣壓力為830 k Pa時接地面積對比曲線，分析可知，相同載荷情況下，翻新輪胎的接地面積較新輪胎小，主要原因是翻新輪胎由于存在一定程度的老化，其彈性性能發生變化，導致翻新輪胎的徑向變形比新輪胎小，根據構建的接地力學特性數學模型可知，翻新輪胎的接地長度變小，從而使其接地面積較新輪胎要小.

圖11 接地壓力實測曲線

圖12 接地面積實測曲線

圖13 接地面積對比曲線

圖14 a），b），c）表示充氣壓力為830 k Pa時不同載荷下11.00R22.5型翻新輪胎的接地印痕.從圖中可以看出，充氣壓力一定，隨著輪胎載荷的增加，接地長度、寬度和面積都有不同程度的增加.在試驗所用充氣壓力及側向力、外傾角均為零的條件下，翻新輪胎印跡面積隨垂直載荷的增加而增大，載荷小時輪胎在接地中心附近區域與地面接觸，印跡近似圓形（如圖14a））.當垂直載荷增加到某一定值時，輪胎將在整個寬度上與地面接觸（如圖14b））印跡近似為橢圓形，垂直載荷再繼續增加，輪胎印跡寬度不變，印跡長度增加，印跡面積增大，印跡近似矩形（如圖14c））.這與輪胎的接地形狀大多介于矩形和橢圓形之間的結論相吻合.從圖14所示中還可以看出，翻新輪胎胎面上一點的接地壓力分布與輪胎的充氣壓力、輪胎所受載荷、行駛工況和該點在胎面上的位置有關.載荷變化對輪胎胎面中心區域的接地壓力值影響較小，印痕較淺，對胎肩區域的接地壓力值影響較大，印痕較深，這與經驗計算及仿真分析結果相一致.

5 結 論

圖14 充氣壓力為830 k Pa時不同載荷下的印跡

1）翻新子午線輪胎在接地區域中心部位的壓力值最小，向胎肩兩側部位逐漸增大.

2）充氣壓力一定，翻新輪胎隨著載荷的增大，胎肩部位的壓力值越大，而接地中心區域的壓力值變化較緩慢，說明載荷變化對翻新輪胎胎肩區域的壓力值影響較大，對翻新輪胎中心區域的接地壓力值影響較小.載荷一定時，隨著充氣壓力的增大，胎肩部位和接地中心區域的壓力值均減小，說明充氣壓力載荷變化對翻新輪胎胎肩區域和接地中心區域的壓力值均有較大影響.

3）充氣壓力一定，翻新輪胎隨著輪胎載荷的增大，接地面積增大，增大趨勢近似線性規律；載荷一定，隨著充氣壓力的減小，接地面積增大.仿真分析與實測表明，翻新輪胎與同牌同型號的新輪胎相比，其接地面積較新輪胎要小.

4）充氣壓力一定，翻新輪胎的接地印痕隨垂直載荷的增加而增大，從圓形變成橢圓形并當垂直載荷增加到某一定值時近似矩形，實測試驗表明印痕中心較其他部位顏色淺，進一步驗證了輪胎接地中心區域的壓力值較小.

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