輪胎制動性能FEM 仿真分析和評價

臧孟炎，張 彬

(華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510640)

前言

歐盟委員會制定的輪胎標簽法規EC1222/2009，自2012年11月1日起實施:要求在歐盟銷售的轎車胎、輕卡胎、卡車胎和公共汽車輪胎必須加貼標簽，標示出輪胎濕路面附著性能等3個性能的等級。歐盟作為我國輪胎出口的重要市場，新法規的出臺將對我國輪胎產業造成重要影響，提高輪胎的濕地制動性能已成為當務之急。本文中在光面輪胎干燥路面制動有限元分析的基礎上［1］，基于制動過程離散化分析方法［2－4］，使用有限元商用軟件Abaqus，仿真研究ABS正常作用下，不同胎面結構的205/55/R16型子午線輪胎在干燥路面的制動性能，并與對應試驗進行比較。仿真分析結果與試驗的良好一致性，不僅說明干燥路面制動仿真分析方法有效，也為后續的輪胎濕滑路面制動性能的仿真研究和濕地抓著性能的優化設計，提供了一種有效的數值評價方法。

1 制動距離計算原理

汽車制動過程長達數秒，冗長的計算時間和數據累計誤差，使顯式有限元方法完全模擬這一過程難以實現，且沒有實際工程意義。本文中采用文獻［2］～文獻［4］中提出的離散化方法，將制動過程按速度離散化，如將初速度100km/h的制動過程離散成10個速度區間(100－90，90－80，…，20－10，10－0)，使用顯式有限元軟件分別對各離散速度下輪胎的制動狀態進行仿真分析，求得不同離散制動速度下輪胎接地區域節點與路面間的法向作用力和滑移率，并利用式(1)和式(2)分別求得各離散速度下的制動器摩擦熱損失率和輪胎摩擦能量損失率。通過插值方法獲得制動器摩擦熱損失率、輪胎摩擦能量損失率和制動速度的關系曲線。

離散化分析方法對制動距離仿真估計的正確性很大程度上取決于所采用的制動輪缸壓力pc(v)隨速度變化的可靠性。本文中通過輪胎的動態平衡分析得到制動輪缸壓力隨制動速度的變化關系。在0－100km/h的速度區間內，輪胎的振動頻率遠小于滾動輪胎1階固有頻率，因此不考慮輪胎的周向扭轉振動傳遞效應［5－7］。

假設汽車制動過程中的動能全部被制動器的摩擦熱損失和輪胎摩擦能量損失所消耗，每個離散速度區間對應的制動時間增量可由式(3)求得。在制動過程中輪缸壓力輸出與制動速度間存在明顯的非線性變化關系，把所分10個速度區間 Δvi=［vi－1，vi］(i=1，2，3，…，10)再次細分成100)以提高仿真估計的精度。在每個離散的小速度區間內，制動時間增量可通過式(4)獲得。再由式(5)得出總制動時間和制動速度隨時間變化關系，最后通過式(6)求出制動距離。

事實上，制動過程中的能量損耗還包括風阻帶來的能量損耗等，這些能量損耗與制動盤的摩擦熱損失、輪胎摩擦能量損失相比較小，為簡化計算模型，本文中忽略不計。

制動仿真模型中ABS的作用通過控制輪胎的滑移率來實現。由于汽車前后車輪軸荷不同，所以應針對前后輪分別計算制動器的摩擦熱損失率和輪胎摩擦能量損失率。本文中的試驗結果是汽車進入穩定制動狀態后測得的，仿真模型與試驗一致，沒有考慮輪胎的高頻特性［8］，由于ABS的作用，車輪未抱死前制動力接近地面最大附著力，認為減速度保持不變，故未考慮軸荷轉移和減速度的耦合作用。

2 仿真模型的建立

采用上述制動過程離散化分析方法，仿真分析3種胎面結構的205/55/R16型子午線輪胎，即A款花紋、B款花紋(見圖1)和光面輪胎在干燥路面上的制動距離，其中A款花紋是左右反對稱變節距花紋，B款花紋是左右非對稱變節距花紋。

光面輪胎具有軸對稱的結構特點，可以簡單地實現胎面與胎體共節點的有限元網格劃分。A、B款胎面花紋的結構復雜，胎面與胎體共節點網格劃分難以實現，本文中采用單獨網格劃分，然后加以組裝，最后在胎面和胎體的結合面添加固結約束的方式完成。圖2為A、B款花紋胎面的有限元網格。圖3為胎面花紋與胎體結合的有限元模型。

子午線輪胎中的簾布、胎冠、胎體與胎圈內嵌鋼絲簾線，分別使用rebar加強筋單元嵌入橡膠基體單元的方法模擬骨架材料對輪胎橡膠的增強作用。使用yeoh本構關系模型［9］和泊松比0.495模擬橡膠材料特性，鋼絲簾線則使用線彈性材料［10］。

各離散速度下干燥路面輪胎制動特性有限元分析包括汽車自重加載、車輪加速和輪胎制動狀態分析，其目的在于獲取輪胎接地區域的壓力和滑移率分布，以求得輪胎摩擦能量損失率和制動盤摩擦熱損失率［1］。

3 仿真與結果評價

與仿真對應的試驗車輛為前后輪均為盤式制動器的奔騰B70(2.0L，MT)汽車。實車制動試驗在襄樊試驗場進行，試驗方法參照 GB/T 21910—2008［11］，分別使用 A、B 款花紋和光面輪胎，測試干燥路面上汽車從100km/h開始制動到靜止的制動距離。表1為本試驗用車的相關參數。

表1 制動試驗用車相關參數

利用表1中提供的試驗車輛相關參數，對100，90，…，10km/h速度下的3款胎面結構輪胎制動有限元模型進行仿真，將仿真結果代入式(1)，分別求得前、后輪制動盤摩擦熱損失率與制動速度的關系，如圖4所示。制動盤摩擦熱損失率隨制動速度的降低而單調下降，制動速度在20km/h以下區間，ABS失效車輪抱死，制動盤摩擦熱損失率為零。

同理，利用式(2)求得前、后輪胎摩擦能量損失率與制動速度的關系曲線如圖5所示。由于ABS在速度20km/h以下失效，在30－20km/h的速度區間內，輪胎滑移率從15%提高到100%，因此輪胎摩擦能量損失率有一個上升過程，在其它區間輪胎摩擦能量損失率均隨制動速度的降低而下降。

仿真分析制動距離大于試驗值的原因，主要在于為了簡化分析模型，沒有考慮制動過程中汽車風阻、輪胎的遲滯效應和汽車傳動部分的能量損耗等。

表2 3款輪胎制動距離的仿真與試驗結果

4 結論

以205/55/R16型子午線輪胎為研究對象，基于制動過程離散化分析方法，使用有限元商用分析軟件Abaqus，仿真研究了3種胎面結構輪胎在干燥路面上的制動性能，并進行了相關制動試驗。制動距離的仿真結果與試驗基本一致，說明了輪胎制動過程離散化仿真分析方法的有效性。這一工作為輪胎濕路面附著性能的仿真評價奠定了重要基礎。

［1］臧孟炎，陸波，陳玉祥.干燥路面上輪胎制動距離的FEM仿真［J］.汽車工程，2011，33(2):156 －161.

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［10］Simulia Software Corporation，ABAQUS6.10 －1(Documentation)［G］.Abaqus Analysis User's Manual，2010.

［11］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 21910—2008轎車輪胎濕路面相對抓著性能試驗方法［S］.北京:中國標準出版社，2008.