子午線輪胎接地特性與胎冠溫度場關系的研究

王國林，童 鑫，董自龍，徐海青

（江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013）

現代車輛的發展對輪胎性能提出了越來越高的要求。據交通管理部門統計，每年發生在高速公路上的交通事故有46%是由于輪胎故障引起的，其中爆胎占70%[1]。爆胎現象的發生與輪胎的溫度升高有直接關系，輪胎溫度的升高會導致胎壓升高，尤其在夏季，極易引起爆胎。因此對輪胎溫度場進行研究能夠在一定程度上提升輪胎的使用壽命及行車安全性。

輪胎是汽車與地面接觸的唯一部件，接地區域橡膠的遲滯損失是輪胎生熱的主要原因。目前對輪胎胎冠溫度影響的研究主要集中在胎面膠配方方面[2-5]，晉琦[6]分析了帶束層角度和簾線密度與輪胎溫度的關系，提出帶束層結構對帶束層端部的溫度具有顯著影響。J.Song[7]通過輪胎疲勞試驗得出帶束層復合材料疲勞過程中溫度上升率與疲勞壽命之間有一定線性關系。J.R.Cho等[8]研究了不同花紋結構對胎冠溫度的影響，得出在不同行駛速度下的輪胎遲滯損失總能量和輪胎最高溫度，提出了一種較優的輪胎花紋設計方案。可見胎冠結構與溫度有緊密聯系，同時還與輪胎的耐磨性、滾動阻力、抓著性能、抗水滑性能以及低噪聲性能緊密相關。因此對胎冠溫度場的研究有重要意義。

本工作對輪胎接地特性和胎冠溫度場進行分析，探索接地特性與胎冠溫度場的相關性。

1 輪胎胎冠溫度場和接地特性的描述

1.1 輪胎胎冠溫度場

為便于分析，采用胎冠最高溫度、胎冠中心最高溫度與帶束層端部最高溫度的差值和胎冠高溫區與胎冠面積的比例等參數對胎冠溫度場特性進行描述。

1.2 輪胎接地特性

輪胎接地特性分為兩類[9]：（1）輪胎接地幾何特性，描述接觸區域的形狀特征；（2）輪胎接觸力學特性，描述接觸區域的接地力學特征。

接地幾何特性包括接地面積、印痕面積、接地面積比、接地海陸比、胎面接地長度、胎面接地寬度、接地系數、接地形狀系數、接地長軸系數（DOFavg稱為第二長軸系數，LFavg稱為第三長軸系數）和形狀對稱度；接觸力學特性包括硬度系數、接地壓力偏度值、接地偏心距和平均接地壓力。通過應用軟件TFAS[9]（tire footprint analysis system）對試驗結果或有限元分析結果進行處理，可以準確獲得描述輪胎接地特性的參數。

2 數值試驗

2.1 有限元模型

以全鋼載重子午線輪胎385/55R22.5為研究對象，建立輪胎結構的有限元分析模型，如圖1所示。橡膠部分采用CGAX3H和CGAX4H單元模擬，橡膠材料采用YEOH本構模型[10]，鋼絲簾線部分采用Rebar(加強筋)單元簡化。輪輞和地面定義為解析剛體。

圖1 385/55R22.5輪胎有限元模型

2.2 仿真試驗方案設計

帶束層是子午線輪胎結構的核心，決定著充氣子午線輪胎的形狀以及由內充氣壓力引起的輪胎各部件初始應力[11]，而輪胎性能與其輪廓密切相關[12]。為對比分析輪胎結構對胎冠溫度的影響，本工作進行了帶束層結構和輪胎內輪廓設計，制定如下分析方案?，F行理論設計內輪廓：1#方案—原生產方案，2#方案—第1、第2和0°帶束層分別加寬4，9.2和9.2 mm，3#方案—第1和第2帶束層角度均增大5°，4#方案—帶束層寬度和角度增大，數值同2#和3#方案，5#方案—4層帶束層，6#方案—胎肩處胎面弧高增大6 mm，7#方案—胎面兩段弧設計，8#方案—仿生胎面弧設計；新非平衡理論設計內輪廓：9#方案—“3＋0°”帶束層，10#方案—4層帶束層，11#方案—“3＋0°”帶束層、仿生胎面弧設計，12#方案—4層帶束層、仿生胎面弧設計。其中，現行理論設計內輪廓為該型號輪胎生產所采用的內輪廓；新非平衡理論設計內輪廓為采用文獻[13]的方法設計內輪廓；胎面弧設計方案采用文獻[14]中的方法進行設計。內輪廓設計、胎面弧設計和帶束層結構如圖2所示。

圖2 方案設計

3 結果與討論

輪胎溫度場分析方法和流程參見文獻[15]。分析時采用該型號輪胎的標準負荷和充氣壓力，分別為42 500 N和830 kPa，滾動速度為60 km h-1，各方案的溫度場和接地特性分析結果見表1。

由表1可知，輪胎的結構設計參數對胎冠溫度影響較大。12#方案胎冠溫度最低，2#方案的胎冠溫度最高。通過對比1#與5#、9#與10#、11#與12#方案發現，在內輪廓相同的條件下，4層帶束層結構胎冠最高溫度低于“3＋0°”帶束層結構，這是因為4層帶束層結構加大了對胎冠的箍緊作用，減小了輪胎的徑向變形，從而減小了胎冠的遲滯生熱；對比9#與11#、10#與12#方案得出，在內輪廓相同的條件下，仿生胎面弧可以顯著降低胎冠最高溫度，因為仿生胎面弧采用類似于雙胎并裝的原理，使胎面受到的壓力更加均勻，減小了胎面膠的變形，從而降低了胎冠最高溫度；相較于現行理論設計內輪廓，采用新非平衡理論設計內輪廓的輪胎不僅胎冠中心與帶束層端部的溫度差小，而且胎冠最高溫度也有大幅降低。

表1 不同結構設計方案所對應的部分接地特性參數和胎冠溫度的仿真分析結果

3.1 胎冠高溫區面積比

輪胎在行駛過程中的周期變形以及與路面之間的摩擦造成隨滾動速度提高輪胎內溫度迅速上升[16]。試驗表明，當輪胎溫度由0 ℃上升到100 ℃時，橡膠的強度以及與簾線的粘合力將下降50%左右，簾線的抗拉強度也將受到削弱[17]。反復的熱損傷加速了橡膠的老化變質、簾線剝離折斷等進程，輪胎強度由此受到嚴重削弱。熱損傷與機械損傷一樣，都是一個累積的過程。可以推斷，胎冠高溫區面積的增大使由溫度造成的損傷增加，從而增大了輪胎發生熱疲勞破壞的趨勢。

設溫度在90 ℃以上的區域為高溫區域[17]。高溫區在胎冠面積的比例見表2。由表2可知，2#方案的高溫區域面積最大，其在滾動過程中受到熱損傷的累積也最大，其次是6#方案。對比1#，2#和3#方案可以看出，胎冠高溫區面積隨著帶束層寬度的增大而增大，隨著帶束層角度的增大而減小；對比1#和8#方案可知，使用仿生胎面弧可以減小胎冠高溫區面積；6#方案增大了胎冠弧的高度，從而增大了胎面膠的體積，使得胎冠生熱增加而散熱困難，因此出現較大的高溫面積；使用新非平衡理論設計內輪廓的輪胎胎冠均未出現高溫區域，且胎冠溫度梯度也很小，因此優化內輪廓的設計對改善胎冠溫度分布有顯著作用。

表2 高溫區占胎冠面積的比例 %

3.2 主成分回歸分析

利用分析結果，采用主成分分析方法[18]建立接地特性參數與胎冠溫度的關系，分析流程如圖3所示。采用z-score標準化方法對數據進行標準化處理，其計算公式為

圖3 主成分回歸分析流程

式中，x j為指標量平均值，var（xj）為其方差。

3.2.1 胎冠最高溫度的主成分回歸

經過分析得出以下接地參數與胎冠區域最高溫度具有較強的相關性：接地寬度、接地面積、印痕面積、平均接地壓力、接地壓力偏度值和硬度因數，標準化后分別為X1，X2，X3，X4，X5，X6，最高溫度為Y，關系式如下：

可以看出，接地寬度、接地面積和印痕面積為負向指標，其余為正向指標。其中影響較大的依次是平均接地壓力、接地面積和硬度因數；影響較小的依次是接地寬度、接地壓力偏度值和印痕面積。由于輪胎在滾動中，橡膠材料的應變滯后于應力，從而使輪胎產生遲滯生熱[6]。而平均接地壓力、接地面積和硬度因數都是與輪胎形變緊密相關的接地參數。接地面積大使更多的橡膠發生變形，導致胎冠溫度高；硬度因數越大，產生的形變越小，導致胎冠溫度低。

3.2.2 胎冠中心與胎肩溫度差的主成分回歸

分析得出與胎冠分布有較強相關性的接地參數如下：接地長度、第二長軸系數、第三長軸系數、接地系數、接地形狀系數，標準化后分別為Z1，Z2，Z3，Z4，Z5，溫度差為響應變量F，關系式如下：

式（3）說明這些參數對溫度分布的影響基本處于同一水平，第三長軸系數為負向指標，其余為正向指標。輪胎接地形狀系數定義為接地印痕外輪廓對應的幾何形狀的4個外角和與360°的比值。接地形狀系數大于1時，表示接地印痕形狀是內凹的，胎冠最高溫度在帶束層端部；接地形狀系數小于1時，表示接地印痕形狀為外凸的，胎冠最高溫度在胎冠中心[9]。

3.2.3 胎冠高溫區面積比的主成分回歸

分析得出與胎冠高溫區面積比有較強相關性的接地參數是接地長度、第二長軸系數、接地系數和接地形狀系數，標準化后分別為K1，K2，K3，K4，高溫區面積比為響應變量S，關系式如下：

式（4）說明這些參數對胎冠高溫區面積比的影響基本處于同一水平，且所有接地參數均為負向指標。在相同的使用條件下，接地長度、第二長軸系數、接地系數和接地形狀系數的增大，都會使高溫區的面積減小。

4 結論

采用數值仿真技術對比分析了載重子午線輪胎385/55R22.5的12個不同結構設計方案的胎冠溫度場。利用TFAS軟件得到了不同方案的接地特性參數，并研究了胎冠溫度場與接地特性參數之間的關系，得出如下結論。

（1）增大胎冠弧的高度會導致胎面溫度上升；使用仿生胎面弧則會大幅度減小胎冠的高溫區域，使得輪胎使用更加安全。

（2）使用新非平衡設計內輪廓可以有效降低胎冠整體溫度，且使胎冠的溫度梯度減小，溫度分布更加均勻，內輪廓參數對胎冠溫度分布有顯著影響。

（3）輪胎接地特性參數中，平均接地壓力、接地面積和硬度因數對胎冠溫度影響較大；接地寬度、接地壓力偏度值和印痕面積對胎冠溫度影響較小。其中接地寬度、接地面積和印痕面積為負向指標，其余為正向指標。

（4）在輪胎接地參數中，輪胎接地形狀與胎冠溫度分布密切相關，采用高溫分布這一新的評價指標有利于對比不同輪胎結構對輪胎熱疲勞破壞的影響。

（5）胎冠溫度場與評價指標參數有較強的相關性。對于同一型號輪胎，相同使用條件下，可以得到接地特性參數和胎冠溫度的回歸方程，以預測和評價胎冠的熱性能。