胎面溝槽內異物對輪胎接地特性的影響

張重陽，王旭飛，王 蒙，譚 飛，焦登寧

（陜西理工大學 機械工程學院，陜西，漢中 723000）

汽車在行駛過程中由輪胎和地面接觸所產生的輪胎力，為車輛牽引和操縱提供了必不可少的條件。產生輪胎力的區域即輪胎與路面接觸區，常用接地性態來表征，其特性能夠反映路面與輪胎之間的力學特性，并對輪胎磨損與滾動阻力產生重要影響[1]。因此，準確研究輪胎接地壓力分布及接地面積大小是一項非常重要的工作，考慮道路及環境因素的影響更是對于提高車輛操控性、減少輪胎異常磨損及提高輪胎抓地性能有重要的指導意義。

由于汽車在行駛過程中與路面的相互作用使胎面產生復雜的變形，所以很難精準地對其進行表達，國內外學者使用了理論解析法[2]和有限元法[3]對輪胎接地特征進行了大量研究。CARBOBNE 等[4]揭示了輪胎胎面橡膠花紋塊的變形方向會顯著影響輪胎與路面之間的摩擦因數。SIVARAMAKRISHNAN[5]研究表明胎面花紋的變形對輪胎接地壓力分布有直接影響，并提出控制花紋變形來提升抓地力。俞淇等[6]采用壓力板法測試輪胎靜負荷下不同氣壓、不同載荷及不同花紋接地壓力分布的差異。王國林等[7]利用輪胎接地壓力測量系統對輪胎靜態及滾動狀態下的接地特性開展試驗研究，結果表明，隨著氣壓的增大，接地壓力分布趨于均勻，相比靜態條件下，滾動狀態下的輪胎接地壓力分布更均勻。劉連波等[8]從輪胎接地特性參數角度研究表明輪胎接地壓力分布均勻，胎肩與其它部位壓力接近，會增加輪胎耐磨性。目前的研究主要針對輪胎內部結構參數的變化會影響胎面接地特性和印跡形狀[9]，而對于道路上的外在因素如道路上的異物、嵌入輪胎面溝槽的異物等對于接地壓力分布的影響及變化趨勢少有研究。已有文獻證明輪胎花紋的變化影響接地壓力的分布[10]，本文針對輪胎縱向花紋溝槽嵌入異物對輪胎接地特性的影響進行研究。

以205/55 R16 輪胎為例，考慮輪胎實際使用中帶有復雜花紋，建立了S 型、Z 型、縱溝3 種不同類型的花紋輪胎簡化模型。基于子午線輪胎、路面和異物模型的整體有限元模型，研究靜態工況下改變異物大小對輪胎接地壓力分布、分布離散度與有效接地面積的影響規律，為減少輪胎異常磨損提供參考。

1 輪胎有限元模型

1.1 模型的建立

輪胎由多種復合材料構成，因此具有材料非線性、結構非線性和幾何非線性等特點。根據205/55 R16 輪胎設計尺寸和結構特點，利用AuToCAD 繪制輪胎二維斷面圖，將其導入Abaqus 后進行網格劃分，橡膠基體采用CGAX3H 和CGAX4H 單元網格，膠料參數引用文獻[11]，選用Yeoh 超彈性本構模型描述其力學特性。橡膠-簾線復合材料用Rebar 單元模擬，得到二維有限元模型（圖1），采 用“Symmetric Model Generation，Revolve” 旋轉命令將軸對稱二維截面圖旋轉360°生成輪胎三維模型，橡膠基體單元網格相應擴展為C3D6H、C3D8H 單元，Rebar 單元類型為SFM3D4R。模型共44 280 個單元、50 400 個節點。路面用長400 mm、寬200 mm、高20 mm 的平板代替，異物用一定直徑的圓球代替。路面和圓球均視為剛體，最后進行輪胎、路面和異物的裝配，如圖2 所示。

1.2 模型的驗證

為驗證有限元模型的準確性，進行了輪胎靜負荷工況下垂向位移仿真分析，仿真中輪胎參數設置如下：胎壓為0.24 MPa，徑向載荷以1 000 N 為起點，載荷步長為1 000 N，最大為5 000 N，將得到的輪胎垂向位移隨載荷變化仿真數據與文獻[11]中的試驗數據相對比，結果如圖3 所示。

圖3 輪胎垂向剛度特性曲線

由圖3 可知，垂向位移仿真曲線和試驗曲線表現出良好的一致性，驗證了模型的準確性，說明該模型是合理的。圖4 為輪胎靜負荷狀態下的接地印跡示意圖。

圖4 接地印跡示意圖

2 輪胎有限元仿真

2.1 仿真方案

影響輪胎在使用過程中胎面變形導致輪胎異常磨損的因素有很多，比如駕駛員的駕駛習慣，胎面花紋的布局、胎壓等一系列輪胎結構參數，還會受到環境、路面條件的影響，所以用輪胎自身參數來衡量胎面的異常磨損有一定的局限性。因此，本文通過改變異物直徑來研究胎面溝槽嵌入異物時的接地壓力分布特征。參考商用輪胎縱溝花紋一般以3 ～4 條為主，并輔以細小花紋，主要分為Z 型和S 型，因此建立相同規格不同類型的3 種花紋，如圖5 所示，寬w1-5和高d1-2分別代表花紋典型位置處的溝槽尺寸，簡化了溝槽槽底傾角，測量了各類型輪胎花紋溝槽在標準氣壓0.24 MPa 下的槽寬與槽深，具體參數見表1。鋼球直徑φ的初始值等寬于輪胎標準氣壓下的溝槽寬度，并依次以0.3 mm 增量遞增，最大值為12.33 mm，仿真在隱式工況下模擬輪胎充氣，綁定鋼球與路面，建立與輪胎的接觸面，最后對輪胎中心參考點施加載荷4 707 N，鋼球與溝槽摩擦因數為0.2，模擬方案編號及參數見表2。由于輪胎嵌入異物主要分布于縱向溝槽，單獨對縱向溝槽進行有限元模擬是為了與Z 型、S 型花紋輪胎進行對比，以便考察橫向花紋溝嵌入異物對接地特性的影響，同時橫向溝槽參數的變化使影響趨勢更加明顯，所以后續分析中均以只含有縱向溝槽的花紋輪胎為主要表述對象。

圖5 不同花紋溝槽尺寸示意圖

表1 不同類型花紋溝槽尺寸

表2 方案設計和鋼球直徑參數

2.2 接地壓力分布評價

由于異物嵌入位置一般不在輪胎面的對稱平面上，所以造成了胎面接地壓力分布不均。平均接地壓力的大小直接影響輪胎的抓地性能[12]，較大的平均接地壓力會導致輪胎磨損較嚴重，同時也是路面破壞的重要影響因素。為了更直觀地分析靜態工況下輪胎溝槽嵌入異物的接地壓力分布特點，選取接地區域縱向16 個節點，橫向40 個節點的接地印跡圖，把接地區域劃分為8 個部分，命名為A-H，如圖6 所示，每個區域的壓力取區域內所有受力節點上壓力的均值，計算公式為：

式中：n為區域內受力節點的個數；pi為第i個節點的壓力值。得到8 個區域的胎面壓力分布均值，再引入接地壓力偏度值來衡量輪胎胎面接地壓力分布離散程度，計算公式為：

圖6 接地印跡區域劃分

圖7 接地印跡區域坐標

由表3 可知，當輪胎初始條件參數保持不變，僅改變鋼球直徑單一參數變量時，由接地印跡圖可看出鋼球直徑與輪胎溝槽距離等寬時，因溝槽為倒置的梯形狀，載荷作用下由于鋼球擠壓，在接地處形成了橢圓形的空區域，主要集中在鋼球左右兩側，且縱向花紋中心接地處壓力減小；隨著剛球直徑增加，溝槽與鋼球接觸的區域由于橡膠的不可壓縮性，致使胎面和路面形成的空區域體積增加，空區域增大方向由橫、縱向兩個方向同時進行，由接地印跡評價參數與鋼球直徑關系圖（圖8）可以看出空區域縱向擴展初始速率高于橫向，當靠近胎肩一側的空區域形成梯形時，改向中心花紋溝槽接地面處擴展，最終擴展為關于鋼球相對等的梯形。這是因為輪胎在一定負荷下，輪胎胎肩與花紋中心處壓力較高，花紋溝槽兩側邊緣壓力較低，鋼球嵌入位置處于溝槽中，所以空區域首先沿著壓力較低的區域擴展，又因鋼球直徑增大，與溝槽擠壓達到了一定限度后，改為橫向擴展。3 種類型花紋輪胎接地印跡面積均隨鋼球直徑增大呈現出非線性下降。S 型輪胎與Z 型輪胎由于橫向花紋溝的存在，由圖8 可知，兩者接地印跡面積均小于縱溝輪胎，其中S 型輪胎在相同方案下接地印跡面積最小且下降趨勢最快，這是因為其橫向溝槽尺寸最小，所以導致異物嵌入溝槽影響最顯著。

表3 縱溝花紋輪胎在不同方案中的接地壓力分布及印跡評價參數

3 種不同花紋類型輪胎平均接地壓力與接地壓力偏度值參數隨鋼球直徑的變化曲線，如圖9 所示。由圖可知，帶有S 型和Z 型花紋輪胎與僅帶有縱溝的花紋輪胎相比，其平均接地壓力與偏度值較高，這是因為S 型、Z 型花紋輪胎帶有橫向溝槽，相同載荷下接地面積減少，導致平均接地壓力增大，加劇了輪胎的正常磨損；3 種花紋輪胎接地壓力偏度值均表現出隨鋼球直徑增大呈非線性上升，并且由接地印跡可以看出，壓力分布形狀不合理，容易發生輪胎胎肩偏磨的現象。

圖8 接地印跡評價參數與鋼球直徑的關系

圖9 平均接地壓力與偏度值隨鋼球直徑的變化曲線

3 接地中心垂直應力分布

利用Abaqus 后處理Path 功能，輸出縱溝輪胎接地印跡中心沿x、y方向的受力分布，圖10 為接地中心x方向垂直應力分布曲線圖，圖11 為接地中心y方向垂直應力分布曲線圖。隨著鋼球直徑的增加，胎面接地中心x方向中間壓力逐漸減小，并向印跡前后兩端擴大，最終中心壓力降低為0，呈現駝峰狀；接地中心y方向壓力在鋼球所在位置兩側最先出現0 值，靠近胎肩一側的壓力值降低速率高于另外一側，胎肩區域內側相同位置點的壓力值隨著剛球直徑增加略有下降，降低了胎面的抓地力，影響行車安全。

圖10 接地中心x 方向垂直應力分布

圖11 接地中心y 方向垂直應力分布

4 結論

該仿真基于Abaqus 軟件研究輪胎溝槽嵌入異物對輪胎接地壓力分布和印跡面積評價參數的影響，詳細討論了接地壓力分布與印跡面積評價參數的變化趨勢，得到以下結論：

（1）由于橡膠的不可壓縮特性，鋼球與胎面溝槽在標準負荷下擠壓促使輪胎接地部分形成了一定體積的空區域，隨著鋼球直徑的增加，空區域的變化以鋼球為中心有先靠近胎側后擴展到中心的趨勢，最終呈現為兩個關于鋼球相對等的梯形狀。

（2）在載荷不變的情況下，鋼球直徑增加不僅會增大胎面平均接地壓力分布，導致輪胎磨損較嚴重，而且接地壓力偏度值呈非線性增長，由接地印跡可知，壓力分布形狀不合理，易發生輪胎胎肩偏磨現象。

（3）S 型、Z 型輪胎與縱溝輪胎相比，由于橫向花紋溝的存在，當異物嵌入橫向溝槽時，對接地特性的影響更為顯著，所得結果有利于研究子午線輪胎動態滾動過程中花紋溝槽嵌入異物時的胎面摩擦磨損，為提升輪胎使用壽命提供參考。