胎面膠對全鋼子午線輪胎滾動阻力影響的有限元分析

姚 冰，馮琳閣，張 鵬，盧 帥

（1.怡維怡橡膠研究院有限公司，山東 青島 266045；2.賽輪集團股份有限公司，山東 青島 266045）

輪胎是車輛唯一的接地部件，其滾動阻力對車輛的燃油經濟性和自身性能都有重要影響。降低輪胎滾動阻力，不僅可以降低車輛能量消耗，提高燃油經濟性，同時可以降低車輛行駛時輪胎內部溫度，提高輪胎的耐久性能，減少由于過度生熱而引起的輪胎早期肩空等質量問題。米其林、普利司通等世界知名輪胎企業早已紛紛推出各類低滾動阻力輪胎，歐盟更是通過立法推動低滾動阻力輪胎的使用。

輪胎滾動阻力是指輪胎滾動單位距離的能量損耗，主要是由于橡膠材料的粘彈性引起的。在輪胎滾動過程中，橡膠變形導致能量以熱能的形式損耗。產生輪胎滾動阻力的主要因素有3個：（1）輪胎滾動過程中由于形變而產生的能量損耗；（2）空氣阻力；（3）胎面與路面或輪胎與輪輞之間的摩擦力。

輪胎在滾動過程中的形變耗能是產生滾動阻力的最主要因素，占80%～95%。降低輪胎膠料在滾動過程中的能量損耗有兩種方法，一種是減小其應力、應變幅值，另一種是降低膠料的滯后損失。通過輪胎結構優化設計雖然能夠改善其滾動阻力，但會影響其他性能。因此采用低滾動阻力的胎面膠配方是降低輪胎滾動阻力最有效的方法。

本工作以12R22.5全鋼子午線輪胎為例，利用有限元方法建立輪胎穩態滾動溫度場和滾動阻力仿真模型，研究胎面膠對輪胎滾動阻力的影響。

1 滾動阻力仿真

20世紀80年代，通用汽車研究室[1]提出了“雙向解耦”的迭代求解法（以下簡稱雙向迭代解法）。所謂雙向迭代解法即為依次獨立求解應力-應變場和溫度場兩個邊值問題，并通過溫度迭代來計算應力-應變場和溫度場之間的互相影響。雙向迭代解法的提出使有限元方法真正成為求解輪胎溫度場問題的有效工具。

本研究采用雙向迭代解法，具體過程如下：（1）進行輪胎穩態滾動仿真，并提取穩態滾動的應力、應變數據；（2）計算滾動阻力和生熱率；（3）輪胎溫度場仿真；（4）判斷溫度場是否達到平衡狀態，如果未達到則返回步驟（2），如果達到平衡狀態，輸出溫度場及滾動阻力計算結果。

輪胎滾動阻力和溫度場仿真流程見圖1，涉及的具體求解過程不再贅述[2-15]。

圖1 輪胎滾動阻力和溫度場仿真流程

2 仿真結果與分析

以12R22.5全鋼子午線輪胎（結構保持不變，選用炭黑填充傳統配方胎面膠和白炭黑填充低滾動阻力配方胎面膠）為例進行輪胎滾動阻力有限元分析。傳統配方胎面膠和低滾動阻力配方胎面膠60 ℃時的損耗因子（tanδ）分別為0.19和0.07。采用兩種胎面膠的輪胎滾動阻力的仿真結果和實測結果如表1所示。

表1 輪胎滾動阻力的仿真結果和實測結果

從表1可以看出，盡管仿真結果與實測結果有一定誤差，但不論是仿真結果還是實測結果都說明采用低滾動阻力胎面膠后，輪胎的滾動阻力標簽等級均提高了1個級別。

采用傳統配方胎面膠和低滾動阻力配方胎面膠的輪胎各部件對其滾動阻力的貢獻率仿真結果如圖2所示。

圖2 輪胎各部件對滾動阻力的貢獻率仿真結果

從圖2可以看出：對于采用傳統配方胎面膠的輪胎，胎面膠對輪胎滾動阻力的貢獻率最大，為36%；對于采用低滾動阻力配方胎面膠的輪胎，胎面膠對輪胎滾動阻力的貢獻率顯著減小至21%。

采用傳統配方胎面膠和低滾動阻力配方胎面膠的輪胎的滾動阻力仿真結果對比如圖3所示。

圖3 兩種胎面膠配方輪胎各部件的滾動阻力仿真結果對比

從圖3可以看出，在優化胎面膠配方后，輪胎其他部件產生的滾動阻力基本維持不變，只有胎面膠的滾動阻力明顯降低。

3 結論

有限元分析結果表明，與采用傳統配方胎面膠的輪胎相比，采用低滾動阻力配方胎面膠的輪胎滾動阻力顯著減小，采用低滾動阻力配方胎面膠是降低輪胎滾動阻力最直接有效的方法。采用有限元分析方法可以研究輪胎滾動阻力產生的內在機理以及不同輪胎部件對滾動阻力的貢獻。