基于Abaqus的全鋼輪胎接地印痕仿真分析

張偉偉，王海艷，任世奪，張永鋒，張夢(mèng)潔

[浦林成山（青島）工業(yè)研究設(shè)計(jì)有限公司，山東 青島 266042]

輪胎是汽車(chē)最重要的部件之一，車(chē)輛的承載、導(dǎo)向、驅(qū)動(dòng)、加速及制動(dòng)等性能主要通過(guò)輪胎與路面之間的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此研究輪胎與路面之間的接觸問(wèn)題成為輪胎設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮的因素，而輪胎的接地性能又主要通過(guò)接地印痕來(lái)體現(xiàn)[1]。

目前國(guó)內(nèi)輪胎企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中主要通過(guò)兩種方式獲得接地印痕，一是通過(guò)靜負(fù)荷試驗(yàn)對(duì)輪胎接地印痕進(jìn)行拓印，也稱(chēng)為油墨印痕，二是通過(guò)壓力毯試驗(yàn)。前者只能獲得接地印痕的形狀及尺寸等參數(shù)，進(jìn)行簡(jiǎn)單的主觀判斷；后者則可以較為精確地得到接地印痕的形狀、尺寸以及壓力分布曲線。但這兩種方式都只能對(duì)成品輪胎的性能進(jìn)行測(cè)試。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在輪胎設(shè)計(jì)的初始階段，采用有限元方法對(duì)輪胎接地印痕進(jìn)行仿真分析會(huì)大幅提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的效率，同時(shí)減少產(chǎn)品研發(fā)成本[2-5]。

本工作采用有限元仿真方法對(duì)不同胎冠弧設(shè)計(jì)方案的全鋼輪胎進(jìn)行接地印痕分析，驗(yàn)證接地印痕的有限元仿真精度，并研究胎冠弧設(shè)計(jì)對(duì)接地印痕的影響。

1 研究方法

1.1 輪胎接地印痕形狀量化

輪胎接地印痕形狀參數(shù)用于定量描述接地印痕的形狀，如圖1所示。其中LX和LW分別為接地印痕長(zhǎng)軸和短軸的長(zhǎng)度，目前大部分輪胎公司評(píng)估接地印痕時(shí)普遍采用這兩個(gè)值來(lái)表征，LI和LO分別代表接地印痕內(nèi)外兩側(cè)80%短軸寬處的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度。

圖1 輪胎接地印痕形狀參數(shù)

接地印痕的形狀系數(shù)（即矩形率，Cs）和左右對(duì)稱(chēng)系數(shù)（Cm）計(jì)算如下：

Cs越接近1，接地印痕形狀越接近矩形；當(dāng)Cs小于1時(shí)，值越小，接地印痕形狀越接近蝴蝶形；當(dāng)Cs大于1時(shí)，值越大，接地印痕形狀越接近橢圓形。Cm代表內(nèi)胎肩和外胎肩的對(duì)稱(chēng)程度，表征輪胎在加工過(guò)程中因工藝和設(shè)備等原因造成的不對(duì)稱(chēng)性，其值越接近于1對(duì)稱(chēng)性越好。

1.2 有限元模型的建立

本工作以215/75R17.5和315/70R22.5兩個(gè)規(guī)格輪胎為研究對(duì)象構(gòu)建輪胎材料分布圖，選用通用有限元分析軟件Abaqus進(jìn)行輪胎的充氣和加載分析。選用Yeoh本構(gòu)模型對(duì)橡膠材料進(jìn)行描述，骨架材料如胎體、帶束層結(jié)構(gòu)選用Rebar單元定義。二維充氣模型中，橡膠材料的單元類(lèi)型分別采用CGAX3H和CGAX4H，骨架材料的單元類(lèi)型采用SFMGAX1。三維加載分析中，橡膠材料分別采用雜交單元C3D6H和C3D8H，模型中簡(jiǎn)化了花紋的橫溝和細(xì)小鋼片。

2 215/75R17.5輪胎接地印痕分析

2.1 胎冠弧設(shè)計(jì)方案

目前全鋼輪胎胎冠弧設(shè)計(jì)普遍采用一段弧或一段弧加直線的設(shè)計(jì)，胎冠弧設(shè)計(jì)方法對(duì)接地印痕的形狀有顯著影響。

215/75R17.5輪胎2個(gè)方案均采用一段弧加直線的設(shè)計(jì)方法，參數(shù)如圖2和表1所示。

圖2 215/75R17.5輪胎胎冠弧設(shè)計(jì)方案

表1 215/75R17.5輪胎不同方案胎冠弧設(shè)計(jì) mm

2.2 仿真與測(cè)試結(jié)果分析

兩個(gè)方案輪胎接地印痕分析結(jié)果見(jiàn)表2。仿真和試驗(yàn)輪胎接地印痕見(jiàn)圖3。

表2 215/75R17.5輪胎仿真與測(cè)試接地印痕參數(shù)對(duì)比

圖3 215/75R17.5輪胎仿真與測(cè)試接地印痕

由表2和圖3可見(jiàn)，方案1與方案2輪胎的仿真接地印痕長(zhǎng)短軸尺寸差異在1%以?xún)?nèi)，但是形狀差異很大，方案1輪胎的Cs為1.19，接地印痕形狀趨于橢圓形，而方案2輪胎的Cs為1.03，接地印痕形狀更接近矩形。

由表2還可以看出，與試驗(yàn)接地印痕相比，仿真接地印痕的LX和LW準(zhǔn)確度達(dá)98%以上，LI和LO仿真準(zhǔn)確度達(dá)到99.4%以上，Cs和Cm仿真準(zhǔn)確度達(dá)到99%以上。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致性良好，且輪胎其他性能均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，選擇方案2作為最終方案進(jìn)行試產(chǎn)。

3 315/70R22.5輪胎接地印痕分析

3.1 胎冠弧設(shè)計(jì)方案

315/70R22.5胎冠弧采用兩種設(shè)計(jì)方法，其中方案1′和方案2′為一段弧設(shè)計(jì)，方案3′為一段弧加直線設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)參數(shù)詳見(jiàn)圖4和表3。

圖4 315/70R22.5輪胎胎冠弧設(shè)計(jì)方案

表3 315/70R22.5輪胎不同方案胎冠弧設(shè)計(jì) mm

3.2 仿真與測(cè)試結(jié)果分析

3個(gè)方案輪胎接地印痕分析結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)：方案1′與方案2′的h不同，胎冠弧半徑相差10%，Cs僅相差0.01；方案2′與方案3′的h相同，但是Cs卻相差0.03，接地印痕形狀差異較大。這說(shuō)明胎冠弧設(shè)計(jì)中一段弧與一段弧加直線兩種設(shè)計(jì)方法和胎冠弧半徑是影響接地印痕形狀的主要因素。

表4 315/70R22.5輪胎仿真與測(cè)試接地印痕參數(shù)對(duì)比

3個(gè)方案接地印痕的仿真和測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 315/70R22.5輪胎仿真與測(cè)試接地印痕

由圖5可見(jiàn)，方案3′輪胎仿真接地印痕呈“W”形，方案1′和方案2′輪胎仿真接地印痕形狀相近，均優(yōu)于方案3′輪胎。進(jìn)一步對(duì)比胎肩耐久性能，方案1′輪胎剪切應(yīng)變?yōu)?.493，小于方案2′輪胎的0.534，因此選用方案1′作為試產(chǎn)方案。

315/70R22.5輪胎方案1′接地印痕Cs遠(yuǎn)大于1，形狀趨于橢圓形，接地印痕參數(shù)仿真準(zhǔn)確度達(dá)94%以上，產(chǎn)品現(xiàn)已投入量產(chǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

在輪胎設(shè)計(jì)階段通過(guò)仿真技術(shù)對(duì)不同設(shè)計(jì)方案的輪胎接地印痕進(jìn)行評(píng)估，可擺脫僅靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和主觀判定對(duì)輪胎接地印痕進(jìn)行評(píng)價(jià)的思路，能更好地指導(dǎo)設(shè)計(jì)，提高輪胎性能。

全鋼輪胎胎冠弧設(shè)計(jì)對(duì)接地印痕形狀具有顯著影響，胎冠弧是改善接地印痕的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，行駛面弧度高和胎冠弧半徑共同影響接地印痕形狀。Cs和Cm可以量化表征接地印痕形狀，在后續(xù)工作中需繼續(xù)研究接地印痕肩部下沉量等參數(shù)對(duì)接地印痕的影響，從而更全面地表征輪胎接地印痕形狀。