结构参数对子午线轮胎特性的影响
汽 车 工 程
2004年(第26卷)第2期AutomotiveEngineering2004(Vol.26)No.2
2004042
结构参数对子午线轮胎特性的影响
徐延海
(四川工业学院汽车与交通工程系,成都 610039)
贾丽萍 葛剑敏 张建武
(上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200030)
[摘要] 利用数值方法和试验方法对某型子午线轮胎的自由振动以及轮胎与路面接触等特性进行了研究和探讨。对影响子午线轮胎特性的结构参数,如带束层的分布、铺层角度以及使用情况等对子午线轮胎的特性的影响进行了定量或定性的讨论。为子午线轮胎的开发和优化设计提供了一种分析方法。
叙词:子午线轮胎,特性,结构参数
AnInvestigationintotheEffectsofStructuralParameters
onthePerformanceofRadial2plyTires
XuYanhai
DepartmentofAutomotiveandTrafficEngineering,SichuanInstitTechnology,JiaLiping,GeJianmin&SchoolofMechanicandPowerEngineeriU, [Abstract]oftire/roadcontactareanalyzedbybothnumericalsim2ulationandtest1ofstructureparameterssuchasthedistributionofsteelbelts,plyangleandloadingontheperformanceofradial2plytiresareanalyzedbothquantitativelyandqualitative2ly1Thisprovidesananalysismethodforthedevelopmentandoptimaldesignofradial2plytires1
Keywords:Radial2plytires,Performance,Structureparameters
1 前言
由于轮胎性能是影响操纵稳定性、安全性及平顺性的重要因素,因而研究轮胎的力学特性一直是汽车工程界和轮胎工业界的重要课题。轮胎的力学性能由轮胎的物理参数决定,即取决于轮胎的轮廓形状和材料特性以及各带束层形状与分布。因此,高品质的轮胎需要精确的轮胎设计理论指导。
与斜交轮胎相比,子午线轮胎具有带束层形成的刚性胎冠和薄而柔的胎体的特点,因而它的行驶性能优良,滚动阻力小,缓冲性能好,提高了乘坐的舒适性,并提高了车辆的使用寿命,其经济价值和社会效益十分显著。新产品的开发需要精确的轮胎结构设计理论和轮胎模型的支持,技术创新和加大开发是增加企业竞争力的必要手段。
从世界轮胎工业技术发展的趋势来看,轮胎结构的改善是轮胎工业发展的重要因素。不断探索和发展符合汽车整体性能需要的新型轮胎结构是轮胎工业发展的动力。在设计上,利用CAD/CAE/CAM等技术手段,实现轮胎设计的一体化。
在轮胎的振动研究中,文献[1]利用Bezier函数以及壳体理论对轮胎的振动特性进行了一定的探讨。而文献[2]在试验的基础上对轮胎的模态进行了相应的研究。文献[3]利用数值方法对轮胎的径向振动进行了一定的分析,为轮胎的结构设计提供了一定的依据。文献[4]在商用软件NASTRAN的基础上分析了轮胎的模态,并就模态的性质进行了讨论。而由于轮胎结构的复杂性,在应用有限元进行相应的分析时还存在着一些不足的地方,特别是为了能够更好地模拟轮胎复杂的轮廓曲线,往往需要较多的变量数目,因此文献[5]提出了一种半解析
原稿收到日期为2003年1月27日,修改稿收到日期为2003年6月9日。
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的轮胎特性分析方法。虽然现在能够对轮胎特性有一定的预测,但其主要的作用还是将它更好地应用于与整车的匹配中。文献[6]研究了轮胎、轮辋及悬架的动力学特性。另一方面,轮胎与路面的相互作用也非常重要。因为无论是汽车的驱动力还是制动力都来自于轮胎与路面的接触印迹。车辆的操纵稳定性与轮胎的侧偏刚度等有关系。文献[7]、文献[8]就轮胎与路面相互作用进行了分析和研究。
作者在文献[9]基础上,利用该数值方法以及试验的方法对轮胎的性能进行研究和分析,并就轮胎物理参数对轮胎特性的影响进行探讨。
体,拥有众多的几何参数和材料参数。轮胎的固有频率是整车开发选配轮胎的主要参数之一,直接影响汽车的平顺性和噪声等性能。为了研究轮胎的固有频率的变化规律性,把轮胎的模态分析与轮胎的结构优化结合起来,以P195/60R14型轮胎为例,采用分片Ritz法以及试验的方法分析了轮胎径向振动的固有频率。211 充气压力对轮胎自由振动的影响
选择4种充气压力0108、0116、0124和0132MPa分别计算该轮胎的固有频率,结果如表1所示。同时在表中示出了相应的试验结果。充气压力直接影响轮胎内部的初始应力,改变充气压力将对轮胎的固有频率有着较大的影响。从表1可以看出,随着充气压力的增加,带束层的涨力和轮胎的刚度增加,从而使轮胎的固有频率增加。
2 子午线轮胎的自由振动特性
轮胎是由帘线2橡胶复合材料构成的复杂结构
表1 不同充气压力下P195/60R14轮胎前5阶径向振动固有频率
/Hz 气压/MPa
[**************]2
1
2
3
4
5
计算值
[1**********]95
试验值
7215855计算值
66118111试验值
[**************]
108142
[**************]
[1**********]5
计算值
[***********]15
试验值
[**************]5
212 在P195/60R14型光面轮胎胎冠上对称加四道横截
面为10mm×6mm的纵向沟槽,以模拟花纹轮胎,如图1所示。在气压0124MPa下采
用分片Ritz法分析轮胎的固图1 模拟花纹轮胎有频率,其中同一型号的花纹
胎的结果由试验所得。计算结果如表2所示。表2 花纹对轮胎径向振动固有频率的影响 Hz
阶次光面胎花纹胎
169197312
2901810813
[1**********]
[1**********]
[1**********]
度和质量都有所下降,而胎面质量减少更多,因此,轮胎的固有频率随之增大。
3 子午线轮胎与路面的接触特性
轮胎是车辆与路面连接的唯一部件,一方面它承受来自于车辆的载重,另一方面在接触印迹内有路面给它的反作用力。这些作用力是决定轮胎使用性能优劣的主要因素。因而考察轮胎在不同的下沉量作用下轮胎的性能是轮胎设计的主要目标。
为说明轮胎结构参数及使用载荷等对轮胎特性的影响,在数值结果里分别按照轮胎钢丝带束层的铺层角
子午线方向s和度,充气压力以及下沉量(载图2
荷)对轮胎的性能影响进行周向t及印迹坐标系了相应的比较和说明。其中,轮胎的子午线方向s和周向t及印迹坐标系如图2所示。X、Y方向分别为印迹的纵向和横向。轮胎的接地印迹中心即为s
=t=0的位置。
由表2说明在轮胎表面加刻花纹改变了轮胎的刚度和质量,花纹轮胎的固有频率比光面轮胎的固有频率高。这是因为轮胎整体的固有频率取决于自身的质量和刚度,它与刚度成正比,而与质量成反比。胎面厚的橡胶层对轮胎质量有很大影响,然而由于橡胶材料本身特性,橡胶层并不承受很大的载荷,它对整体刚度影响远小于对整体质量的影响。在光面轮胎胎冠上加刻几道花纹,使得轮胎胎面刚
311 铺层角度对轮胎特性的影响
图3给出了不同带束层角度时的轮胎印迹形
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子午线方向,在变形比较一致时,其承受的力相应增
加。由于钢丝带束层材料在径向和周向的材料参数相差很大,因此增加径向的承力对轮胎使用性能不利。同时说明,钢丝带束层的铺层角可以显著影响子午线轮胎性能,从而为子午线轮胎的优化参数设计提供可靠的依据。312
充气压力对轮胎特性的影响
胎压012MPa,下沉量20mm
图3
不同的铺层角时轮胎的印迹数值
图6 20mm下沉量时轮胎的印迹值的比较
图4 不同铺层角轮胎的垂直载荷变化
状。图中的此文计算值以及商用有限元软件MSC/
MARC(文中各图简称有限元)计算值均为光面轮胎的计算结果。,。3,图6给出了光面轮胎在不同的充气压力下的印迹形状。从图中可以看出,,轮胎,,而只是在边,另外子午线轮胎的扁平率也比较大,因此形成了这种充气压力变化时,轮胎的接地印迹变化不大的情况
。
较,计算值和FEM值都有一定的差异。这主要是因为计算时网络划分的大小对接触问题的数值模拟有很大影响,特别是对接触面的模拟。但从图4可以看到,垂直载荷由于钢丝带束层的变化,其载荷值大小也发生了变化,且在铺层角较小时的垂直载荷值较大。说明较小的铺层角增大了轮胎的径向刚度。在15～25mm下沉量时,轮胎的径向刚度几乎呈线性变化
。
图7 不同下沉量时轮胎的载荷随充气压力的变化
图7中给出了在不同的充气压力下轮胎的垂直载荷比较,其中计算值均以光面轮胎为计算模型,而光面轮胎与花纹轮胎的型号一致只是没有进行花纹加工工序。随着充气压力增加,轮胎所承受的垂直载荷也不断增加。光面轮胎的实验值明显比花纹轮胎的实验值低。光面轮胎由于没有胎冠上的外层橡胶,因此降低了垂直方向的承载能力。但从总的数值差别来看,光面轮胎承受的垂直载荷大小与花纹轮胎还是比较接近。因此将在数值模拟中比较难以计及的轮胎花纹部分进行适当简化,而对计算精度不会有太多的降低。另一方面,轮胎径向刚度也近似与充气压力呈正比关系。313 下沉量对轮胎特性的影响
胎压012MPa,下沉量20mm
图5 轮胎第一钢丝带束层沿子午线方向的周向应力分布
从图5中可以看到,在60°铺层角时第一钢丝带
束层中的径向应力与70°铺层角时相比有增大的趋势,即增加了轮胎在子午线方向的承力。这是因为在铺层角度小时,其纤维的主方向更接近于轮胎的
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的变化较小,在低充气压力下,轮胎的径向刚度较
小。但是在接地印迹边缘依然有较大的垂向载荷产生。 综上所述,由于P195/60R14型子午线轮胎的扁平率较大,胎冠的刚性也较大,钢丝带束层铺层角度的改变对轮胎接地印迹的形状影响较小。钢丝带束层不仅是轮胎的主要承力部位,还起保持轮胎的周向刚性作用。因为当它的铺层角度改变时,其上的应力分布也出现变化,是进行轮胎性能优化的主要参数之一。轮胎的径向刚度几乎与下沉量大小以及充气压力大小成正比。虽然钢丝带束层的铺层角度和充气压力的改变对轮胎接地印迹没有显著影响,但可以改变轮胎的承力部位,对轮胎带束层上的应力分布却有较大影响。
图8 轮胎第二钢丝带束层在0124MPa充气压力下,
不同下沉量时沿子午线方向的周向应力分布
4 结论
图9 轮胎第二钢丝带束层在0124MPa充气压力下,
不同下沉量时沿子午线方向的径向应力分布
图8和图9给出了子午线轮胎的第二钢丝带束层在0124MPa靠近中心的部分向应力均为负值,。在图5(a)中,第一钢丝带束层上的周向应力和径向应力在接近接地印迹中心的位置为正。与第一钢丝带束层相比,第二钢丝带束层更接近接触面,由于它的变形受到限制因而它的应力状态呈负值。还可以看出,在钢丝带束层的边缘部分,第一和第二钢丝带束层上的径向应力和周向应力比较接近,说明了在接地印迹边缘变形比较大时,两层钢丝带束层都是子午线轮胎主要承力部分,同时接地印迹对它们在接地印迹边缘的应力分布影响较小
。
Ritz法以,并在此基础上,对影响子午线轮胎性能的轮胎结构参数以及使用参数对轮胎的性能影响进行了比较和分析。该结构能够为子午线轮胎的设计开发以及性能的改进和评估提供有意义的理论依据和分析方法。
参考文献
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图10 轮胎印迹内的法向反力分布
(充气压力0116MPa)
图10为不同下沉量时接地印迹内的法向反力
分布。比较图10(a)和图10(b),由于轮胎充气压力较小,尽管下沉量有所改变,但接地印迹内法向反力
法1上海交通大学学报,2002,36(3)