浙江大学学报(工学版), 2021, 55(9): 1615-1624 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2021.09.002

机械工程、能源工程

全钢载重子午线轮胎胎面磨耗行为研究

王洁,, 李钊, 李子然,

1. 中国科学技术大学 近代力学系,中国科学院材料力学行为和设计重点实验室,安徽 合肥 230027

2. 武汉第二船舶设计研究所,湖北 武汉 430205

Research on tread wear behavior of all steel radial truck tire

WANG Jie,, LI Zhao, LI Zi-ran,

1. CAS Key Laboratory of Mechanical Behavior and Design of Materials, Department of Modern Mechanics, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China

2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China

通讯作者: 李子然,男,副教授. orcid.org/0000-0003-3795-4302. E-mail: lzr@ustc.edu.cn

收稿日期: 2020-09-28  

基金资助: 中国科学院战略性先导科技专项(C类)(XDC06030200);国家自然科学基金资助项目(11902229)

Received: 2020-09-28  

Fund supported: 中国科学院战略性先导科技专项(C类)(XDC06030200);国家自然科学基金资助项目(11902229)

作者简介 About authors

王洁(1997―),女,硕士生,从事计算结构力学研究.orcid.org/0000-0001-7709-973X.E-mail:wj9@mail.ustc.edu.cn , E-mail:wj9@mail.ustc.edu.cn

摘要

以12R22.5全钢载重子午线轮胎为研究对象,建立含纵向花纹的轮胎有限元模型,采用磨耗后处理法模拟胎面磨耗行为. 将制动条件下计算得到的沟深磨耗量与道路实测结果进行对比,两者相对误差为10.2%,验证了该处理方法的可靠性. 对4种不同行驶工况的轮胎胎面进行磨耗仿真分析. 结果表明,自由滚动工况磨耗主要发生在花纹沟边,制动工况胎肩部花纹块磨耗深度较大,驱动工况磨耗主要发生在胎中部花纹块,侧偏工况胎面橡胶磨耗速率最快. 考察充气压力和载荷对胎面磨耗的影响. 结果表明,载荷增大、充气压力减小使胎面磨耗的不均匀性增加. 对于超压超载工况,仿真得出自由滚动5×104 km后胎面橡胶磨耗质量是额定工况的1.56倍.

关键词: 全钢载重子午线轮胎 ; 道路磨耗试验 ; 行驶工况 ; 超压超载工况 ; 有限元分析

Abstract

The tire tread wear behavior was simulated through a wear post processing method, based on the finite element model of 12R22.5 all steel truck radial tire with longitudinal patterns. Comparing the calculated results of groove depth with the road wear test results under braking conditions, the relative error of the two is 10.2% which shows the reliability of the method. The tire tread wear in four different conditions was analyzed. Results show that the tire wear in free rolling conditions mainly occurs on the side of grooves. The maximum wear depth appears in the shoulder block under braking conditions, while the maximum wear depth of driving conditions appears in the middle block of the tread. The tread wear rate under cornering conditions is the greatest. The influence of inflation pressure and load on tread wear was investigated. The lower inflation pressure and the higher load lead to the increased unevenness of tread wear profile. Numerical results show that the quality of rubber wear in the overpressure-overload condition is 1.56 times that of the rated inflation and load condition after 5×104 km of free rolling.

Keywords: all steel radial truck tire ; road wear test ; rolling condition ; overpressure-overload condition ; finite element analysis

PDF (2231KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

王洁, 李钊, 李子然. 全钢载重子午线轮胎胎面磨耗行为研究. 浙江大学学报(工学版)[J], 2021, 55(9): 1615-1624 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2021.09.002

WANG Jie, LI Zhao, LI Zi-ran. Research on tread wear behavior of all steel radial truck tire. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2021, 55(9): 1615-1624 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2021.09.002

载重卡车轮胎都是全钢子午胎,长距离、高负荷的恶劣行驶环境引起的磨耗问题,使其更换周期通常为半年. 价格昂贵、更换频率高导致载重轮胎成为货运过程中最主要的消耗品之一. 因此,了解行驶过程中各种工况下的载重轮胎的胎面磨耗规律,找到影响载重轮胎耐磨性的关键因素,设计生产出高耐磨性载重轮胎成为轮胎行业急需解决的问题.

轮胎磨耗是极为复杂的物理化学现象[1],对于滚动轮胎磨耗问题,早期只能通过道路实车试验[2]进行研究,但道路实车试验存在成本高、耗时长的缺点. 随着计算机技术的发展,Huemer等[3-8]尝试利用有限元方法对橡胶、轮胎的摩擦磨耗问题进行研究. 何涛等[9]分析子午线轮胎胎面花纹块纵向滑移的不规则磨损特性,但其采用的库伦摩擦模型未能真实地反映滚动轮胎与路面的接触摩擦行为,且该研究主要针对单花纹块磨耗性能,未能反应整体轮胎的胎面磨耗行为. 吴健等[10]对载重子午胎在静态、稳态、启动、制动、侧偏和转弯等不同工况条件下的摩擦功和磨耗方向进行分析,得出转弯和侧偏工况对轮胎横向磨耗分布有较大影响,但无法直接得到轮胎行驶一定里程后的胎面磨耗轮廓及磨耗深度. Cho等[11]根据轮胎接地区域摩擦能量损失与磨耗量之间的关系,利用轮胎滚动一周的磨耗量线性外推到指定里程获得平均磨耗深度,但是这种外推方法未考虑磨耗过程中胎面轮廓变化对磨耗的影响,因此精度有限. Jin等 [12]针对含复杂花纹轮胎引入磨损深度和磨损质量量化轮胎磨损,并在仿真过程中引入胎面轮廓变化对磨耗的影响,但其采用的Archard磨耗模型参数是按照经验选取的,同时磨耗计算采用的是均分步长,求解过程中容易产生不光滑的接触压力分布,引起计算不稳定的现象[13]. 可以看出,以上轮胎磨耗仿真分析虽已取得进展,但仍存在较多不完善之处. Li等 [14-15]提出相对完整的胎面磨耗后处理策略,包括胎面胶摩擦磨耗模型、模型参数确定的试验方法,以及用于磨耗网格更新的修正的边界位移法,并在此基础上对半钢子午线轮胎的不同工况磨耗行为进行有限元仿真分析,获得较为合理的仿真结果,但未能开展相关道路磨耗试验对仿真分析结果进行验证. 且相对于半钢子午胎,全钢载重子午胎尺寸大,结构形式复杂. 在国内全钢载重子午线轮胎的服役周期内,经常处于超压超载的状态[16],因此磨耗问题更为突出,须更为细致地研究.

本文以12R22.5全钢载重子午线轮胎为研究对象,在ABAQUS中建立包含纵向花纹的轮胎有限元模型,通过胎面胶摩擦及磨耗试验获取摩擦磨耗模型的拟合参数,采用磨耗后处理法,对轮胎胎面磨耗行为进行有限元分析. 对比仿真分析结果与道路磨耗试验,验证磨耗仿真求解过程的可靠性. 在此基础上研究轮胎在自由滚动、制动、驱动和侧偏工况下的胎面磨耗行为,考察充气压力、载荷对胎面磨耗的影响.计算超压超载工况下的胎面磨耗行为,并与额定压力荷载工况进行比较.

1. 全钢子午胎有限元模型的建立及轮胎静负荷试验

1.1. 全钢子午胎有限元模型的建立

本文采用的12R22.5全钢载重子午线轮胎设计直径为1 082 mm,断面宽295 mm,轮胎采用4层带束层结构,带束层由钢丝/橡胶复合材料制成.

轮胎结构是几何对称的,因此建立轴对称二维有限元模型,如图1所示. 将此二维模型绕轮胎轴线旋转360°生成三维有限元模型. 周向网格非均匀地划分为66份,接地端及其附近划分得较为精细. 三维模型中节点数为162 432,单元数为161 768. 橡胶部分采用超弹Yeoh模型,胶料的材料参数由自动网格法获取[17-18],骨架结构通过赋予rebar相关参数来模拟加强作用[19]. 轮辋和路面均定义为解析刚体,轮胎与轮辋、轮胎与路面的接触均采用罚函数接触算法,轮胎与轮辋间的摩擦系数为0.5. 额定充气压力设为0.93 MPa,额定载荷为19 600 N. 整体的三维有限元模型如图2所示.

图 1

图 1   12R22.5全钢载重子午胎二维有限元模型

Fig.1   2D finite element model of 12R22.5 all steel radial truck tire


图 2

图 2   轮胎与路面的整体有限元模型

Fig.2   Total finite element model


1.2. 全钢子午胎静负荷试验

图3所示,为了验证轮胎有限元模型的可靠性,计算得到轮胎在充气压力为0.93 MPa下的静负荷−下沉量曲线,并与试验结果进行对比. 图中,t为下沉量,FN为轮胎垂直径向载荷. 由图可以看出仿真结果与测试结果具有很好的一致性.

图 3

图 3   轮胎下沉量的试验与仿真结果对比

Fig.3   Comparison of experimental and simulated tire deflection results


在轮胎的静负荷试验中,获得充气压力为0.93 MPa的轮胎充气轮廓以及载荷为34 790 N下的接地印痕数据. 如表1所示为轮胎充气轮廓仿真结果与试验结果的对比. 表中,D为轮胎充气外直径,B为轮胎充气断面宽,S为轮胎接地面积. 由表可以看出,仿真结果与试验结果吻合得很好. 如图4所示为轮胎接地印痕的仿真结果与试验结果的比较. 两者的胎面接地压力分布十分接近,接地面积相对误差为2.97%,存在微小误差的原因是测试轮胎的胎面中部花纹块含有横向花纹,在仿真模型中忽略了横向花纹的影响. 以上结果对比表明所建立的有限元模型能够准确地表征轮胎的静态刚度性能.

表 1   轮胎模型的仿真与试验结果比较

Tab.1  Comparison of tire model test and simulation results

状态 D/mm B/mm S/cm2
试验 1 083.00 295.00 487.44
仿真 1 084.30 293.11 501.94

新窗口打开| 下载CSV


图 4

图 4   轮胎接地印痕对比

Fig.4   Comparison of tire footprints


2. 胎面胶摩擦及磨耗模型

2.1. 胎面胶摩擦模型

轮胎在滚动时胎面橡胶与地面的接触摩擦行为受接触压力、滑动速度、地面粗糙度等多种因素影响[20-21]. 为了确定仿真过程中胎面胶与路面的摩擦系数,在室内磨耗和牵引试验机LAT100上进行60目刚玉盘上的胎面胶摩擦系数测试[22]. 试验设置6档载荷和6档摩擦盘速度. 如图5所示为橡胶轮的摩擦系数试验结果. 图中,v为滑移速度,μ为摩擦系数.由图可以看出,橡胶轮在60目刚玉盘上的摩擦系数与滑动速度、接触压力相关. 随着滑动速度的增加,摩擦系数先增大而后趋于平缓;随着接触压力增加,摩擦系数先增大后减小. 采用速度与压力相关的摩擦模型表征橡胶的摩擦行为,即:

图 5

图 5   60目刚玉盘上橡胶轮摩擦系数测试结果

Fig.5   Friction coefficient test results of rubber wheel on 60 mesh corundum disc


$ \mu = [{\mu _{\rm{k}}} + ({\mu _{\rm{s}}} - {\mu _{\rm{k}}}){{\rm{e}}^{d_{\rm{c}} v}}] \left[1 - \left(1 - \frac{p}{{{p_0}}}\right){{\rm{e}}^{M p}}\right]. $

式中:p为接触压力,μkμsdcp0M均为拟合参数. 采用式(1)对摩擦系数测试结果进行拟合,拟合相关系数为0.95,μk=1.177 9,μs=0.827 1,dc=−0.042 3,p0=0.057 6,M=−10.831 3. 拟合曲面和试验点如图6所示.

图 6

图 6   60目刚玉盘上胎面胶摩擦系数拟合曲面

Fig.6   Fitting surface of friction coefficient of tread rubber on 60 mesh corundum disc


式(1)中的摩擦模型将通过编写用户子程序应用于最终的仿真中.

2.2. 胎面胶磨耗模型

胎面胶磨耗行为测试同样在LAT100上进行. 针对胎面胶制定60目刚玉盘上的摩擦功率密度测试方案,包含6种测试工况,如表2所示. 表中,F为橡胶轮所受的载荷,α为侧偏角,Vd为摩擦盘速度,Ld为橡胶轮滚动距离.

表 2   胎面胶磨耗试验方案

Tab.2  Tread rubber abrasion test plan

测试工况 F/N α/(°) Vd/(km·h−1) Ld/m
1 75 5.5 6 100 0
2 75 5.5 20 170 0
3 75 9 6 300
4 75 9 20 400
5 75 16 6 100
6 75 16 20 170

新窗口打开| 下载CSV


对磨耗试验结果的处理主要通过Lupker等[23] 提出的方法计算摩擦功率密度

$ w = \frac{{{F_{\rm{y}}}{V_{\rm{d}}}\sin \alpha }}{A} . $

式中:Fy为橡胶轮所受的侧向力, A为橡胶轮侧偏滚动接触面积. 由式(2)得出橡胶磨耗速率随摩擦功率密度的增加而增加,且满足Lupker等[23]提出的幂函数磨耗模型

$ m = a{w^b} . $

式中:m为单位时间单位面积橡胶磨耗质量,ab为拟合参数. 采用式(3)对磨耗测试结果进行拟合,拟合相关系数为0.99. a与接触面性质有关,a=4.247 98×10−7,其单位与b相关,具体为mg·Nb·sb−1·mmb−2b为无量纲幂指数,b=1.788 41. 拟合曲线及试验点如图7所示.

图 7

图 7   胎面胶磨耗速率拟合结果

Fig.7   Fitting results of tread rubber wear rate


3. 全钢载重轮胎胎面磨耗行为仿真分析结果

3.1. 胎面磨耗数值求解策略

胎面磨耗数值求解采用磨耗后处理法[24],即先利用有限元模型计算接触面节点的磨耗速率和磨耗方向,胎面各节点橡胶磨耗速率

$ \dot h = \frac{{\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^N {a{{({\sigma _{{{i{\rm{u}}}}}}{v_{i{\rm{u}}}} + {\sigma _{i{\rm{v}}}}{v_{i{\rm{v}}}})}^b}\Delta {S_i}} }}{{\rho \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^N {\Delta {S_i}} }}. $

式中:ρ为橡胶密度. 如图8所示,考虑有一条围绕轮胎的带,该条带的中心线由一系列节点组成,σiuσiui节点纵向摩擦应力和侧向摩擦应力,vivvivi节点纵向和侧向滑移速度,ΔSi为轮胎周向上i节点所在微元的长度.

图 8

图 8   胎面节点i所在的微元

Fig.8   Micro-element of tread node i


胎面节点i的磨耗方向[25] ni图9所示, $ \boldsymbol{r}_i^{\rm{1}} $$ \boldsymbol{r}_i^{\rm{2}} $分别为节点i指向相邻节点1、2的向量, $ \boldsymbol{n}_i^{\rm{1}} $$ \boldsymbol{n}_i^{\rm{2}} $分别为 $ \boldsymbol{r}_i^{\rm{1}} $$ \boldsymbol{r}_i^{\rm{2}} $的指向接触面内的法向量. ni$ \boldsymbol{n}_i^{\rm{1}} $$ \boldsymbol{n}_i^{\rm{2}} $的均值向量,即:

图 9

图 9   胎面节点i的磨耗方向

Fig.9   Wear direction of tread node i


$ {\boldsymbol{n}_i} = \frac{{\boldsymbol{n}_i^{\rm{1}} + \boldsymbol{n}_i^{\rm{2}}}}{{\left\| {\boldsymbol{n}_i^1 + \boldsymbol{n}_i^2} \right\|}}. $

图10所示为胎面磨耗求解的计算流程. 由磨耗速率乘以当前的磨耗时间得到磨耗深度,当节点磨耗深度达到网格更新判据(取为表层网格厚度的一半[24])后确定当前磨耗步长,利用修正的边界位移法(对轮胎的内腔、部分侧面以及胎面胶与内部胶料界面节点施加固支条件,对胎面节点施加磨耗深度边界条件,求解位移边界条件下的压缩问题)更新网格,获取新的轮胎胎面轮廓重新进行计算. 当累积的行驶距离达到指定距离时停止计算. 整个磨耗后处理流程采用ABAQUS python脚本语言来实现.

图 10

图 10   胎面磨耗求解计算流程

Fig.10   Calculation process of tread wear solution


3.2. 胎面磨耗求解策略的可靠性验证

本次轮胎道路磨耗试验在中汽中心盐城汽车试验场进行,场地条件为直线式沥青路面. 为了节约试验成本、获得良好的试验效果,采用较为恶劣的超压超载制动工况进行快速磨耗试验. 车辆为4×2牵引车,单胎载荷为29 400 N,充气压力为1.1 MPa. 制动条件为速度由50 km/h降为0 km/h,单胎制动力为6 000 N. 轮胎沟深测量节点为制动0、300、600、900次. 试验测得在制动900次(每次制动距离约为50 m)后,平均沟深减小0.552 5 mm.

仿真计算中轮胎充气压力为1.1 MPa,载荷为29 400 N,制动力为6 000 N,制动距离45 km,与试验工况保持一致. 如图11所示为轮胎的一条纵沟,j节点所在的胎面轮廓为原始轮廓,j′ 节点所在的是轮胎制动45 km后的磨耗轮廓. 以纵沟两边各5个节点(图中方框内)的平均磨耗深度作为沟深磨耗量,得出仿真轮胎制动45 km后轮胎的平均沟深减小0.496 1 mm.

图 11

图 11   轮胎的沟深磨耗量

Fig.11   Wear depth of grooves


可以得出,仿真结果与道路试验结果基本吻合,相对误差为10.2%. 造成道路试验轮胎沟深磨耗量大于仿真结果的主要原因:在道路试验过程中,轮胎先驱动再制动,测试过程中不可避免地存在少许的侧偏工况,在仿真中只考虑制动工况;橡胶材料的磨耗速率随温度的升高而增大[26],仿真中未考虑轮胎表面温升对磨耗速率的影响.

3.3. 自由滚动、驱动、制动及侧偏工况下轮胎胎面磨耗分析

在额定充气压力和载荷下,12R22.5全钢载重子午胎在自由滚动、驱动、制动和侧偏行驶工况下的参数如表3所示. 表中,P为轮胎充气压力,V为轮胎行驶速度,s为滑移率,β为轮胎行驶侧偏角,L为轮胎行驶距离.

表 3   12R22.5全钢载重子午胎在4种行驶工况下的参数

Tab.3  Parameters of 12R22.5 all steel steel truck radial tire in four rolling conditions

工况 FN/N P/MPa V/(km·h−1) s/% β/(°) L/104 km
自由滚动 19 600 0.93 80 0 0 5.00
制动 19 600 0.93 80 1 0 0.30
驱动 19 600 0.93 80 1 0 0.30
侧偏 19 600 0.93 80 0 1 0.08

新窗口打开| 下载CSV


4种工况下轮胎行驶一定距离胎面节点磨耗深度的演化过程如图12所示,图中,x为轮胎横向坐标,y为轮胎径向坐标. 图(a)所示为轮胎自由滚动5×104 km后胎面磨耗轮廓的演化过程,磨耗过程计算需要12个磨耗步长. 可以看出在自由滚动工况下,胎面磨耗轮廓整体上左右对称,中部花纹块的磨耗主要发生在花纹沟边区域,即磨成凸起形状,整个胎面磨耗深度最大区域发生在两侧花纹块的外侧.轮胎以1%的滑移率制动3×103 km轮胎截面轮廓的变化过程如图(b)所示. 行驶里程模拟需要12个磨耗步长,磨耗过程中胎面轮廓整体上左右对称,中部花纹块的磨耗深度小于两侧花纹块磨耗深度.图(c)为轮胎以1%滑移率驱动3×103 km胎面节点磨耗过程,磨耗模拟需要9个磨耗步长,可以看出整体上胎面磨耗轮廓左右对称,磨耗深度最大区域发生在中部花纹块,而两侧花纹块产生的磨耗很小. 图(d)为轮胎在侧偏角为1°的情况下行驶8×102 km后胎面磨耗轮廓的演化过程. 行驶过程磨耗模拟需要13个磨耗步长,从磨耗轮廓演化过程中可以明显看出,胎面左侧花纹块较右侧花纹块的胎面磨耗速率稍快.

图 12

图 12   4种行驶工况下胎面磨耗轮廓演化

Fig.12   Evolution of tread wear profile under four rolling conditions


图13所示,在不同工况下每个磨耗步长内的轮胎行驶里程是不同的. 图中,Inc为磨耗步长,l为各磨耗步长里轮胎的行驶距离. 由图可以看出,在侧偏工况下,磨耗步长最多,且每个步长里轮胎的行驶距离比其他3种工况短. 由此得出,在同样行驶距离下,轮胎侧偏工况磨耗计算步长多,胎面网格更新频率快,胎面橡胶磨损速率快. 这种非均分磨耗步长计算消除了磨耗模拟过程中的不稳定现象[13],同时能够更准确地考虑胎面磨耗轮廓的变化对橡胶磨耗速率的影响,保证磨耗模拟结果的可靠性.

图 13

图 13   4种工况下各步长内轮胎磨耗距离

Fig.13   Distance of tires in each increment under four rolling conditions


图14所示为4种工况下胎面磨耗的对比. 如图(a)可以看出,轮胎制动3×103 km的胎肩部磨耗轮廓已接近自由滚动5×104 km的胎肩部轮廓. 4种工况下胎面橡胶磨耗质量与行驶里程关系对比如图(b)所示. 图中,M为橡胶的磨耗质量. 从轮胎磨耗质量和行驶里程的关系来看,侧偏工况胎面橡胶磨耗速率最快,制动工况磨耗速率稍快于驱动工况,侧偏、制动和驱动工况胎面橡胶磨耗速率均远大于自由滚动工况.

图 14

图 14   4种工况下胎面磨耗对比

Fig.14   Comparison of wear under four rolling conditions


4. 充气压力和载荷对胎面磨耗行为的影响

根据文献[6]、[11]中对行驶工况的统计,自由滚动行驶工况占总行驶工况的比例约为85%,占据轮胎生命周期的很大部分,因此在考察充气压力和载荷对胎面磨耗的影响时,采用的是轮胎在自由滚动工况下的计算结果. 如图1516所示分别为全钢载重子午线轮胎在FN=19 600 N时不同充气压力(P=1.116、0.93 、0.744 、0.558 MPa)下,以80 km/h的速度自由滚动5×104 km后胎面磨耗轮廓对比及接地压力Pc分布对比. 由图可以看出,在同一载荷下,随着充气压力的降低,轮胎径向刚度减小,轮胎的接地面积增大,接地形状由椭圆形渐渐变为矩形,胎中部花纹块的磨耗深度增加,胎肩部花纹块的不均匀磨耗加重.

图 15

图 15   不同充气压力下胎面磨耗轮廓对比

Fig.15   Comparison of wear under different pressure


图 16

图 16   不同充气压力下轮胎接地压力对比

Fig.16   Contact pressure under different pressure


图1718所示分别为全钢载重子午胎在P=0.93 MPa时不同的载荷(FN=11 760 、19 600、27 440、35 280 N)下,以80 km/h的速度自由滚动5×104 km后胎面磨耗轮廓对比及接地压力分布对比. 由图可以看出,随着载荷增加,轮胎的接地面积增大,中部花纹块接地压力逐渐增大,胎肩部逐渐受到压力. 随着下沉量的增大,胎侧的变形增大,接地压力分布的不均匀性增加,最大接地压力区域发生在胎肩部花纹块外侧. 接地压力分布的不均匀性加剧了胎面磨耗轮廓的不均匀性,表现为胎肩部花纹块也被磨成凸起形状(即花纹块边缘磨损更为严重),与此同时胎面中部花纹块的磨耗深度明显增大.

图 17

图 17   不同载荷下胎面磨耗轮廓对比

Fig.17   Comparison of wear under different load


图 18

图 18   不同载荷下轮胎接地压力对比

Fig.18   Contact pressure under different load


综合以上结果可以看出,充气压力减小,载荷增大都会引起轮胎接地面积增大,接地处变形增大,胎面磨耗轮廓的不均匀性加剧.

超压超载是全钢载重轮胎使用过程中的常态,这也是导致其磨耗问题突出的主要原因. 如图1920所示分别为轮胎在超压超载工况(P=1.2 MPa,FN=49 000 N)与额定充气压力荷载工况(P=0.93 MPa,FN=19 600 N)下以80 km/h 自由滚动5×104 km的胎面磨耗轮廓对比及接地压力分布对比. 可以看出,相比于额定工况,超压超载工况下胎面接地印痕近似矩形,接地压力最大值出现在胎肩部花纹块外侧区域,接地压力分布的不均匀性更为突出,由此导致胎面各花纹块出现剧烈的不均匀磨耗,特别是在胎肩处花纹块.

图 19

图 19   超压超载与额定压力荷载工况胎面磨耗轮廓对比

Fig.19   Comparison of tread wear under overpressure- overload and rated pressure load


图 20

图 20   超压超载与额定压力荷载下接地压力对比

Fig.20   Comparison of Ground imprint under overpressure- overload and rated pressure load


图21所示为超压超载工况与额定压力载荷下,轮胎自由滚动5×104 km的胎面橡胶磨耗质量对比. 在行驶5×104 km后,超压超载工况下轮胎橡胶的磨耗质量远大于额定压力荷载下的橡胶的磨耗质量,约为额定工况的1.56倍.

图 21

图 21   超压超载与额定压力荷载工况下胎面橡胶磨耗质量对比

Fig.21   Comparison of rubber quality under overpressure-overload and rated pressure load


5. 结 论

(1)利用室内磨耗和牵引试验机LAT100对12R22.5全钢载重子午胎胎面胶摩擦和磨耗性能进行测试,发现胎面胶摩擦系数,随滑移速度增加呈现先增大后趋于平稳,随接触压力增大呈现出先增大后减小而后趋于平稳的变化特征;橡胶磨耗速率随摩擦功率密度的增加而增大。利用速度和压力相关的摩擦模型及幂函数磨耗模型对测试结果进行有效表征. 在此基础上建立含纵向花纹的全钢载重子午胎有限元模型,采用磨耗后处理法,形成全钢载重子午胎胎面磨耗仿真求解策略. 将制动工况的仿真分析结果与道路试验结果进行对比,两者相对误差为10.2%,结果基本吻合,验证了磨耗数值求解策略的可靠性.

(2)仿真全钢载重子午胎在自由滚动、驱动、制动和侧偏工况下的胎面磨耗行为. 自由滚动工况轮胎胎面磨耗主要分布在胎肩以及花纹沟沟边,制动工况胎面磨耗深度最大处发生在胎肩部花纹块,驱动工况胎中部花纹块磨耗深度较大,侧偏工况胎面磨耗分布不对称. 在4种工况中,侧偏工况胎面橡胶磨耗速率最快,制动、驱动次之,自由滚动工况最慢.

(3)考察在自由滚动工况下,轮胎的载荷和充气压力对胎面磨耗的影响. 载荷增大、充气压力减小会引起轮胎接地面积增大,接地压力的不均匀性增加,中部花纹块的磨耗深度增大,胎侧磨耗加剧. 计算全钢载重轮胎在超压超载工况下自由滚动5×104 km后的磨耗质量,得出在超压超载工况下胎面橡胶磨耗质量接近额定工况的1.56倍. 与此同时,胎面花纹块不均匀磨耗加剧,胎侧花纹块区域磨损严重.

参考文献

GENT A N, WALTER J D. The pneumatic tire [M]. Washington, D C: National Highway Traffic Safety Administration, 2005.

[本文引用: 1]

SOUTHERN E

Rapid tire wear measurements using a two-wheeled trailer

[J]. Tire Science and Technology, 1973, 1 (1): 3- 16

DOI:10.2346/1.2167154      [本文引用: 1]

HUEMER T, LIU W N, EBERHARDSTEINER J

A 3D finite element formulation describing the friction behavior of rubber on ice and concrete surface

[J]. Engineering Computations, 2001, 18 (3/4): 417- 437

DOI:10.1108/02644400110387109      [本文引用: 1]

DORSCH V, BECKER A, VOSSEN L

Enhanced rubber friction model for finite element simulations of rolling tyres

[J]. Plastics, Rubber and Composites, 2002, 31 (10): 458- 464

DOI:10.1179/146580102225006486     

ZHENG D

Prediction of tire tread wear with FEM steady state rolling contact simulation

[J]. Tire Science and Technology, 2003, 31 (3): 189- 202

DOI:10.2346/1.2135268     

SMITH K R, KENNEDY R H, KNISLEY S B

Prediction of tire profile wear by steady-state FEM

[J]. Tire Science and Technology, 2008, 36 (4): 290- 303

DOI:10.2346/1.2999703      [本文引用: 1]

王国林, 王晨, 张建, 等

基于有限元分析的轮胎磨损性能优化

[J]. 汽车工程, 2009, 31 (9): 867- 870

DOI:10.3321/j.issn:1000-680X.2009.09.016     

WANG Guo-lin, WANG Chen, ZHANG Jian, et al

Tire wear performance optimization based on finite element analysis

[J]. Automotive Engineering, 2009, 31 (9): 867- 870

DOI:10.3321/j.issn:1000-680X.2009.09.016     

许顺凯, 臧孟炎, 周涛

基于几何更新方法的轮胎胎面磨耗行为分析

[J]. 机械设计与制造工程, 2018, 47 (3): 86- 90

DOI:10.3969/j.issn.2095-509X.2018.03.017      [本文引用: 1]

XU Shun-kai, ZANG Meng-yan, ZHOU Tao

Analysis of tire tread wear behavior based on updated geometry method

[J]. Machine Design and Manufacturing Engineering, 2018, 47 (3): 86- 90

DOI:10.3969/j.issn.2095-509X.2018.03.017      [本文引用: 1]

何涛, 李子然, 汪洋

子午线轮胎胎面花纹块滑动磨损有限元分析

[J]. 工程力学, 2010, 27 (7): 237- 243

URL     [本文引用: 1]

HE Tao, LI Zi-ran, WANG Yang

Finite element analysis for sliding abrasion of tread blocks of radial tire

[J]. Engineering Mechanics, 2010, 27 (7): 237- 243

URL     [本文引用: 1]

吴健, 王泽君, 王友善, 等

基于摩擦功的全钢载重子午线轮胎的磨耗性能研究

[J]. 橡胶工业, 2013, 60 (2): 80- 84

DOI:10.3969/j.issn.1000-890X.2013.02.003      [本文引用: 1]

WU Jian, WANG Ze-jun, WANG You-shan, et al

Study on wear property of truck and bus radial tire based on friction power

[J]. Rubber Industry, 2013, 60 (2): 80- 84

DOI:10.3969/j.issn.1000-890X.2013.02.003      [本文引用: 1]

CHO J R, CHOI J H, KIM Y S

Abrasive wear amount estimate for 3D patterned tire utilizing frictional dynamic rolling analysis

[J]. Tribology International, 2011, 44 (7): 850- 858

URL     [本文引用: 2]

JIN C, HOU C, JIN X

FE simulation of tire wear with complicated tread pattern

[J]. Procedia Engineering, 2011, 15: 5015- 5019

DOI:10.1016/j.proeng.2011.08.932      [本文引用: 1]

MUKRAS S, KIM N H, SAWYER W G, et al

Numerical integration schemes and parallel computation for wear prediction using finite element method

[J]. Wear, 2009, 266 (7-8): 822- 831

DOI:10.1016/j.wear.2008.12.016      [本文引用: 2]

LI Z, LI Z, WANG Y

An integrated approach for friction and wear simulation of tire tread rubber. Part I: friction test, characterization and modeling

[J]. Tire Science and Technology, 2020, 48 (2): 123- 145

DOI:10.2346/tire.19.170174      [本文引用: 1]

LI Z, LI Z, WANG Y

An integrated approach for friction and wear simulation of tire tread rubber. Part II: wear test, characterization and modeling

[J]. Tire Science and Technology, 2020, 48 (2): 146- 165

DOI:10.2346/tire.19.170175      [本文引用: 1]

黄文元, 王旭东, 刘瀚飚, 等

公路货运超载运输现状及对策的建议

[J]. 公路交通科技, 2003, 20 (2): 148- 152

DOI:10.3969/j.issn.1002-0268.2003.04.039      [本文引用: 1]

HUANG Wen-yuan, WANG Xu-dong, LIU Han-biao, et al

Overloaded trucking in China and countermeasures

[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2003, 20 (2): 148- 152

DOI:10.3969/j.issn.1002-0268.2003.04.039      [本文引用: 1]

YEOH O H

Some forms of the strain energy function for rubber

[J]. Rubber Chemistry and Technology, 1993, 66 (5): 754- 771

DOI:10.5254/1.3538343      [本文引用: 1]

夏勇, 李炜, 夏春光

自动网格法在轮胎橡胶力学行为测试中的应用

[J]. 实验力学, 2002, 17 (4): 412- 418

DOI:10.3969/j.issn.1001-4888.2002.04.004      [本文引用: 1]

XIA Yong, LI Wei, XIA Chun-guang

Application of automated grid method in the mechanical-behavior testing of tire rubber

[J]. Journal of Experimental Mechanics, 2002, 17 (4): 412- 418

DOI:10.3969/j.issn.1001-4888.2002.04.004      [本文引用: 1]

ABAQUS Inc. ABAQUS Analysis User's Manual Version 6.14 [M]. Providence, RI: Dassault Systèmes Simulia Corp, 2014.

[本文引用: 1]

PERSSON B N J

On the theory of rubber friction

[J]. Surface Science, 1999, 401 (3): 445- 454

[本文引用: 1]

KLUPPEL M, HEINRICH G

Rubber friction on self-affine road tracks

[J]. Rubber Chemistry and Technology, 2000, 7 (4): 578- 605

URL     [本文引用: 1]

李钊, 李子然, 夏源明

滚动轮胎接触摩擦行为的实验研究与数值分析

[J]. 上海交通大学学报, 2013, 47 (5): 817- 821

URL     [本文引用: 1]

LI Zhao, LI Zi-ran, XIA Yuan-ming

Experimental and numerical study of frictional contact behavior of rolling tire

[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2013, 47 (5): 817- 821

URL     [本文引用: 1]

LUPKER H, CHELI F, BRAGHIN F, et al

Numerical prediction of car tire wear

[J]. Tire Science and Technology, 2004, 32 (3): 164- 186

DOI:10.2346/1.2186780      [本文引用: 2]

李钊. 轮胎胎面磨耗行为的实验研究与数值分析[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2013.

[本文引用: 2]

LI Zhao. Experimental and numerical study on tire tread wear behavior [D]. Hefei: University of Science and Tecnology of China, 2013.

[本文引用: 2]

XIE L J, SCHMIDT J, SCHMIDT C, et al

2D FEM estimate of tool wear in turning operation

[J]. Wear, 2005, 258 (10): 1479- 1490

DOI:10.1016/j.wear.2004.11.004      [本文引用: 1]

尹海山. 轮胎磨耗及其温度场的理论与实验研究[D]. 青岛: 青岛科技大学, 2017.

[本文引用: 1]

YIN Hai-shan. Theoretical and experimental study on tire wear and temperature field [D]. Qingdao: Qingdao University of Science and Technology, 2017.

[本文引用: 1]

/