载重车辆翻新轮胎接地压力特性仿真及试验研究＊

齐晓杰 于建国

（东北林业大学交通学院1） 哈尔滨 150040） （黑龙江工程学院汽车与交通工程学院2） 哈尔滨 150050）

随着我国公路里程的快速延长，长距离、高速载重车辆运输里程逐年提高，为降低运输成本，节约橡胶资源和节能环保，翻新轮胎已经被普遍应用.但由于对翻新轮胎翻新工艺和使用方面还缺乏深入的研究，导致翻新轮胎在使用中经常出现早期磨损、老化及撕裂等失效现象频繁发生，因此，进行翻新轮胎力学特性方面的研究具有重要意义.翻新轮胎贴合胎面是使用胶炼机出片后进行热翻或冷翻，不仅二次粘附后与胎体的结合性能与新轮胎相比存在一定的差异，而且粘附胎面的接地力学性能也会发生变化［1－3］.

1 翻新轮胎接地力学描述

翻新轮胎的接地面积、接地压力在仿真分析及试验研究基础上可采用如下公式进行计算，翻新轮胎与同型号同品牌的新轮胎相比，翻新轮胎的接地面积较新轮胎的要小，平均接地压力较新轮胎的要大.

1）接地长度、宽度和面积公式［4］

接地面积

式中：D为轮胎直径；δ为轮胎直径；B0为胎面宽度；s，t为经验系数；λ为系数，当b＜0.95B0时，λ＝0；当b≥0.95B0时，λ＝1.

2）接地压力公式 各国学者在进行轮胎的力学特性分析时，采用梯形和抛物线形等不同的表达形式来模拟轮胎的垂直压力分布.本研究借鉴日本学者Sakai提出的接地压力方程：

翻新子午线轮胎n＝4

3）平均接地压力公式 轮胎载荷除以接地面积即得平均接地压力，并用下式表示

式中：pg为接地平均压力，Pa；W 为轮胎载荷，N；A为接地面积，m2.

2 接地力学特性有限元仿真

1）建模及定义单元类型 11R22.5翻新轮胎胎面层、缓冲层、胎体层3部分层合结构的复合材料［5］几何模型如图1所示，利用ANSYS层单元对轮胎进行模拟，采用的单元类型为Solid46，接触问题中采用CONTACT173接触单元和TARGET170接触单元用来模拟轮胎与刚性地面的接触，路面采用的单元类型为Plane42.

图1 层合结构几何模型

2）定义材料属性及创建有限元模型 将翻新轮胎胎面层、缓冲层视为各项同性材料，其弹性模量由实验测得.翻新轮胎胎体视为正交各向异性材料，根据各向异性的弹性体力学本构方程，胎体为横向同性钢丝帘线／橡胶复合材料，其材料整体特性参数测定较为困难［6－7］.为此，本文以复合材料力学中典型的0°排列复合平板模型为基础，结合钢丝帘线／橡胶复合材料的力学特点，部分参数实验测定，胎体材料整体特性参数采用Gough－Tangorra公式［8］计算得出.沥青路面弹性模量［9－10］为EX＝1.6×109Pa，泊松比为 PRXY＝0.25.建立的有限元模型如图2所示，有限元模型中共有个170 071单元，69 366个节点.

图2 有限元模型

3）施加边界条件及约束 将轮胎与轮辋的接触面进行ALL DOF全约束，轮胎与地面接触面建立接触对，定义轮胎为变形体，地面为刚体，接触摩擦系数设定为0.7，接触模型如图3所示.

4）施加载荷并求解 在翻新轮胎有限元模型的内表面分别施加830 k Pa（标准充气压）、730，630，530 k Pa的压力，并在轮胎的垂直平面内施予与无负荷轮胎接触的地面相对于轮胎一定位移，即为轮胎的固定下沉量.采用大变形非线性进行求解，收敛准则和加强收敛的措施采用以作用力F为主，位移U为辅的收敛判据，迭代运算次数为70次.

图3 接触对的建立

3 有限元仿真结果分析

1）接地中心区域压力分析 图4所示为翻新轮胎的接地应力云图，分析可知，接地中心区域的压力值为138 478 Pa，接地中心周围的压力值为348 360，625 316 Pa，说明在接地中心区域的压力值最小，而接地中心周围沿轮胎滚动及宽度方向压力值均增大.图5为不同工况下接地中心区域压力值曲线，分析可知，垂直载荷较低时，接地中心的压力值较大，随着载荷的增加，接地中心的压力值减小，变化规律近似线性，而且接地中心区域的压力值和充气压力有关，载荷一定时，充气压力越高，接地中心区域压力值越大.

图4 接地中心区域压力分布

2）接地压力分布状况分析.在图6所示的接地曲线上选取8个节点，即位于胎肩部位的节点27 203，28 389，2 839，28 393，28 394，27 198和位于接地中心部位的节点28 391，28 392，并取得各节点在不同工况下的压力值.本文列举了充气压力830 k Pa（标准充气压力）、3 000 kg（标准载荷）2种工况的接地压力分布曲线见图7～8.从图中可以看出，翻新轮胎的接地压力分布曲线近似抛物线形状，胎肩部位压力较大，接地中心区域压力较小.充气压力一定时，随着载荷的增大，最大接地压力点移向胎肩两侧，载荷越大，胎肩部位的压力值越大，而接地中心区域的压力值变化不明显，说明载荷变化对轮胎胎肩区域的压力值影响较大，对轮胎中心区域的接地压力值影响较小.载荷一定时，随着充气压力的增大，胎肩部位和接地中心区域的压力值均减小，说明充气压力变化对轮胎胎肩区域和接地中心区域的压力值均有较大影响.由此，可以说明翻新轮胎胎面撕裂失效的部位常出现在胎肩部位.

图5 不同工况下接地中心区域压力值

图6 接地曲线选取

图7 充气压力830 k Pa不同载荷下接地压力分布

3）接地面积分析.不同工况下的接地面积曲线如图9所示.从图中可看出，充气压力一定时，随着轮胎载荷的增大，接地面积增大，增大趋势近似线性规律；载荷一定，随着充气压力的减小，接地面积增大.此仿真结果与轮胎实际工况吻合.

图8 载荷3 000 kg不同充气压力下接地压力分布

图9 不同工况下接地面积曲线

4 翻新轮胎接地力学特性试验研究

1）试验方法 翻新轮胎接地力学特性试验装置简图如图10所示.试验中，加载力F2与轮胎支反力F1（载荷）存在以下关系：F2×a＝F1×b（其中b＝2a），即F2＝2F1.不同载荷、充气压力下的接地压力值由压力传感器6测定.接地面积由测力板上留下的压痕面积来进行标定.

图10 接地力学特性试验装置简图

2）试验结果及分析 图11，12为接地压力和接地面积实测曲线图，从图中可以看出，接地压力曲线近似抛物线形状，接地面积曲线近似线性规律，实测结果与经验公式计算、有限元模型仿真结果有较好的一致性.图13为翻新轮胎与同品牌同型号的新轮胎充气压力为830 k Pa时接地面积对比曲线，分析可知，相同载荷情况下，翻新轮胎的接地面积较新轮胎小，主要原因是翻新轮胎由于存在一定程度的老化，其弹性性能发生变化，导致翻新轮胎的径向变形比新轮胎小，根据构建的接地力学特性数学模型可知，翻新轮胎的接地长度变小，从而使其接地面积较新轮胎要小.

图11 接地压力实测曲线

图12 接地面积实测曲线

图13 接地面积对比曲线

图14 a），b），c）表示充气压力为830 k Pa时不同载荷下11.00R22.5型翻新轮胎的接地印痕.从图中可以看出，充气压力一定，随着轮胎载荷的增加，接地长度、宽度和面积都有不同程度的增加.在试验所用充气压力及侧向力、外倾角均为零的条件下，翻新轮胎印迹面积随垂直载荷的增加而增大，载荷小时轮胎在接地中心附近区域与地面接触，印迹近似圆形（如图14a））.当垂直载荷增加到某一定值时，轮胎将在整个宽度上与地面接触（如图14b））印迹近似为椭圆形，垂直载荷再继续增加，轮胎印迹宽度不变，印迹长度增加，印迹面积增大，印迹近似矩形（如图14c））.这与轮胎的接地形状大多介于矩形和椭圆形之间的结论相吻合.从图14所示中还可以看出，翻新轮胎胎面上一点的接地压力分布与轮胎的充气压力、轮胎所受载荷、行驶工况和该点在胎面上的位置有关.载荷变化对轮胎胎面中心区域的接地压力值影响较小，印痕较浅，对胎肩区域的接地压力值影响较大，印痕较深，这与经验计算及仿真分析结果相一致.

5 结 论

图14 充气压力为830 k Pa时不同载荷下的印迹

1）翻新子午线轮胎在接地区域中心部位的压力值最小，向胎肩两侧部位逐渐增大.

2）充气压力一定，翻新轮胎随着载荷的增大，胎肩部位的压力值越大，而接地中心区域的压力值变化较缓慢，说明载荷变化对翻新轮胎胎肩区域的压力值影响较大，对翻新轮胎中心区域的接地压力值影响较小.载荷一定时，随着充气压力的增大，胎肩部位和接地中心区域的压力值均减小，说明充气压力载荷变化对翻新轮胎胎肩区域和接地中心区域的压力值均有较大影响.

3）充气压力一定，翻新轮胎随着轮胎载荷的增大，接地面积增大，增大趋势近似线性规律；载荷一定，随着充气压力的减小，接地面积增大.仿真分析与实测表明，翻新轮胎与同牌同型号的新轮胎相比，其接地面积较新轮胎要小.

4）充气压力一定，翻新轮胎的接地印痕随垂直载荷的增加而增大，从圆形变成椭圆形并当垂直载荷增加到某一定值时近似矩形，实测试验表明印痕中心较其他部位颜色浅，进一步验证了轮胎接地中心区域的压力值较小.

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