側傾工況下的非充氣輪胎接地特性研究

臧利國，王星宇，王 智，李瑤薇

(南京工程學院 汽車與軌道交通學院， 南京 211167)

輪胎是汽車行駛系的重要組成部分，是汽車與地面接觸的唯一載體，輪胎性能對整車的操縱穩定性、平順性、通過性、安全性等具有重要的影響[1-2]。近年來，為解決爆胎問題，安全輪胎成為提高汽車行駛安全性的重要研究方向之一[3-5]。非充氣輪胎由于具有無需維護氣壓、滾動阻力小等顯著優點而受到越來越多的關注[6-8]。

國內外學者為研發出舒適性[9]、使用性能優良的新型非充氣輪胎結構，開展了大量深入的科研工作[10-11]。文獻[12]研究了六邊形蜂窩輻條非充氣輪胎的靜接地壓力隨垂直載荷的變化規律，結果表明非充氣輪胎的接地壓力低于傳統的充氣輪胎。文獻[13]分析了非充氣輪胎在垂直載荷作用下基于輪輻形狀的垂直剛度特性，并基于參考輪胎模型對3個輪輻形狀經過修改的輪胎模型的垂直剛度特性進行了比較和分析。結果表明：圓角應用模型的垂直剛度最合適。文獻[14]建立了具有非線性輪輻的分析模型，利用ABAQUS驗證了模型的精準性。該模型包含更全面的結構參數和材料參數，能夠更真實地模擬非充氣輪胎的結構特性和靜態接地行為。文獻[15]采用非充氣輪胎單元配置方法，建立了柔性輪輻仿生非充氣輪胎模型，研究了輪胎在不同載荷作用下的徑向剛度、橫向剛度、縱向剛度、扭轉剛度和地面壓力。文獻[16]將有限元方法和神經網絡理論相結合，研究了不同鉸鏈長度和分布的微型汽車車輪外傾角和側偏特性。

文獻[17]設計了非接觸式試驗臺架，研究了不同充氣壓力、不同載荷工況，以及不同側偏角對接地壓力分布的影響。文獻[18]介紹了一種基于輪胎應變的試驗系統，利用室內輪胎試驗臺進行了不同工況下的試驗，如考慮一定外傾角的垂直載荷或滑移角度，結果證明：外傾角對應變信號有顯著影響。文獻[19]開發了輪胎理論模型，并預測了不同外傾角和路面不平度下的輪胎磨損模式。文獻[20]利用數值方法對輪胎接地特性參數以及滾動阻力之間的關系建立了回歸方程，作為評價輪胎滾動阻力的標準。文獻[21]建立了7種新幾何形狀的支撐結構非充氣輪胎有限元模型，并用實驗結果進行了驗證。研究了徑向剛度、接觸區域的單位壓力以及與不可變形表面接觸區域的相關參數。文獻[22]量化了蜂窩輪胎內部幾何參數對輪胎重量和力學性能的影響，設計了參數化的有限元模型，并對其進行了垂直加載，以評估其最大應力、接觸壓力和最大垂直位移。分析表明：蜂窩的密度、厚度和內角對垂直剛度有很大的影響。

本文在對非充氣輪胎進行仿真建模時，充分考慮了輪胎的復合結構特征，通過有限元仿真的方法對非充氣輪胎在不同側傾角工況下的垂向剛度和接地特性等進行分析，繪制了三維接地應力分布特征云圖，為非充氣車輪側傾工況下接地性能的研究提供指導與優化。

1 非充氣輪胎結構及承載原理

1.1 非充氣輪胎的結構組成

非充氣輪胎的結構如圖1所示，主要有外圓環、內圓環和連接體組成，內外圓環為主要支承部件。輪轂尺寸參數為225/65R17，在非充氣輪胎外端表面設計有與同尺寸子午線輪胎相似的結構。當非充氣車輪在地面上滾動時，通過外圓環和內圓環的彈性變形，可以實現路面不平度激勵的雙重減震。

圖1 非充氣輪胎結構示意圖

1.2 非充氣輪胎承載原理

非充氣輪胎采用頂部承載機制，輪胎接地部分基本不承擔負荷，通過接地區域以外的其他部分承擔大部分負荷，單位質量的承載效率較高[23]。當輪胎受到軸向載荷時，胎面將應力傳遞給連接體，連接體屬于剛性材料，其變形較小，由外圓環和內圓環受力產生彈性形變，而外圓環內表面與內圓環外表面為彈性結構，具有良好的承載及減振性能。與充氣輪胎和實心橡膠輪胎相比，非充氣輪胎在穩定性、承載能力等方面具有明顯的優勢。同時，由于采用了無充氣設計，充氣輪胎常見的危險因素如刺破泄氣、爆胎等問題也得以解決。圖2為非充氣輪胎的承載結構示意圖。

圖2 非充氣輪胎的承載結構示意圖

2 非充氣輪胎有限元模型

2.1 有限元模型的建立

1) 模型簡化

建立輪胎有限元模型必須考慮輪胎的非線性，由于輪胎復雜的多層次結構，且各層材料屬性又不相同，這使得輪胎模型在幾何結構，材料屬性和接觸上均存在非線性問題。

在對非充氣輪胎進行有限元分析時，為簡化計算過程，需對輪胎模型進行適當的簡化。由于對輪輞不作分析，忽略內圓環和輪輞之間的邊界接觸，限制內圓環內表面的自由度來模擬兩者的接觸；同時在該仿真工況下，花紋對輪胎受力影響不大，且考慮胎面花紋的輪胎模型與忽略花紋的輪胎模型在接地印痕區域的壓力分布整體上具有相似性，故忽略了胎面花紋，減少不必要的單元數量同時改善網格質量。最終導入有限元模型的零部件只包括非充氣輪胎和剛性地面，在ABAQUS中的非充氣輪胎模型如圖3所示。

圖3 非充氣輪胎有限元模型示意圖

2) 網格劃分與邊界條件

在對非充氣輪胎劃分網格時，所有網格均為六面體網格，網格類型選用C3D8，該網格類型比較適合接觸分析使用，非充氣輪胎共劃分47 650個網格，地面共劃分3 200個網格。該型號非充氣輪胎單個額定承重為8 000 N，加載方式為集中力加載，加載對象選擇地面控制點，方向豎直向上(Z方向)，在分析過程中為防止加載方向傾斜，所以對控制點進行約束，即僅釋放Z方向的自由度。為了提高收斂的效率，載荷施加方式采用幅值曲線的方式進行施加。

設置外圓環、內圓環與連接體的接觸類型均為表面與表面接觸，考慮到形變區域可能存在相對運動，故在接觸屬性設置中選擇切向行為、法向行為以及幾何屬性，滑移公式選擇小滑移。

3) 材料屬性

復合結構是輪胎的一個基本特征，輪胎的材料構成主要為橡膠、簾線-橡膠組合的復合材料與胎圈鋼絲。帶束層為簾線-橡膠復合層，選擇Mooney-Rivlin[24]為其本構模型。橡膠材料屬于不可壓縮類型的超彈性材料，用較大的泊松比來近似表示橡膠的不可壓縮性。表1和表2為輪胎相關材料參數。

表1 橡膠部件材料參數

表2 其余部件材料參數

2.2 有限元模型的驗證

非充氣輪胎與充氣輪胎均采用頂部承載的機制，故額定胎壓下的普通輪胎與非充氣輪胎在垂直載荷下具有相似的的負荷特性，其徑向位移呈現相似的規律性。為保證非充氣輪胎仿真結果的準確性，需要對其進行驗證。對比同尺寸，除胎側外結構一致的充氣輪胎負荷特性，提取其不同載荷下的輪胎下沉量。分別對2種輪胎施加0～10 000 N范圍內的垂直負載，擬合出2種輪胎負荷特性曲線，如圖4所示。

圖4 負荷特性曲線

由圖4可知：非充氣輪胎下沉量與負載的線性關系更為明顯，與充氣輪胎負荷特性具有相似性，隨著載荷的的增大，非充氣輪胎與普通輪胎相比承載能力更為優越，兩者的下沉量最大差值出現在負載10 000 N處，最大偏差為7.28%，由此可知，本文所建立的非充氣輪胎模型可用于側傾工況下的仿真研究。

3 側傾工況的輪胎特性仿真

3.1 側傾垂向剛度分析

輪胎的垂向剛度與汽車承載能力及行駛的平順性直接相關，而側傾工況是汽車行駛的常見工況，因此研究側傾工況下的非充氣輪胎垂向剛度具有重要意義。圖5所示為不同側傾角工況下的非充氣輪胎下沉量和所受垂向載荷的關系曲線。

圖5 側傾工況下非充氣輪胎下沉量與載荷的關系

由圖5可以看出：當側傾角一定時，非充氣輪胎的下沉量與載荷呈現正相關，但載荷較大時，下沉量的增長幅度呈現減小的趨勢，故非充氣輪胎的垂向剛度與垂直載荷呈正相關；在相同載荷下，輪胎下沉量隨側傾角度的增大而增大，故此時的非充氣輪胎垂向剛度隨側傾角度的增大而減小。

3.2 接地特性分析

充氣輪胎的垂向剛度和接地壓力都與氣壓直接耦合；而非充氣輪胎的接地壓力相對獨立，即接地壓力與垂向剛度解耦，同時垂向剛度、側向剛度和扭轉剛度也不再是強耦合關系。為研究不同側傾工況下的非充氣輪胎接地印跡分布規律，提取額定載荷8 000 N，不同側傾角度下的輪胎接地壓力仿真結果如圖6所示。

圖6 不同側傾角下的輪胎接地印痕仿真圖

由圖6可知：接地印跡在沿胎面寬方向呈對稱分布，隨著側傾角度的逐漸增大，輪胎橫向接地印跡緩慢減小，縱向接地印跡逐漸增大，最大接地應力逐漸增大。當側傾角較小時，接地印跡形狀呈現為梯形；當側傾角較大時，地面與輪胎接觸區域減小，接地印跡形狀逐漸呈現為三角形。當側傾角過大時，輪胎接地區域中心處的壓力逐漸向接地一側部位處集中，從而容易造成非充氣輪胎在胎肩以及胎面處的局部磨損。

為進一步研究非充氣輪胎接地壓力與接地面積的變化規律，直觀的展示非充氣輪胎接地印跡與接地應力大小的關系，在非充氣輪胎胎面建立5條平行輪胎接地印跡長度的路徑，如圖7(a)所示，同時提取沿接地印跡寬度方向上的對稱中心路徑，如圖7(b)所示。

圖7 接地印跡路徑示意圖

首先提取沿輪胎接地印跡長度的5條路徑上的輪胎接地特性參數，取側傾角為0°、2°、5°、8°、10°和12°的路徑1-5的接地應力，將其繪制成接地印跡長度、接地印跡寬度與接地應力大小的三維立體圖，如圖8所示。

圖8 沿接地印跡長度方向的三維接地應力分布

觀察圖8中的曲線可知：當非充氣輪胎無側傾角時，輪胎接地印跡在沿胎面寬方向上呈對稱分布，最大應力分布在胎肩兩側。隨著側傾角度的增大，輪胎的最大接地應力逐漸增大，且向側傾一側偏移。當輪胎的側傾角達到10°時，沿接地印跡長度方向的路徑3接地應力出現不均勻現象，這是由于此側傾角度下，輪胎與路面的邊緣接觸區域在胎面中心附近，從而導致此處應力變化復雜。

其次分析沿接地印跡寬度方向上的輪胎接地特性參數，取側傾角為0°、2°、5°、8°、10°和12°的路徑6的接地應力，如圖9所示。

圖9 沿接地印跡寬度方向的接地應力分布

由圖9可以看出：在沿接地印跡寬度方向上，非充氣輪胎接地應力逐漸減小，最大接地應力出現在側傾一側。當輪胎無側傾時，輪胎胎面的接地應力在沿輪胎寬方向上也呈現對稱分布規律。隨著側傾角的逐漸增大，最大接地應力也隨之增大，但接地區域減小，當側傾角達到12°時，輪胎的接地區域寬度約為無側傾工況下的接地寬度的一半。

在輪胎側傾工況的研究中，尤其是在大側傾角度的工況下，輪胎的接地應力是一個非常重要的問題，而負載大小是關鍵因素之一。圖10為不同載荷下側傾角度和最大接地應力關系曲線。

由圖10可見：隨著側傾角度的逐漸增大，輪胎與地面接觸區域的最大應力逐漸增大，這是由于非充氣輪胎與地面之間的接觸區域面積減小造成的。當側傾角一定時，最大接地應力值與載荷大小呈現正相關；當側傾角度大于8°后，非充氣輪胎最大接地應力增長幅度減小，略趨于平緩，但載荷為10 000 N時，最大接地應力的增長幅度反而增大，這是由于超載導致的輪胎不規則變形造成的。

圖10 最大接地壓力與側傾角變化的特征曲線

4 結論

1) 當側傾角一定時，非充氣輪胎的下沉量與載荷呈現正相關，但下沉量的增長幅度呈現減小的趨勢，即非充氣輪胎的垂向剛度與垂直載荷呈正相關；在相同載荷下，輪胎下沉量與側傾角呈現正相關，故此時的非充氣輪胎垂向剛度隨側傾角的增大反而減小。

2) 在側傾工況下，輪胎與地面接觸區域形狀由梯形轉變為三角形，接觸區域面積隨著輪胎側傾角度的增大逐漸減小；接地應力分布的均勻性變差，尤其是在胎肩和胎面部位形成應力集中，側傾角越大，均勻性越差。當側傾角超過10°時，胎面中心受力復雜，這是因為此時非充氣輪胎與地面接觸的邊緣區域位于胎面中心附近造成的。

3) 隨著側傾角的增大，輪胎與地面接觸區域的最大應力逐漸增大。當側傾角一定時，非充氣輪胎的最大接地應力值與載荷呈現正相關。當側傾角度大于8°，非充氣輪胎最大接地應力增長幅度減小，略趨于平緩，但在超載時，最大接地應力的增長幅度反而增大。