沖擊負(fù)荷作用下輪胎胎圈破壞機(jī)理研究

張永鋒，張建浩，王慎平，隋永強(qiáng)

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

輪胎主要影響車輛的操縱性、駕乘舒適性以及安全性等，是汽車最主要的部件之一。由于駕駛環(huán)境的復(fù)雜性，輪胎在使用過程中極易受到?jīng)_擊負(fù)荷作用，主要表現(xiàn)為胎側(cè)/胎肩鼓包、漏氣、胎圈破裂等[1-3]，因此輪胎抗破壞性能也是設(shè)計(jì)過程中重點(diǎn)考慮的問題，各大車企和輪胎企業(yè)都十分重視輪胎抗沖擊性能的研究。目前輪胎抗沖擊性能評價(jià)主要以試驗(yàn)為主，采用擺錘試驗(yàn)[4]和45°實(shí)車撞擊測試評價(jià)輪胎的抗鼓包性能，并制定了相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)值分析的方法也逐漸引入到輪胎抗沖擊性能分析中，H.WENG等[5]采用數(shù)值分析的方法，研究了輪胎與水下凸起障礙物相互作用的力學(xué)性能；王立臣等[6]建立了帶有凸塊的輪胎越障仿真模型，并與測試結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了仿真分析方法研究輪胎抗沖擊性能的可靠性。

本工作以輪胎受到撞擊后產(chǎn)生的胎圈周向破壞現(xiàn)象（見圖1）為研究內(nèi)容，采用數(shù)值分析的方法，探究胎圈破壞機(jī)理，并分析提升輪胎抗沖擊性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素。

圖1 胎圈周向破壞

1 研究內(nèi)容及參數(shù)

以225/50R17子午線輪胎為研究對象，參照某車型參數(shù)，同時(shí)結(jié)合數(shù)值分析邊界條件可行性，設(shè)定單胎負(fù)荷為4 200 N，輪胎充氣壓力與車輛推薦充氣壓力一致，取240 kPa，通過凹坑時(shí)速度為30 km·h-1，簡化車輛懸架系統(tǒng)，剛度設(shè)定為50 N·mm-1。因破壞位置發(fā)生在胎圈位置，為探究影響抗沖擊性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素，以胎圈膠模量和胎圈膠厚度為變量，分別建立4個(gè)數(shù)值分析模型，具體方案見表1。為保證胎圈關(guān)鍵控制點(diǎn)（見圖2）厚度，方案3和4減小了三角膠高度。

圖2 關(guān)鍵控制點(diǎn)示意

表1 研究方案

2 輪胎有限元模型建立

2.1 路面模型

由于實(shí)際路況的多樣性，在駕駛過程中經(jīng)常遇到有障礙物、路面破損或凹坑的路況。車輛高速行駛過程中，駕駛員更容易判斷凸出的障礙物，從而及時(shí)減速避讓。而對于前方突然出現(xiàn)的凹坑路面，則較難判斷其深度，容易錯(cuò)過最佳的減速時(shí)機(jī)，導(dǎo)致碰撞發(fā)生。因此車輛在高速下更容易受到凹坑路面的沖擊負(fù)荷，故本分析選用凹坑路面與輪胎進(jìn)行作用，凹坑尺寸如圖3所示。

圖3 凹坑尺寸示意

2.2 輪胎有限元模型

選用有限元分析軟件Abaqus進(jìn)行輪胎充氣、加載和撞擊受力分析。根據(jù)輪胎材料和各部件的力學(xué)特性，選用Yeoh本構(gòu)模型對橡膠材料進(jìn)行描述，輪胎骨架材料選用Rebar單元定義。橡膠材料的單元類型選用減縮積分單元C3D6和C3D8R，骨架材料選用SFM3D4R。為了節(jié)約計(jì)算成本，輪輞采用解析剛體，忽略輪胎花紋和細(xì)小鋼片，沖擊仿真模型見圖4。

圖4 沖擊仿真模型

3 輪胎性能分析

3.1 剛度

輪胎徑向剛度代表了輪胎抵抗整體徑向形變的能力，本研究采用的凹坑模型接觸面垂直作用于輪胎行駛方向，故將輪胎徑向剛度作為輪胎抗沖擊性能的基礎(chǔ)評價(jià)指標(biāo)，方案1—4的輪胎徑向剛度測試結(jié)果分別為293.6，295.2，289.8和291.1 N·mm-1。由此可見，胎圈膠模量和三角膠高度增大，輪胎徑向剛度增大。

3.2 胎圈破壞機(jī)理分析

輪胎在正面撞擊障礙物過程中，胎圈部位瞬間受到輪輞邊緣強(qiáng)大的擠壓作用力，最大壓強(qiáng)超過胎圈膠最大破壞壓強(qiáng)極限會導(dǎo)致胎圈破裂[7]，胎圈撞擊受力分布如圖5所示。結(jié)合胎圈破壞位置以及胎圈最大壓強(qiáng)，本研究以胎圈最大壓強(qiáng)作為評價(jià)胎圈承壓的指標(biāo)。

圖5 胎圈撞擊受力分布

4 仿真結(jié)果評價(jià)

基于以上破壞機(jī)理分析結(jié)果，對比4個(gè)方案輪胎胎圈最大壓強(qiáng)，有限元分析結(jié)果見圖6。

由圖6可見，方案1—4輪胎胎圈最大壓強(qiáng)分別為23.11，21.96，21.47和20.27 MPa。由此可知在保證關(guān)鍵點(diǎn)厚度的前提下，增大胎圈膠模量和胎圈膠厚度可以有效降低胎圈壓強(qiáng)，方案4輪胎胎圈最大壓強(qiáng)比方案1輪胎胎圈降低了12.3%，有效提升了胎圈抗沖擊性能。

圖6 各方案輪胎胎圈部位最大壓強(qiáng)有限元分析結(jié)果

此外，方案1—4輪胎胎圈受力部位簾線張力分別為44.9，36.2，27.4和28.6 N，差異明顯。從分析結(jié)果可得，增大胎圈膠厚度可以有效降低破壞位置簾線張力。

5 結(jié)論

胎圈周向破壞是輪胎受到?jīng)_擊負(fù)荷最主要的破壞形式之一。以輪胎和常見的凹坑路面為研究對象，建立輪胎發(fā)生碰撞時(shí)的數(shù)值分析模型，研究胎圈破壞機(jī)理，重點(diǎn)分析胎圈膠模量和胎圈膠厚度對輪胎抗沖擊性能的影響。結(jié)果表明，增大胎圈膠模量和胎圈膠厚度，可以有效提高輪胎抗沖擊性能。