基于有限元方法的輪胎花紋主溝排水特性研究

席巖，劉晶晶，張凱凱，王龍慶，趙明明

（青島森麒麟輪胎股份有限公司，山東 青島 266229）

輪胎濕地性能是實車測試的重要項目。研究表明，輪胎在濕滑路面上的抓著性能并不僅受單一因素的影響，而是受輪胎膠料、花紋和路面條件等多種因素的共同作用[1]。T.OKANO等[2]通過實車驗證方法發現，隨著花紋溝槽寬度的增大，輪胎滑水臨界速度增大。周海超等[3]采用計算流體動力學的方法建立了考慮花紋溝接地變形特征的輪胎滑水分析模型，從微觀流場角度分析了輪胎滑水過程中的水流特征及胎面動水壓力分布等流場特性，研究了不同水膜厚度、水流速度及縱向和橫向花紋結構設計對輪胎滑水性能的影響。J.R.CHO等[4]利用三維花紋輪胎的滑水分析建立數值-解析方法，測得濕路面制動距離比干路面制動距離延長約20%。

1 抓著及滑水原理

在干路面條件下，輪胎抓著力是因胎面膠與路面摩擦而產生的，其抓地的兩個主要機理是輪胎與路面之間微觀分子粘附作用和花紋塊變形適應路面微小凹凸點產生的粗糙度效應，其前提是輪胎與路面之間需要直接接觸。水的存在會干擾抓地機制，相當于輪胎與路面之間被水隔開，為了讓輪胎能夠抓住潮濕路面，應首先分散積水以恢復干燥狀態的接觸。

當輪胎以一定速度駛入儲水路面后，輪胎與濕路面之間主要形成3個不同作用區域，如圖1所示。

圖1 輪胎與濕路面接觸區域示意

第1區域在接地前緣附近，主要表現為動力滑水作用，輪胎會將前方的一小塊水向前“推”，因輪胎行駛速度與積水流動速度的差異，推動水流形成近似于楔形的水岸，使積水的流動狀態改變。輪胎接地前緣對積水的沖擊使水壓上升產生動水壓力，動水壓力與輪胎在內部氣壓與負荷作用下的垂向耦合力平衡，一旦動水壓力大于垂向耦合力，輪胎將被抬起，大量積水涌入第2和第3區域，導致輪胎無法與路面直接接觸，失去與路面有效接觸才能產生的縱向、側向、轉向駕駛工況下的抓地特性，水越深，車速越快，這種影響越大，最終會削弱抓地潛力。因此，在第1區域內輪胎的主要控制點應為擴散和排水，即盡快將阻擋在輪胎接地前端的大部分積水排至輪胎兩側，使第2區域（粘性滑水區域）殘留更少的積水或不超過橫向和縱向花紋溝槽的儲水極限，提高第3區域（完全接觸區域）的有效接地[5-8]。

第1區域的有效排水是輪胎在濕路面尤其是厚水膜路面上行駛的關鍵控制目標。在輪胎設計中通過合理設計胎面的花紋溝槽和接地印痕來優化接地前端的排水能力。根據流體力學原理，圓形接地印痕輪胎比矩形接地印痕輪胎更容易在水中前進，因為矩形接觸面會產生更大的阻力。除優化輪胎接地印痕形狀可以分散積水外，輪胎的花紋主溝設計對動力滑水區域的排水特性也有至關重要的影響。

本工作通過試驗設計法結合有限元分析，研究輪胎花紋主溝寬度與主溝位置分布兩個影響因子在不同水平下對排水特性的影響，包括在直行和一定角度轉向條件下的滑水特性。

2 試驗設計

2.1 輪胎有限元模型

本工作以205/55R16輪胎為研究對象，首先進行結構材料分布圖的簡化，網格劃分采用Abaqus軟件，考慮輪胎變形的材料非線性、接觸非線性等復雜力學特性，建立帶縱溝輪胎的有限元模型（見圖2）并進行滑水模擬分析。簾線骨架材料采用Rebar嵌入式單元；橡膠材料采用線性減縮積分單元C3D8R單元表示；橡膠材料選用Yeoh超彈性模型；骨架材料選用線彈性模型。

2.2 水流有限元模型

水流有限元模型可分為水流域和空域兩個部分。水流域和空域的不同之處在于初始計算時，水流域的材料為水，即該區域的每個歐拉網格的體積分數為1.0，而空域的每個歐拉網格的體積分數為0。單元類型選取Abaqus中的EC3D8R單元，即三維8節點一階線性、減縮積分的歐拉單元。因歐拉網格固定不動，不存在沙漏現象，故不需要進行沙漏控制。

水流有限元模型、整體輪胎滑水有限元模型、輪胎滑水過程分別如圖3—5所示。

圖3 水流有限元模型

圖4 輪胎滑水有限元模型

圖5 輪胎滑水過程示意

2.3 方案設計

本工作采用2個因子、2個水平方案設計。因子A為主溝位置分布，2個水平分別為中心分布、胎肩分布。因子B為主溝寬度，2個水平分別為中心主溝寬度大于胎肩主溝寬度（簡稱中心溝寬）、胎肩主溝寬度大于中心主溝寬度（簡稱肩溝寬）。

從整周輪胎花紋中截取的局部花紋如圖6所示，其中，L1為中心主溝寬度，L2為胎肩主溝寬度，W1為花紋筋寬度。W1越大，4條主溝越分散，越趨向于胎肩分布；W1越小，4條主溝越集中，越趨向于中心分布。

圖6 輪胎局部花紋示意

因子和水平參數見表1。根據試驗設計的因子分析方法，共有A1B1，A1B2，A2B1和A2B24個方案。

表1 因子和水平參數

3 結果與討論

3.1 滑水仿真結果

仿真默認輸入條件為：充氣壓力250 kPa，負荷492 kg，行駛速度60 km·h-1，轉向角度30°。以輪胎與路面接觸法向力為評價指標，當輪胎駛入水流域后，因動力滑水作用在行駛一段時間后接觸法向力逐漸減小直至輪胎失去與路面的接觸而失效。為保證數據的準確性，本工作選取數據曲線積分面積作為參考指標，對比各研究方案輪胎與路面接觸法向力之間的顯著程度。

直行滑水和轉向滑水仿真數據分別見表2和3。

表2 直行滑水仿真數據

表3 轉向滑水仿真數據

直行和轉向條件下輪胎與路面接觸法向力隨時間的變化如圖7所示。

圖7 不同行駛條件下輪胎與路面接觸法向力-時間曲線

3.2 因子分析

根據直行滑水和轉向滑水仿真結果，以積分面積為響應指標在Minitab軟件中進行因子分析，得到直行滑水和轉向滑水各影響因子的主效應圖，如圖8所示。

圖8 不同行駛條件下影響因子的主效應

由圖8可知：積分面積具有望大特性，在直行滑水和轉向滑水行駛條件下，因子B主溝寬度的影響均比因子A主溝位置分布的影響顯著；肩溝寬、主溝趨向胎肩分布，抗直行滑水性能較好；中心溝寬、主溝趨向中心分布，抗轉向滑水性能較好。

4 結語

在實車測試中輪胎濕地性能通常有主觀和客觀兩種評價方式，車手進行直行加減速、轉向及極限操控等，同時結合最大水漂車速等客觀指標來綜合評價輪胎濕地性能。在輪胎開發階段可采用有限元方法研究微觀狀態下的水流狀態及滑水特性。本工作試驗結果表明，在直行和轉向兩種行駛條件下不同寬度和位置分布的花紋主溝呈現出不同的排水特性，且主溝寬度的影響比主溝位置分布的影響顯著，這可為局部花紋排水性能的優化提供參考。