轮胎胎面磨耗仿真分析及磨耗特性的研究

摘要

轮胎是汽车与路面接触的唯一部件，承受着整车质量以及地面对车身的冲击，直接影响汽车的动力性、安全性和可靠性等性能。耐磨性作为轮胎性能的重要指标，直接制约着轮胎的使用寿命。轮胎橡胶磨耗性能的影响因素有很多，而轮胎滞后生热通过改变温度和胎压这两个因素影响轮胎磨耗性能，因此研究滞后生热对轮胎胎面磨耗性能影响的研究具有重要意义。本文以195/55R1585H子午线轮胎为研究对象，采用理论分析、数值求解以及有限元法研究了轮胎滞后生热引起的胎压变化对胎面磨耗性能的影响。　　首先研究负荷、角度、速度、温度和胎面胶配方这五个因素对橡胶材料磨耗性能的影响，经过分析得到了轮胎磨耗性能影响因素以及各因素间的关系：角度对磨耗性能影响最大；负荷的影响次之；速度对磨耗性能的影响主要是通过温度来体现，温度对橡胶材料影响机理最为复杂；胶料配方主要是通过影响橡胶的力学性能来影响橡胶材料和轮胎的磨耗性能。　　其次，通过对轮胎生热机理和轮胎滚动阻力机理的深入研究，得到轮胎滞后生热计算公式；再经过分析轮胎滞后生热与轮胎温度之间的关系，得到轮胎粘弹滞后损失与温度之间存在四次函数的关系；然后根据热力学定律中温度和气压的关系，探究得到轮胎滞后损失与胎压之间的函数关系；最后在分析胎压对轮胎磨耗量影响的基础上建立轮胎滞后损失引起的胎压变化对轮胎胎面磨耗量影响的预测模型。　　然后，根据195/55R1585H子午线轮胎的实际尺寸和参数建立精确的有限元模型；选用了Yeoh模型来表征橡胶材料的力学性能，选择加强筋模型来表征轮胎骨架材料的力学特性，并对轮胎各部分材料模型的参数进行计算求解，准确确定加强筋单元的材料参数；最后建立了轮胎平面轴对称有限元模型和轮胎三维有限元模型，并对充入0.24MPa空气压力后的轮胎二维和三维有限元模型位移变化与实际情况进行比较，比较结果进一步证明建立的有限元模型是有效的。　　最后，提出一种考虑磨耗过程历史依赖性以及方向性的全新磨耗模型，并根据提出的磨耗模型在ABAQUS有限元软件中对轮胎分别以80km/h、100km/h、120km/h的速度行驶10000km后的胎面磨耗量进行计算；然后将仿真结果与建立的预测模型的预测结果进行比较分析。对比结果显示：预测模型计算得到的磨耗量与仿真结果相近，误差为10.46%，证明建立的预测模型是有效的。进而可以得出建立的预测模型对预测轮胎胎面磨耗量具有重要意义。

目录

声明

变量注释表

1 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2.1 国内外轮胎有限元分析的研究现状

1.2.2 国内外橡胶磨耗机理研究现状

1.2.3 国内外轮胎磨耗性能的研究现状

1.3 本文主要研究内容及技术路线

2 橡胶磨耗机理及影响因素探究

2.1 引 言

2.2.1 磨耗的定义及磨耗、磨损、摩擦三者的区分

2.2.2 橡胶磨耗分类及特点

2.2.3 磨耗过程及磨耗评定方法

2.3 负荷对磨耗特性的影响

2.4 角度对磨耗特性的影响

2.5 速度对磨耗特性的影响

2.6 温度对磨耗特性的影响

2.7 胶料配方对磨耗特性的影响

2.7.1 炭黑

2.7.2 白炭黑

2.8 本章小结

3 轮胎胎面磨耗量预测模型

3.1 引 言

3.2 轮胎生热机理

3.2.1 摩擦生热

3.2.2 滞后生热

3.3 轮胎滚动阻力发生机理

3.3.1 轮胎的滞后损失

3.3.2 轮胎滚动阻力的计算

3.4 粘弹滞后损失能量计算

3.5 滞后生热与胎压的定量分析

3.5.1 温度和胎压的关系

3.5.2 滞后生热对轮胎温度的影响

3.5.3 滞后生热对胎压的影响

3.6 胎压对轮胎磨耗量的影响

3.7 本章小结

4 轮胎有限元模型的建立

4.1 引 言

4.2 轮胎的结构特点

4.3 轮胎橡胶材料本构模型的选择

4.4 骨架材料模型的选择

4.5 轮胎二维轴对称模型的建立

4.5.1 绘制草图

4.5.2 创建部件

4.5.3 网格划分

4.5.4 创建材料库并赋予材料属性

4.5.5 部件装配

4.5.6 设置分析步

4.5.7 互相作用

4.5.8 定义边界条件及载荷

4.6 轮胎三维有限元模型的建立

4.7 充气工况模拟

4.8 轮胎有限元模型的验证

4.9 本章小结

5 轮胎胎面磨耗仿真分析

5.1 引 言

5.2 磨耗模型的改进

5.2.1 定向损伤的演化

5.2.2磨耗速率

5.3 轮胎垂直载荷加载

5.4 轮胎稳态滚动工况模拟

5.5 轮胎胎面仿真结果分析

5.5.1 轮胎胎面接地印记对比

5.5.2 磨耗胎面分析

5.6.1 预测模型的预测结果

5.6.2 仿真结果与预测结果对比分析

5.7 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

参考文献

作者简历

致谢

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