载重子午线轮胎橡胶材料时滞特性引起的滚动阻力分析

摘要

随着载重汽车工业、货物运输行业以及高速公路的发展，载重子午线轮胎替代载重斜交轮胎是必然的发展趋势。轮胎中由于橡胶材料时滞特性引起的滚动阻力(即内摩擦滚动阻力)是汽车无效燃料消耗的重要组成部分之一，降低轮胎内摩擦滚动阻力可节约能源，减少由于汽油的燃烧造成的大气污染，有利于人类居住环境的保护，有利于人们的身体健康；同时降低内摩擦滚动阻力还可以使得轮胎行驶中的内部材料温度降低，提高轮胎耐久性能和减少由于过多发热而引起的早期肩空等质量问题。 基于上述原因，本论文对载重子午线轮胎的内摩擦滚动阻力做了计算；并在此基础之上分析了使用条件(气压、载荷、速度以及使用轮辋宽度)、结构参数(外直径、断面宽、断面高宽比、胎侧曲线、胎圈宽度、带束层结构以及轮胎的设计轮辋配合宽度等)、轮胎各个部位骨架材料(胎体帘布层、胎圈部位的钢丝圈钢丝和增强钢丝帘布)力学特性对内摩擦滚动阻力的影响。为此，本论文做了如下几方面工作： 首先，建立了更加合理、准确的11.00R20规格三维非线性有限元模型，并对轮胎的静负荷以及稳态滚动工况下的变形与负荷性能等做了计算；分析了速度、负荷、气压对轮胎稳态滚动时接地压力分布的影响；得到了轮胎动负荷下的负荷特性曲线、接地面压力分布曲面图以及动负荷下轮胎接地面压力分布随速度、负荷与气压的变化趋势等结果。 其次，应用11.00R20载重子午线轮胎三维有限元分析模型的应力应变计算结果，通过MATLAB编程软件编制了轮胎的内摩擦滚动阻力计算程序；计算了载重子午线轮胎行驶过程中内摩擦滚动阻力在不同部位上的分布情况；分析了使用条件、结构参数和材料特性对轮胎内摩擦滚动阻力及其分布的影响趋势。 分析结果表明，胎面胶料的滞后损失占轮胎内摩擦滚动阻力的主要部分。要降低轮胎内摩擦滚动阻力，应当主要从降低胎面橡胶材料的滞后损耗因子方面来考虑；同时，轮胎的结构设计和骨架材料的力学特性对断面上应力应变分布产生影响，由此而引起的对材料内摩擦滚动阻力的影响也应当引起重视。 在本论文的研究工作中存在以下三方面的创新点： (1)建立了计算精度高的有限元模型 本文所建立的轮胎有限元模型采用处理非线性问题功能十分强大的MSC/MARC/MENTAT有限元分析软件，合理考虑了轮胎断面上各个部位的结构和受力情况，采取一定措施合理简化边界条件，计算结果中的静负荷下沉量与试验结果吻合良好。 (2)开发了轮胎内摩擦滚动阻力数值计算程序 采用4阶fourier函数拟合轮胎稳态滚动状态下旋转一周的应力和应变随轮胎转过一周时的位置的分布曲线，试验测定轮胎各个部位胶料应变滞后应力的相角，回归出应变滞后应力的闭合曲线，计算出能量损耗密度，从而计算内摩擦滚动阻力，该计算过程是通过编制MATLAT计算程序进行的。 (3)从计算结果中提出了对全钢丝载重子午线轮胎降低内摩擦滚动阻力的改进措施 基于上述新模型和新程序的计算结果对轮胎各部分的能耗分布情况的准确预测，本论文从轮胎的使用条件、结构参数和材料特性等方面提出了对载重子午线轮胎进行降低内摩擦滚动阻力优化设计的具体措施。 应用本论文的内摩擦滚动阻力分析结果，可对载重子午线轮胎降低内摩擦滚动阻力的结构设计与优化提供理论指导。但值得注意的是，由于内摩擦滚动阻力只是轮胎众多性能中的一个，在进行轮胎结构设计时，应当结合实际使用要求具体分析，在尽可能降低内摩擦滚动阻力的同时不要使轮胎的其它使用性能尤其是操纵安全性能等有所降低；另外，轮胎的各结构参数、材料特性参数对轮胎的使用性能的影响情况是相互联系的，因此在轮胎结构设计时，虽然考虑单个因素的独立影响效应必不可少，但整体结构设计完成之后还要做综合计算或试验测试以进行结构参数的进一步调整，从而使轮胎综合性能最佳化。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

北京化工大学学位论文原创性声明

第一章前言

1.1本课题研究的目的和意义

1.2本课题相关领域的历史、现状和前沿发展情况

1.2.1轮胎结构力学分析技术的发展

1.2.2橡胶弹性物理学实验与纤维增强复合材料的细观力学的发展

1.2.3降低轮胎内摩擦滚动阻力的研究进展

1.3前人的研究成果

1.3.1从研究橡胶性能方面降低轮胎内摩擦滚动阻力的研究成果

1.3.2从其它方面来研究降低轮胎内摩擦滚动阻力的研究成果

1.4本课题的研究内容

1.4.1研究方案

1.4.2实施方案所需要的条件

1.4.3拟解决的关键问题

1.4.4本课题难点分析

1.4.5预期的研究成果及创新点

第二章成品试验介绍

2.1外缘尺寸的测试

2.1.1轮胎外缘尺寸的概念

2.1.2轮胎外缘尺寸的测试方法

2.2负荷性能的测试

2.2.1负荷性能的测试设备

2.2.2静负荷性能的测试步骤

2.2.3静负荷性能测定时的注意事项

2.3滚动阻力的测试

2.3.1概述

2.3.2滚动阻力测试技术的发展

2.3.3稳态滚动阻力检测

2.3.4滚动阻力测试的影响因素分析

2.3.5不同类别轮胎的滚动阻力

第三章有限元模型的建立

3.1轮胎的结构特点

3.2材料分布和力学特性的测试

3.2.1钢丝骨架材料的测试

3.2.2橡胶材料的测试

3.3有限元模型的建立与验证

3.3.1单元介绍

3.3.2轮胎的二维轴对称模型

3.3.2轮胎的三维模型

3.4有限元模型的应用——动负荷性能及与静负荷性能的对比

3.4.1轮胎负荷性能概述

3.4.2轮胎负荷性能有关概念

3.4.3轮胎动负荷下断面轮廓变形分析

3.4.4轮胎负荷特性分析

3.4.5负荷下接地面的压力分布

3.4.6速度对接地压力分布的影响

3.4.7载荷对接地压力分布的影响

3.4.8充气内压对接地压力分布的影响

3.4.9轮胎负荷性能分析小结

3.5本章小结

第四章内摩擦滚动阻力数值分析模型

4.1内摩擦滚动阻力数学模型

4.2橡胶材料滞后特性

4.2.1滞后相角和损耗因子的概念

4.2.2橡胶滞后损失特性的试验测试

4.3内摩擦滚动阻力数值模型

4.3.1节点应力和应变的fourier曲线拟合

4.3.2节点滞后应变能密度的计算

4.3.3单元滞后能量损耗的计算

4.3.4内摩擦滚动阻力计算模型

4.3.5内摩擦滚动阻力计算程序

第五章内摩擦滚动阻力结果分析

5.1轮胎断面上各材料部分内摩擦滚动阻力分布

5.2使用条件对轮胎内摩擦滚动阻力的影响

5.2.1速度的影响

5.2.2载荷的影响

5.2.3气压的影响

5.2.4轮辋宽度的影响

5.2.5使用条件影响小结

5.3结构参数的影响

5.3.1外直径

5.3.2断面宽

5.3.3高宽比

5.3.4上、下胎侧曲线

5.3.5反包端点高度

5.3.6胎圈宽度

5.3.7带束层结构

5.3.8轮胎结构参数影响小结

5.4骨架材料特性的影响

5.4.1胎体钢丝

5.4.2胎圈钢丝

5.4.3胎圈增强层钢丝

5.4.4材料特性影响小结

5.5本章小结

第六章结论

6.1主要结论

6.1.1轮胎负荷性能有限元分析方面的结论

6.1.2轮胎断面上材料时滞能耗密度的分布

6.1.3内摩擦滚动阻力影响因素分析

6.2本论文创新点

6.3后续研究展望

参考文献：

附录

致谢

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