三角平衡輪廓輪胎溫度場(chǎng)的模擬
摘要:三角平衡輪廓輪胎是一種新型的輪胎結(jié)構(gòu),在其胎肩處和胎側(cè)處增加高強(qiáng)度的支撐塊來提高輪胎的性能。前期的力學(xué)分析表明,三角平衡輪廓輪胎的滾動(dòng)阻力比普通輪胎小,安全性能更高?;贏BAQUS軟件建立輪胎三維模型,模擬三角平衡輪廓輪胎以60公里/小時(shí)滾動(dòng)的工況,運(yùn)用USDFLD子程序得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的生熱率,確定輪胎滾動(dòng)下的熱邊界條件,最后得到溫度場(chǎng)。提取的數(shù)據(jù)表明,除了胎肩處沒有明顯的優(yōu)勢(shì),三角平衡輪胎整體的熱學(xué)性能比255/30R22輪胎的優(yōu)良。
1 引言
三角平衡輪廓是指基于低扁平率的傳統(tǒng)輪廓輪胎輪廓為基礎(chǔ),通過增大輪胎自由狀態(tài)下的斷面水平軸到胎圈的距離、縮短著合寬度、在胎肩部與胎側(cè)部的內(nèi)輪廓處增添高強(qiáng)度、耐高溫和耐磨損的支撐塊來對(duì)輪胎輪廓結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。作為新型結(jié)構(gòu)輪胎的支撐塊必須具有良好的力學(xué)性能和熱學(xué)性能。聚氨酯的力學(xué)特性介于塑料和橡膠之間,比橡膠強(qiáng)度高但比塑料抗沖擊。聚氨酯有一定吸振能力,作為輪胎的支撐塊既可以提高輪胎的剛度又保證了輪胎的舒適度。同時(shí)一般的聚氨酯的導(dǎo)熱性能差,所以要對(duì)聚氨酯改性。制備高導(dǎo)熱的高分子材料有兩種途徑。第一種是制備具有良好導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)的高分子材料,如具有共軛結(jié)構(gòu)的聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯等材料。這些材料共軛結(jié)構(gòu)大,能夠利用電子傳遞機(jī)制很好地導(dǎo)熱,導(dǎo)熱絕緣高分子材料制備的第二種途徑,就是向聚合物中填充導(dǎo)熱組分來制備高分子復(fù)合材料,通用的高導(dǎo)熱組分是高導(dǎo)熱的無機(jī)物,本文選擇向聚氨酯中填充碳纖維,其導(dǎo)熱率可達(dá)0.4-0.8W/m.k。
本文用ABAQUS 軟件建立三角平衡輪廓輪胎三維模型,先對(duì)其進(jìn)行以60公里/小時(shí)滾動(dòng)工況的力學(xué)分析,算出節(jié)點(diǎn)的生熱率,再建立熱分析模型,確定熱邊界條件,最后得到溫度場(chǎng)。
2 生熱機(jī)制
橡膠和聚氨酯支撐塊都是粘彈性材料,其生熱的機(jī)理是也一樣的。輪胎溫升是膠料滯后生熱以及與地面摩擦生熱導(dǎo)致的結(jié)果。在輪胎的穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)過程中,各部位受到應(yīng)力、應(yīng)變的作用,橡膠復(fù)合材料粘彈性造成的滯后損失成為生熱的主要原因。所以本文將忽略輪胎與路面的摩擦生熱只考慮材料的內(nèi)耗生熱。輪胎滾動(dòng)過程中,膠料的應(yīng)力是隨時(shí)間變化的周期曲線,任何周期曲線都可以經(jīng)過傅里葉變換用正弦曲線表示,材料的能量損耗和能量損耗率可以通過諧應(yīng)變模式下的能量損耗模型來計(jì)算,能量損耗是轉(zhuǎn)速和交變應(yīng)力幅的函數(shù)。
3 輪胎有限元模型的建立
3.1有限元模型的建立
首先建立二維的三角平衡輪廓軸對(duì)稱模型,骨架材料包括帶束層、冠帶層、胎體層、胎圈?;w材料包括帶束層膠、子口膠、冠帶層膠、胎圈膠、內(nèi)襯層、三角膠、胎側(cè)膠、胎面膠。膠料采用YEOH模型,骨架材料通過Embed功能嵌入對(duì)應(yīng)的膠料。三角支撐塊采用線彈性參數(shù),楊氏模量為510MP,泊松比為0.4。二維軸對(duì)稱模型通過SYMMETRIC MODEL GENERATION 功能建立三維模型。施加垂直載荷6800N,摩擦因數(shù)設(shè)為0.5,充氣壓力為0.29MP,滾動(dòng)速度為60公里/小時(shí)。力學(xué)分析所用的模型單元類型為C3D8H和C3D6H。只需把單元改為傳熱單元,材料力學(xué)參數(shù)改為熱參數(shù)就可以繼續(xù)做傳熱分析,熱參數(shù)包括導(dǎo)熱率和比熱容,比熱容是隨著溫度變化的參數(shù)。
圖1 不同輪廓輪胎的二維斷面網(wǎng)格
圖2 三維有限元模型
3.2邊界條件及載荷定義
本文溫度場(chǎng)分析假設(shè)輪胎的能量損耗只是由膠料的粘彈性引起的,不考慮輪胎與地面的摩擦生熱;輪胎的周向無溫度差;忽略表面的熱輻射。確定熱邊界條件是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)溫度場(chǎng)的必要條件,邊界條件有胎面、胎側(cè)與空氣的對(duì)流換熱,子口與輪輞的導(dǎo)熱系數(shù)。設(shè)定環(huán)境溫度為25℃。研究表明胎面、胎側(cè)與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)與輪胎表面的速度有關(guān),根據(jù)公式算出各個(gè)部分的參數(shù)。
4 結(jié)果與討論
4.1溫度場(chǎng)分析
從圖3中可以看出,255/30R22輪胎和三角平衡輪廓輪胎的溫度場(chǎng)分布大致相同,高溫區(qū)都出現(xiàn)在胎肩,前者的最高溫度為62℃,后者的最高溫度為63℃。255/30R22輪胎由于胎側(cè)和胎肩的膠料軟變形大而生熱多,三角平衡輪廓輪胎在三角塊的支撐下,胎側(cè)和胎肩的剛度提高,應(yīng)力應(yīng)變小而生熱少,但是三角塊增加了胎肩的厚度不利于散熱。最后兩個(gè)輪胎胎肩的溫度相近而三角平衡輪廓輪胎胎側(cè)溫度明顯小于255/30R22輪胎的。兩者胎圈膠料的最高溫度大致相同,但是255/30R22輪胎的高溫區(qū)域在胎圈中心處,這可能是因?yàn)樘?cè)高溫區(qū)的影響。而三角平衡輪廓輪胎胎圈高溫區(qū)域偏向輪輞接觸處。255/30R22輪胎胎冠緩沖帶中心處有一處高溫區(qū)而三角平衡輪廓輪胎沒有,原因是三角支撐塊拉伸了胎面使緩沖帶變形較小而生熱較小。圖中每種輪胎取了1-1、2-2、3-3和4-4路徑方便下文分析數(shù)據(jù)。
圖3不同輪胎的溫度場(chǎng)
4.2數(shù)據(jù)分析
圖4為4條路徑上的溫度分布。1-1為胎圈區(qū)的路徑,圖4(a)表明兩條曲線的前一半重合,三角平衡輪胎的后一半路徑上的溫度突然增高,最高溫度的位置較255/30R22輪胎的后移,這是因?yàn)?55/30R22輪胎此處的溫度受胎側(cè)的影響大,三角平衡輪胎沒有此影響而溫度區(qū)域偏向?qū)嵝院玫妮嗇y接觸處。2-2為胎側(cè)區(qū)的路徑,圖4(b)表明了三角平衡輪廓輪胎的優(yōu)越性,它的支撐塊起到了支撐和分擔(dān)胎側(cè)載荷的作用,其胎側(cè)整體的溫度不到255/30R22輪胎胎側(cè)溫度的一半,趨勢(shì)平緩,溫度分布均勻。3-3是在胎肩處過最高溫度取得路徑,圖4(c)可以看到兩者的最高溫度相差不大,兩條曲線相當(dāng)于左右平移了,三角平衡輪胎胎肩的最高溫度偏向內(nèi)表面,靠近骨架材料。4-4為輪胎為胎面中心區(qū)域的路徑。胎面為輪胎唯一與路面接觸的部位,承載了輪胎的垂直載荷。在載荷相同的情況下,圖4(c)表明三角平衡輪胎胎面路徑上溫度基本保持在環(huán)境溫度上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于255/30R22輪胎胎面路徑溫度,原因是三角塊撐直了胎面,減小了膠料的內(nèi)耗。圖5為骨架材料端點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的曲線圖。骨架材料端點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)相同,255/30R22輪胎達(dá)到溫度平衡的時(shí)間比三角平衡輪胎短。由于三角平衡輪胎胎肩高溫區(qū)向三角塊處偏移,這就導(dǎo)致三角平衡輪胎的第二帶束層端部溫度比255/30R22輪胎的低,第一冠帶層的溫度兩者相差不大,但是三角平衡輪胎的第一帶束層和第二帶束層的溫度都比255/30R22輪胎的高。三角平衡輪胎的優(yōu)勢(shì)在于兩個(gè)胎體反包處的溫度都很低,這可以防止胎體脫層。
圖4路徑上的溫度分布
圖5采樣點(diǎn)上的溫度曲線
5結(jié)論
本文在支撐塊提高輪胎力學(xué)性能的基礎(chǔ)上,做了255/30R22輪胎和三角平衡輪廓輪胎最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)的溫度場(chǎng)對(duì)比。得出結(jié)論如下:
(1)三角平衡輪胎提高了胎側(cè)的剛度使胎側(cè)的生熱小,支撐塊拉直了胎面使胎面變形小,所以胎側(cè)和胎面的溫度較低,同時(shí)三角塊的作用使胎肩的高溫區(qū)域向胎內(nèi)偏移。
(2)三角平衡輪胎胎體反包處的溫度較255/30R22輪胎低很多,避免出現(xiàn)胎體脫層破壞。
(3)除了胎肩處沒有明顯的優(yōu)勢(shì),三角平衡輪胎整體的熱學(xué)性能比255/30R22輪胎的好,如果改進(jìn)三角塊的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)其散熱功能,三角平衡輪胎能兼?zhèn)鋬?yōu)良的力學(xué)性能和熱學(xué)性能。
(唐霞 賀建蕓 薛梓晨 張金云 付新華 焦志偉 譚晶 楊衛(wèi)民)
(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院;三角輪胎股份有限公司)