CN111506965A - 一种轮胎结构设计方法及其应用 - Google Patents

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王友善
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Abstract

本发明公开了一种轮胎外廓及胎体仿真设计方法，具体为全钢子午线（TBR）轮胎。考虑轮胎受力和变形的能力以及胎体轮廓、胎面轮廓以及轮胎的平衡轮廓，以提高轮胎的耐久性能为目标。

Description

一种轮胎结构设计方法及其应用
技术领域
本发明属于轮胎结构设计方法领域，具体涉及一种全钢子午线(TBR)轮胎外轮廓和胎体仿真设计方法。
背景技术
我国运输车辆的轮胎通常在超负荷、气压高和偏载等非正常情况下使用，因此轮胎的轮廓变形增大，易发生胎肩、胎圈周围部位(简称胎圈部位)早期破坏的迹象。胎体轮廓构成轮胎内部封闭腔体，其轮廓形状对轮胎各个部位的受力状态和整体性能都有很大影响，应力集中是轮胎耐久破坏的第一个重要影响因素。为了减少应力集中，现有方法包括减少轮胎较厚部位的厚度，降低反包高度防止反包端点处帘线受压等，也有设计理论将轮胎胎面假设为橡胶平板，通过弯曲橡胶平板时发现上下层帘布的长度会发生变化,上层变长,下层变短,通过模型分析当上下层帘布的抗拉模量不同时胎面的变形情况，进而与轮胎的相关冠部破坏现象进行联系等。但由于传统的轮胎内轮廓一般采用多段弧经验设计，缺乏对轮胎动态平衡状态的考量，导致轮胎耐久性能不佳。同时，轮胎的耐久性能与其内部材料受力状态直接相关，传统实验方法很难获取材料内部的应力应变数值。
发明内容
本发通过应用有限元仿真技术，通过分析轮胎受力和变形的能力以及胎体轮廓、胎面轮廓和带束层结构对轮胎耐久性能的影响，对轮胎进行结构设计优化，考虑了轮胎的平衡轮廓，以提高轮胎的耐久性能为目标。
整体轮胎性能仿真分析过程如图1流程所示。
子午线轮胎按照带束层的结构特点可分为平直形式(轮胎断面高宽比较小)和曲线形式 (轮胎断面高宽比较大)，如图1所示，其中，r代表轮胎半径方向坐标轴；z代表轮胎宽度方向坐标；B为内轮廓最宽点；A为内轮廓最高点；K为胎体与带束层的切点；C为轮胎断面轮辋点，其意义为当轮胎发生变形时，从A点至轮辋的胎体轮廓曲线上第一个位移为零的点。内轮廓曲线在C点只有绕C点转动的自由度，L为胎体轮廓半长，R为带束层半径。
传统轮廓设计理论主要是以薄膜理论为基础，并结合余弦法则以及网格模型获得内轮廓方程，如式1所示，该内轮廓方程主要应用于斜交轮胎。
Figure RE-GDA0002514771910000011
其中，αA为胎体帘布角度，其他参数参考图2。
考虑子午线轮胎结构特点，假设在充气状态下胎体帘线长度保持不变。根据最小能量原理可知，轮胎在充气平衡状态下，内部贮存的能量应为最小，由此得到了充气状态下子午线轮胎的胎体内轮廓表达式：
Figure RE-GDA0002514771910000021
上述计算中进一步考虑轮胎设计规范，研究充气状态下平衡轮廓设计方法，平衡轮廓自动计算方法，计算方法如图3所示。
应用该平衡轮廓方程及设计方法设计可以使轮胎充气时内轮廓变形最小并且胎体变形最均匀。
同时对胎面轮廓H值(冠弧高度)进行设计，考察不同h变化对轮胎耐久性影响。
附图说明
图1整体轮胎性能仿真分析过程。
图2子午线轮胎胎体结构。
图3胎体平衡轮廓计算方法。
图4轮胎材料分布图。
图5轮胎二维网格图。
图6轮胎三维模型。
图7改进胎体轮廓前后材料分布图。
图8改进前后充气轮廓变形分析。
图9胎肩应力幅值。
图10胎肩应变幅值。
图11h值示意图。
图12不同胎面轮廓h值的材料分布图。
图13不同h值方案轮胎的接地印痕。
图14不同h值方案轮胎的应力幅值分量幅值对比。
图15不同h值方案轮胎的应变分量幅值对比。
图16不同方案下应变能密度。
图17不同h值方案下沉量对比。
图18结构改进前后对比图。
具体实施方式
初步建立整体轮胎性能仿真分析过程如图1所示。
轮胎的初始设计材料分布图如图4所示，在AutoCAD几何绘图软件中完成，手动在AutoCAD 软件中划分网格，将划分好网格的轮胎几何图形导入至哈尔滨工业大学开发的轮胎专用前处理软件TYABAS 3.0。设置边界条件，主要包括接地边界(轮胎与路面接触边界)、内表面边界(轮胎内部充气压力作用边界)和轮辋接触边界(轮胎与轮辋接触边界)。设置轮胎材料属性，橡胶材料采用线弹性本构模型，单元类型为C3D8R，钢丝材料使用Rebar单元来模拟，采用线弹性或超弹性本构模型，单元类型为SFMGAX1，除了模量、密度等基本力学参数外，还需根据实际轮胎结构定义其截面积、角度及间距等参数。最终轮胎二维网格如图5所示。
二维充气分析为轴对称受力分析，在二维充气分析结果的基础上，利用“Symmetric Model Generation”命令将二维模型转换为三维仿真模型，在轮胎周向上将其分为74段。由于轮胎与路面接触部分涉及到复杂的接触问题，因此将其细化，在轮胎与路面不接触的其他位置轮胎变形较小，为了减少计算量，将其网格尺寸设置较大，通过对比分析证实这种周向网格划分方法能够显著提高计算效率和收敛性，不会影响计算精度。将二维分析结果转换为三维模型时，其受力状态仍然保留，但相应的边界条件需重新设置，因此需对转换之后的三维模型再次进行充气分析，使轮胎内部应力达到平衡状态，在此基础上对轮胎施加载荷作用，进行受力分析，计算完成之后提取各部位受力状态。轮胎三维模式如图6所示。
选择315/70R22.5规格的全钢载重子午线轮胎进行设计，其主要用于长途运输卡车，具有载荷大、速度高和距离长等特点，因此轮胎肩部极易损坏。为了提高轮胎负荷能力，延长其使用寿命，采用平衡轮廓计算方法对内轮廓进行重新设计，利用本发明仿真方法进行分析，得到具体的材料分布及轮廓图如图7所示，可以看出改进前后轮廓的主要区别在于胎肩和胎圈部位，其他部位结构相同。
首先，通过仿真分析轮胎充气前后轮廓变化(如图8所示)，轮廓变化越小说明钢丝材料承担充气越大，橡胶材料受力越小，越有利于提高轮胎耐久性能。
然后，对轮胎进行负载分析，提取胎肩部位的应力幅值和应变幅值数据，进行对比，如图9和图10所示，从中可知通过改变胎体轮廓曲线，胎肩部位应力和应变幅值均有降低，这有利于提升肩部耐久水平。
除了胎体轮廓对轮胎性能有很大影响外，胎面轮廓也有很大影响，胎面轮廓的主要设计参数为h值，即冠弧高度(如图11所示)，本发明考察了胎面h值的变化对轮胎耐久性能的影响规律。设计了3个不同h值的轮胎，如图12所示，其他结构完全相同，h值分别为8.0mm、 8.3mm和8.5mm。利用有限元分析软件进行仿真分析，主要考察了应力、应变幅值以及应变能密度的变化情况。
利用有限元方法分析计算得到上述三种不同设计方案下接地印痕、应力、应变和应变能密度的变化情况(位置为二号带束层端点，因为此位置为主要破坏点)，结果如图13、图14、图15和图16所示。从图13可知，随着h值的增大，接地印痕边缘长度增大，随着h值的增大，印痕会出现蝴蝶形。
通过图14、图15和图16可以看出，随着胎面轮廓h值的增加，二号带束层端点橡胶材料应力应变幅值以及应变能密度均有所降。通过改变h值对胎体下沉量也有显著的影响，如图17所示，h值增大下沉量减小。选择朝阳橡胶轮胎公司A系列和B系列轮胎，这两种型号主要使用在中长途货运汽车和长途载重卡车上。针对两个系列的轮胎进行结构改进，通过机床测试，研究轮胎耐久性变化，进而验证本发明耐久性结构改进方法的可行性。
改进前后的轮胎结构材料分布如图18所示，A系列轮胎结构进行了胎体轮廓的改进，B 系列轮胎进行了胎体轮廓、外轮廓和带束层宽度的改进。
通过记录胎体最高温度和两个测温点的温度值，获得结构改变前后温度变化情况如表1 所示。
Figure RE-GDA0002514771910000041
表1结构改进前后轮胎生热情况变化
通过对轮胎是生热情况进行测量，测试结果显示A系列结构改进之前胎体区域最高温度为90.7，测温点1最高温度73.3，测温点2最高温度73.1；改进轮胎结构之后区域最高温度87.8，测温点1最高温度69.7，测温点2最高温度70.2，胎体区域温度下降19.2％，各测温点处温度均有明显下降。
B系列轮胎在结构改进之前胎体区域最高温度为116.2，测温点1最高温度88.1，测温点2最高温度96.7；改进轮胎结构之后区域最高温度103.7，测温点1最高温度88.2，测温点2最高温度83.5，胎体区域温度下降10.8％，各测温点处温度均有明显下降。
结论可知通过对轮胎结构设计改进，轮胎耐热性耐久性得到改进.
上述附图和实施例并不构成对本发明的保护范围的限定，本领域技术人员可以根据上述说明对本发明进行各种变化和应用。

Claims (6)

1.一种全钢子午线(TBR)轮胎外廓胎体仿真设计方法，其特征在于流程如下：使用绘图软件绘制材料分布图，在软件中划分网格，将划分好网格的轮胎几何图形导入轮胎专用前处理软件TYABAS 3.0，设置边界条件，轮胎材料属性，橡胶材料采用线弹性本构模型，采用线弹性或超弹性本构模型，构建轮胎二维网格，二维充气分析为轴对称受力分析，在二维充气分析结果的基础上，利用“Symmetric Model Generation”命令将二维模型转换为三维仿真模型，三维模型再次进行充气分析，使轮胎内部应力达到平衡状态，在此基础上对轮胎施加载荷作用，进行受力分析，计算完成之后提取各部位受力状态。
2.权利要求1所述设计方法，其特征在于：设置边界条件，包括轮胎与路面接触边界、轮胎内部充气压力作用边界、轮胎与轮辋接触边界；设置轮胎材料属性，橡胶材料采用线弹性本构模型，单元类型为C3D8R；钢丝材料使用Rebar单元来模拟，采用线弹性或超弹性本构模型，单元类型为SFMGAX1；设置参数包括模量、密度，并根据轮胎结构定义其截面积、角度及间距。
3.一种全钢子午线(TBR)轮胎外廓胎体仿真设计方法，其特征在于在计算方程式1，式2的基础上进一步考虑轮胎充气状态下平衡轮廓设计，其中计算方程和计算方法如下：
式1应用于斜交轮胎
Figure FDA0002448733180000011
其中，αA为胎体帘布角度，
充气状态下子午线轮胎的胎体内轮廓表达式为式2，
Figure FDA0002448733180000012
上述计算中进一步考虑充气状态下平衡轮廓设计方法，平衡轮廓自动计算方法如；
给定R，ZB，rA,rC和ZC，初始化Zk，初始化rB，如果|ZC1-ZC|＜0.5并且|ZB1-ZB|＜0.5则输出轮廓，如果|ZC1-ZC|＜0.5不满足，则回到初始化rB的步骤，如果|ZC1-ZC|＜0.5但|ZB1-ZB|≥0.5，则回到初始化Zk的步骤；
r代表轮胎半径方向坐标轴；z代表轮胎宽度方向坐标；B为内轮廓最宽点；A为内轮廓最高点；K为胎体与带束层的切点；C为轮胎断面轮辋点，其意义为当轮胎发生变形时，从A点至轮辋的胎体轮廓曲线上第一个位移为零的点，内轮廓曲线在C点只有绕C点转动的自由度，L为胎体轮廓半长，R为带束层半径。
4.根据权利要求1-3的设计方法，其特征在于冠弧高度h值为8.0-8.5mm。
5.一种全钢子午线(TBR)轮胎外廓胎体，其特征在于冠弧高度h值为8.0-8.5mm。
6.一种全钢子午线(TBR)轮胎，其特征在于以上述权利要求1-4的设计方法设计而成。
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