（工程热物理专业论文）滚动轮胎温度场的理论与实验研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要 论文以具有广阔应用前景的子午线轮胎的温度场为研究方案，从理论和实验两 个方面分别作了研究，并对结果进行了对比分析，取得了可供工程实际应用的子午 线轮胎温度场有限元计算程序。 论文首先给出了本课题的研究背景和轮胎的基本知识，分析了研究本课题的意 义和研究现状，进而提出了研究的目的、方法和技术路线以及可期待的研究结果。 对滚动轮胎温度场的理论研究，使用了有限单元法这个工具。论文从分析轮胎 结构的特点入手，考虑轮胎结构的轴对称性和受力的周期性，将轮胎温度场的分析 局限于轮胎的断面结构上，简化了计算模型，但不失计算结果的精度和应用范围。 论文首先分析了轮胎各部分的设计特点以及轮胎结构设计的基本参数和附加参数， 根据实际要求和设计经验，提出了进行轮胎结构设计的总原则，解决了程序语言中 圆的纵横比不统一和求解方程时误差太大的问题等，编制出了用于轮胎结构设计的 子程序和总程序，实现了轮胎断面结构的计算机设计。另一方面，通过对滚动轮胎 结构、受力和生热特点的分析，提出了用有内热源的轴对称温度场模型进行分析， 并运用变分原理，得到了有内热源轴对称稳态温度场整体区域变分计算的基本方程。 然后将整体区域d 划分成有限个单元并得到相应的有限个节点，从而可以得到 关于每个单元的变分计算方程，将这有限个方程相加就得到了总体合成的代数方程 组，即k 】 7 ) = p ) ，其中【嗣为方程组的系数矩阵，也称温度刚度矩阵， n 为未知 温度值的列向量， 尸 为等式右端项组成的列向量。此前当然应先确定三角形单元的 剖分规则，单元内的温度插值函数，得出内部单元及各类边界单元的变分计算公式。 区域d 上的有限元网格的划分，必须采用计算机自动剖分的方式。以便适应轮胎结 构设计中方案的多变以及大量单元信息的正确记录。论文在给出了有限单元网格的 剖分规则后，分析了计算机程序的特点如信息储存、单元的自动编号、节点坐标的 确定等，编制了有限元网格自动剖分计算程序，实现了轮胎断面结构的计算机自动 西敛业。至此：澍邃动捡脸迥厘扬蕉盈直腿丞盐簋数塑诠壅鱼签昌进堑壶望! i ，。，-r。ff0 华中科技大学博士学位论文 轮胎胶料的某些热力学和传热学特性以及滚动轮胎的热边界条件是进行温度场 计算的前提。论文采用动态力学分析技术( d ) ，使用n e t z s c hd m a2 4 2 型实验仪， 获得了轮胎用七种胶料的生热率随温度变化曲线，确知除内衬层胶以外，其它各种 胶料在般胎温范围内( 1 0 8 0 ) 的生热率随温度变化不大：轮胎胶料的导热 系数根据傅立叶定律的基本原理，采用稳态法在自行搭建的实验台上进行测试，结 果表明，材料的导热系数在2 0 8 0 的温度范围内随温度里线性变化，论文给出 了各种材料导热系数的线性变化的关系式 = 厶+ 6 髓其厶和b 的值；轮胎胶料的比 热运用差式扫描量热原理( d s c ) ，在n e t z s c hd s c 2 0 4 型d s c 实验仪上进行测试，结果 表明，胶料的比热随温度的变化呈线性变化，其关系可用c = “+ 6 7 表示，文中给出了 根据实验数据拟合的c 。、b 的值：对轮胎表面的对流换热系数的测定，本文先将滚动 的轮胎简化为有直线运动的旋转圆盘，而后采用萘升华热质比拟技术，在风洞中测量 了滚动轮胎表面的对流换热系数，结果表明，圆盘表面对流换热系数与转速呈线性 关系，即 = 5 ，3 9 9 + o0 2 5 8 一，轮胎表面对流换热系数与其直线运动的速度呈线性关系， 臣 = 52 9 9 + 1 2 4 3 8 v 。 在以上工作的基础上，论文对滚动轮胎温度场的有限元计算给予了说明，其中 给出了代数解算的步骤，系数矩阵 n 在汁算机j 二的形成及其变带宽存储( 节约计算 机的存贮单元) ，以及计算中需输入的参数等。然后以2 0 5 7 5 r 1 5 型子午线轮胎为例 进行了计算，结果表明，胎冠部的温度最高，眙内侧的温度高于胎外侧的温度等，与前 人积累的经验基本吻合 为了进一步验证计算结果的可靠性，论文用同样型号( 2 0 5 7 5 r 1 5 ) 的轮胎进行了 实验研究。研究在轮胎转鼓实验机上进行，采用预埋热电偶的手段，实验方法难度大， 但能直接测量轮胎特定部位的温度，便于对比。实验结果与理论计算结果对比分析表 明：两种方法所得结果相差不大，最大误差小于2 0 ，不同位置点的温度相比较，整体 变化趋势一致，产生最高温度的部位相同等。因此，论文给出的滚动轮胎温度场的有 限元计算方法及其计算程序是可靠的，研究和改进计算中产生误差的原因，使之更完 善，必将可为轮胎结构设计等提供快速、精确、可靠的滚动轮胎温度场的计算软件 在今后的工作中，还应开展以下方面的研究：计算结果的更直观输出和最高温度 华中科技大学博士学位论文 及其部位的输出、轮胎温度场的三维有限元分析、瞬时温度场的计算、映射技术在 轮胎有限元网格剖分中的应用以及轮胎温度场实验技术的全面改进，尤其是测温热 电偶的有效性等。 关键词。温度场有限元方法轮胎热物性测量热质比拟 对流换热边界温度场实验 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t t h er o j l j n gm e r i d i a l lt i r e ，w h i c hw i l lf i n dab r o a du s ei nf u t u r e ，i sa s s i g n e dt ob et h e o b j e c t t ob es n l d i e di nt h ep a p e r t h e o r e t i c a ia n de x p e r i m e n t a l r e s e a r c h e s h a v eb e e nm a d e r e s p e c t i v e l ya n ds u r e l y ac o m p a r i s o na n da n a l y s i sh a sb e e nm a d ef o rt h e i rr e s u l t s a sa r e s u l t ，at e n t a t i v ef i n i t ee l e m e n tp r o 酽a mh a sb e e ng a i n e df o rt h ec a l c u i a t i o no fi n t e m a i t e m p e r a t u r ef l e l do f m e r i d i a n t i r e t h eb a c k g r o u n do ft h er e s e a r c ha n dab r i e fi n t r o d u c t i o nt or o l l i n gm e r i d i a nt i r ca r e p r e s e n t e di no r d e lt h r o u g ha n a l y s i so f t h es i g n i 行c a n c ea n dt h ep r e s e n tr e s e a r c h i n gs t a t e f o rt h i st o p i c ，t h ep u r p o s e ，t h em e t h o d ，t h et e c h n i q u em u t i n ef o rt h er e s e a r c ha n di t s p r o m i s i n g r e s u l t sa r eh a l l d e do u t f i n i t ee l e m e n tm e t l l o di su s e df o rt 1 1 et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho fm et e m d e r a t u r ef i e l do f r o “i n gt i r e c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft i r es t n l c t u r eb e i n ga ) 【i a l s y m m e t r ya 1 1 d p e r i o d i cb e a r i n gf o r c e ，t h et e m p e r a t u r ef i e l dm a y b ea n a l y z e dw i t h i ni t sc r o s ss e c t i o n ， w h i c hs i m p i m e st h ec a l c u l a t i o nm o d e lw i t h o u tl o s i n gt h ep r e c i s i o na n dn a r r o w i n gu s i n g s c o p eo fi t s r e s u j t s t h ec h a r a c t e r i s t i c si nd e s i g no fc o m p o n e n t so f “r e s ，f h n d 锄e n l a l p a r a m e t e r sa n ds u p p l e m e n t a r yp a r a m e t e r sf o rd e s i g no f t i r es t m c t u r ea r ea n a l y z e d t h e n a c c o r d i n gt op r a c t i c a lr e q u i r e m e n t sa n de x p e r i e n c ei nd e s i g n ，g e n e r a lp “n c i p l e sf b rt i r e d e s i g na r ep u tf o n v a r d t h ep m b l e m so fd i s a c c o r do fc i r c l e sr a d i u s e si nv e n i c a la i l d h o r i z o n t a la x i sa n dt h ee x c e s s i v ee r r o r si ns o l v i n ge q u a t i o n sa r es o l v e d a tl a s t ，w i t ht l l e w o r ka c c o m p l i s h e da b o v e ，c o m p u t e rd e s i g no ft i r ec r o s ss e c t i o nm a yb ea c h i e v e da r e r c o m p l e t i n gt h o s ec o m p u t e rp r o g r a m sf o rt h ed e s i g n o nt i l e o t h c rh a n d ，t h et e m p e r a t u r c 行e l do fm l l i n gt i r ec a nb ec o n s i d e r e da sat e m p e r a t l l r ef i e l d i na ) ( i a i s y m m e t r yw i t l l i n t e m a lh e a ts o u r c ea f t e ra n a l y z i n gi t s d i s t i n g u i s h e df e a t u r e si ns t r u c t u r e ，b e a r i n gf o r c e a i l dh e a tg e n c r a t i o n i nt h i sf o u n d a t i o n ，t h ef h n d a m e n t a le q u a t i o n sm a yb eo b t a i n e do f j 型曲地上丛丛曲坦塑j 堕旦h 监堡g i 鲤! 堕! ! ! ! ! ! ! ! 墅p ! ! ! 塑堡! ! ! 坚! 璺坚! ! ! ! ! 璺翌! ! 翌! 堑! i v 华中科技大学博士学位论文 i n t e m a lh e a ts o u r c eb yu s i n gv a r i a t i o np r i n c i p l e s d i v i d et h ew h o l er e 2 i o ndi n t on n i t eu n i t sa n dc o r r e s p o n d i n gl i n kp o i n t sm a yb eo b t a i n e d c o n s t r u c t i n gt h ee q u a t j o no fv a r i a t i o nc a l c u l a t i o na b o u te v e r ye l e m e n ti e a d st ot h e n n i t en u m b e ro f e q u a t i o n s f u r t h e rm o r e ，a l g e b r ae q u a t i o ng m u p f o rg e n e r a is y n t h e s j sa r eg a i n e db ya d d i n gt h e s e 行n i t e n u m b e ro f e q u a t i o n s ，t h a ti s ，【k 】扩) = 尸) w h e r e 【网i s t h ec o e m c i e n tm a t r j xo ft h ee q u a t i o ng m u p ， o rs a yt h et e m p e r a t u r er i g j d i t ym a t r j x ， n j st h er o w v e c t o ro f u n k n o w n t e m p e r a t u r ea n d p ) l s t h em w v e c t o ro ft h et e r m so nt h er i g h ts i d eo ft h ee q u a t j o n t h epr i n c i p l e sf o rd i v i d i n gt “a n g i eu n i t s ，t h e t e m p e r a t u r ei n t e r p o l a t i n gf u n c t i o na n dv a r i a t i o nc a l c u l a t i o ne q u a t i o n sf o ri n t e m a iu n j t sa n dk i n d so f b o u n d a r yu n i t ss h o u i db ed e t e r m i n e da h e a d t h en n i t e n e t si nr e g j o ndh 踮t ob ed i v i d e da u t o m a t i c a l l y b yc o m p u t e rs oa st os a t i s f yt h em u i t ic h a n g e so ft i r ed e s i g na n dt or e c o r dr i g h t l yal a r g ea m o u n to f i n f o r m a t i o no ft h eu n i t s a r e rg i v i n go u tt h ep “n c j p i e so fd i v j d i n gn n i t ee i e m e n tn e t s ，f e a t u r e so f t h e c o m p u t e rp m g m m s a r ed i s c u s s e d ， f o r e x a m p l e ， t or e c o r d i n f o r m a t i o n ， t on u m b e rt h eu n i t s a u t o m a t i c a l l ya n dt od e t e r m j n et h ec o o r d i n a t e so fl i n kp o j n t s ，e t c h a v i n gn n j s h e dt h ec o m p u t e r p r o g r a m sf o rd i v i d i n gn n i t ee i e m e n tn e t s 叫t o m a t i c a l ly t h ec r o s ss e c t i o no ft i r e sm a yb ed i v j d e d a u t o m a t i c “i yb yc o m p u t e r a ti 壮t ，t h et h e o r e t i c a ip r e p a r a t i o nf o rc a l c u i a t i o no ft e l n p e r a t u r en e i do f r o l l i n gt i r eb yn n j t ee l e m e n tm e t h o dh 鹊b e e n n n i s h e d s o m em a t e r i a lp r o p e r t i e so fr u b b e rf o rt h e r n l o d y n a m i c s 帅dh c a tt r a n s f e ra n dh e a t b o u n d a r yc o n d i t i o n so fr o l l i n gt i r e s 甜ee s s e n t i a lf o rt h ec a l c u l a t i o no ft e m p e 豫c u r ef i e l d t h eh e a tg e n e r a t i o nc l l r v e so fs e v e nr u b b e rm a t e r i a l su s e di nt i r c sw i t ht h ec h a n g e so f t e m p e r a t u r eh a v eb e e no b t a i n e db yu s i n gd y n 跏l i c m e c h a l l i c sa n a l y s i st e 咖l i q u e ( d m a ) o nn e t z s c hd m a 2 4 2i n s t n l m e n t ， k n o w i n gt h a tt l i e h e a tg e n e r a t i o no fe v e r yo t h e r r u b b e rm a t e r i a i se x c 印ti n n e rl i n e rr u b b e rc h 姐g e sl i g l l t l ya l o n e 、i t l lt l l e t e m p e r a t i l r e w i t h i n1o 8 0 a c c o r d i n gt ot i 地f o u r i e rl a w m eh e a tt r 眦s f e rc o e m c i e m so f t i r c n l b b e ra r em e 髂u r e d b y s t a b l em e t l l o do ns e l f m a d e e x p e r i m c n t i n s 讯l m e m t h e c o e m c i e n t sc h a n g e sl i n e a l l y 们m i n2 0 8 0 a n dt h cr e l 砒i o nf b m l u l a s 五= 厶+ 6 ， a r eg i v e no u ta t t a c h e dw i t h 。a l l db t h es p e c i f i ch e a to ft i r en l b b e r 缸em e 拈l l r e do n q i 笪i ! ! 堕i ! ! s ! 望望i ! g 曼坐塑i 里! ! 笪望! 曼2 堕星! 兰曼曼婪望! 竺! ! 兰坚! ! 皇! ! ! ! 苎! ! 璺! ! 坚! v 华中科技大学博： 学位论文 t e m p e r a t u r e a r ei i n e a ra n dt h ef - o n n u l ai s c = c 。十6 r ，w h e r ec da n d 6 g a i n e d n 口m e x p e r i m e n t r e s u l td 2 嚏aa r ep r e s e n t e di nt h ep a p e r 1 h eh e a tc o n v e c t i o nc o e m c i e n t so nt h e s u r f a c eo fr o l l i n gt i r ea r em e a s u r e da c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fh e a t m a s st r a n s f e r a n a l o g yp r i n c i p l ea n e rs i m p l i f y i n gr 0 1 l i n gt i r ei n t or o t a t i n gd i s kw i t hs t r a i 曲tm o v e m e n t o nw i n dc h a n n e l t h er e l a t i o nw i t hr o t a t i o ns p e e do fd i s ki sl i n e a ra s = 5 3 9 9 + o 0 2 5 8 ” a n d t h er e i a t i o n w i t hs t r a i g h t l i n es p e e d o f t i r e i s i i n e a r t o o ， = 5 2 9 9 + 1 2 4 3 8 v o nt h eb a s i so ft h ew o r ka b o v e ，t h ec a l c u l a t i o no fr o l l i n gt i r e b yf i n i t ee l e m e n t n l e t h o di sd e s c “b e di nd e t a i li n c i u d i n gt h es t e p so fa l g e b r as o l u t i o n ，t h ef b n n a t i o no f c o e m c i e n tm a t r j xi nc o m p u t e ra n di t sr e s e r v ei nc h a l l g i n gb a n dw i d t hi nc o m p u t c r ( f o r s a v i n g r e s e r v e 眦i t s ) a n dt h e p a r 舢e t e r s n e e d e ( 1t ob e i n p u t i nc a l c u l a t i o n t h e t e m p e r a t u r en e i do f2 0 5 ，7 5 r 1 5t i r ei sc a l c u l a t c da sa ne x a r n p l e a sar e s u l t ，t 1 1 eh i g h e s t t e m p e r a t u r ei sg e n e r a t e di nt r e a dc 印o f t h et i r ea 们t h e t e m p e r a t u r ei ni n n e rs i d ei sh i g h e r t h a nt h a t 洒o u i e rs i d e ，w h i c hi si na c c o r d a n c ew i t ht h ef b 咖e r e x p e r i e n c e t h et e m p e r 叭i r ef i e l do ft h es a m e t y p eo f t i wh a sb e e nt e s t e dt oi n s u r et h er e l i a b i l i t y o ft h ec a l c u l a t i o n ，w h i c hi sd o n ei na r o t a t i n gd m me x p e r i m e n te q u i p m e n t t h em e t h o do f b u r y i n gt h e r m oc o u p l e si n t i r e i s e m p l o y e d ，w h ；c hi s d i f f i c u l tt ob ea c c o m p l i s h e db u t m a k e s p o s s i b i et om e a s u r e m e t e m p e r a t u r eo ns p e c i ：l jp o s i t i o nt 0g e tc o m p a r ee a s i ly t h e c o m p a “s o na n da n a l y s i sb e t w e e n t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et l l a tt h et w o r e s u l t sb ew i t ht l l es 锄et e n d e n c yi nt h ew h o l e r e g i f ) na r dt h ed i f f c r e n c e sa r en o t t o ob l g w i t ht h eb i g g e s te r r o rl e s st 1 1 a n2 0 p e r c e n t t h e yg e tt h eh i g h e s tt e m p e m t u r eo nt i l es 锄e p o s i t i o n r h c r e f b r e t h e6 n i t ee l e m e mm e t h o do fc a l c u l “n gt h e t e m p e r a _ t u r en e l do f 1 0 l l i n gt i r ea f l dt h ec o m p u t e rp r o g r a l n sp r e s e n t e db y t h ep a p e ri sr e l i a b l e f u r t l l e rw o r kt o s t u d ya t l di m p r o v et h ec a l c u i a t i o nt om a k ee r r d rs m a l i e rs h o u l db ed o n et og e taf a s t e r ， m o r e p r e c i s ea r dh l o r er e l i a b i ec a l c u l a t i o np r o 酽锄o ft e m p e r a t u r ef i e l df o rt i r cs t r u c t u r e d e s i g n s o m ew o r k si nd i f r e r e n ta s p e c t sc a nb ec o n s i d e f e dt od oi nf u t u r e ：m o r ev i v j do u t p u t ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竖! 型! ! ! 。! 堕坚! ! ! ! ! 皇! ! ! p 旦12 1 ：型! ! 坚坚i ! 坚婴- g ! 垡! ! 堡 v i 1 1 i 曼! ! 墼! ! 璺望! 望! 竺堡! 避 华中科技大学博士学位论文 芦i m e n s i o nf i n i t ee i e m e n ta n a i y s i so ft i r et e m p e r a t u r e 矗e l d ，c a l c u l a t i o no fi n s t a n t a n e o u s t e m p e r a t u r en e l d ，t h eu s eo fi m a g et e c h n i q u ei nd i v i d i n gf l n i t ee l e m e mn e t sa f l da 1 1 m u n d i m p r o v e m e n to fe x p e r i m e n 诅1t e c h n i q u ef o rr o 儿i n gt i r et e m p e r a t u r en e i de s p e c i a l i yf o r g e t t i n gm o r ee f r c c t i v et h e n n oc o u p l e s k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r ef i e l dn n i t ee l e m e n tm e t h o dt i r c m e a s u r e m e n to f m a t e r i a lp r o p e r t y h e a ta n dm a s st r a n s f e r a 1 1 a l o g c o r e c t i o nh c a tt r a t l s f e rb o u n d a r y t e m p e r a t u r ef i e i de x p e r i m e n t 一 v i i 华中科技大学博士学位论文 1绪论 1 1 轮胎的基本知识 - 轮胎是在光、热、臭氧、湿气和机械力等复杂因素作用下产生大的几何学非线 性变形和材料性能非线性改变的构件。其基本的职能是支撑车辆重量，传递驱动和 制动力矩，提供吸振与包络能力以及保证转向稳定性等。此外，轮胎还应具有诸如 抗磨性、低滚动阻力、耐久性等性能特点。因此，对轮胎的研究需要多学科的交叉 和综合，目前已兴起的轮胎力学、轮胎热学、汽车轮胎学等就是专门研究轮胎某一 方面的特性或综合特性的学科。为了对轮胎有一个基本的了解，先简单介绍一些轮 胎的基本知识。 1 1 1 轮胎的历史与分类 充气轮胎的原形于1 8 4 5 年由苏格兰人汤姆孙( r w _ n o m s o n ) 发明，1 8 8 8 年同样是苏格兰人的邓录普( j b d u n l o p ) 制作成功了接近于实用的轮胎。此后， 随着轮胎使用材料的改善，轮胎花纹的出现，轮胎轮圈的定型等，使轮胎的耐久性、 安全性、对各种路面的适应性等大大提高。专用轮胎在1 9 3 0 年代获得了长足发展。 1 9 1 3 年英国人提出了子午线轮胎的概念，1 9 4 6 年法国米其林公司取得实用化成功。 自此，轿车轮胎从斜交轮胎转向子午线轮胎的趋势已经开始，这种动向的最主要理 由是：除了平顺性外，其他性能如耐久性、耐磨耗性、耐发热性、操纵性、滚动阻 力等，子午线轮胎都比斜交轮胎优越很多，而且这种平顺性不好的缺点，可由汽车 本身悬架系统的改善在很大程度上得到弥补。 按轮胎的结构特点，轮胎可分为：斜交轮胎、子午线轮胎和带束斜交轮胎。 斜交轮胎是斜帘布层轮胎的简称，又名交叉帘布层轮胎，其名称来源于作为轮 胎最主要部分的胎体结构。其结构如图1 1 所示。 子午线轮胎是径向帘布层轮胎的简称，其名称的来源是该胎的帘线方向接近于 半径方向，即相对于轮胎的圆周方向接近9 0 0 。其结构如图i 2 所示。 华中科技大学博士学位论文 图1 1斜交轮胎的结构图l 。2 子午线轮胎的结构 带束斜交轮胎，就是在斜交轮胎的胎体上贴合圈状带柬，做成斜交轮胎与子午 线轮胎的中间结构。由于此种轮胎没有多大发展前途。此不详述。 由此可见，尽管斜交轮胎的胎体容易收缩，把路面上的突起包进去的能力( 包 络特性) 大，平顺性好，子午线轮胎仍有比斜交轮胎更多的优点，它必将是未来轮 胎发展的主流。本研究以子午线轮胎为研究对象，如无特别说明，以下轮胎都是指 子午线轮胎。 1 1 2 轮胎的构造 充气轮胎是固定在汽车轮辋上充入压 缩空气的具有双曲线内表面的环形壳体， 这个壳体是用帘线补强的帘线一橡胶复合 材料结构件。外胎的主要结构如图所示： 胎面是轮胎最外面与路面接触的橡胶 层。用以保护胎体防止早期磨损和遭受机 械损伤，向路面传递汽车的牵引力和制动 力，增加外胎与路面的抓着力，吸收轮胎 在运行时的震动。 黼缓冲层 r r 一 系耋雾蠹蠢 嘈淋 缓冲层( 子午线轮胎或带束斜交轮胎 图卜3 子午线轮胎结构图 2 台 一 。妒船 层 ，“卅 村_ 阢- 内 华中科技大学博士学位论文 称带束层) 是胎体和胎面之间的胶片或胶一线复合片。用以防止胎体受到震动和冲 击，减小作用于胎体的牵引力和制动力，增强胎面胶和胎体间的附着力。带束层还 承受周向负荷，外胎内产生的最大应力集中在带束层，此处温度最高。 胎体是使外胎具有强度、柔软性、弹性以及一定刚性的橡胶一帘线主体。它承 受车辆载荷，承受强烈的震动和冲击，承受轮胎行驶时作用于外胎的法向、侧向和 切向力所引起的多次变形。胎体是由多层贴胶帘布制成，每层相互平行。斜交轮胎 和带束斜胶轮胎相邻两层帘布层的帘线走向交叉，子午线轮胎相邻两层帘布层的帘 线走向相同。 胎侧是贴在胎体侧壁部位，用以防止胎体受机械损伤和其他外界因素作用( 如 泥、水等) 的橡胶覆盖层，它不承受大的应力，不与路面接触，因而不受磨损，但 它主要是在曲挠状态下工作。 胎圈是使外胎固定在轮辋上面而不能伸张的部分。在汽车运行时抵抗使外胎脱 离轮辋的作用力。 外胎各部件经加工成型和加压硫化后，在力和化学作用下结合成一个整体。各 部件的胶料组成不同，有不同的刚度和生热性。胎体和胎面部位帘线层可以有不同 的角度组成形式，因而有不同的特性。 为了今后叙述的方便，将予午线轮胎各部分的名称和胎圈各部分的名称以图示 的方法列于此，如图卜4 和图卜5 所示。 图卜4 子午线轮胎各部分的名称 一一 3 华中科技大学博士学位论文 图1 5 胎圈各部分酰名称 1 1 3 轮胎滚动时的热状态1 2 j i 汽车行驶时轮胎由于材料的滞后损失以及与路口d 之间的摩擦生热，使部件升温， 导致材料强度下降，轮胎早期损坏。肩空、肩裂等：1 长效现象中，热疲劳老化起着重 要的作用。因此，原苏联早就提出要规定轮胎使用时的温度上限。西方对轮胎滚动 时的热状态也很重视。因此，轮胎的生热和升温不仅影响轮胎的使用寿命，而且对 汽车的油耗也有很大影响。轮胎的生热与升温与下列因素有关，即轮胎的工作条件 ( 滚动速度，径向载荷，内压，路面，气温，变形j ，轮胎的结构以及轮胎的弹性一 松弛和热物理性质。 下面我们来分析轮胎滚动时的热状态。轮胎网刚开始滚动时，轮胎内的温度与 周围环境的温度相同，轮胎处于热平衡状态随煮轮胎的滚动，由于滞后损失和与 地面之间的摩擦生热，轮胎温度将逐渐升高，轮雕渐入一个非稳态阶段，大约经过 华中科技大学博士学位论文 四十分钟以后，轮胎的生热速度和散热速度达到动 平衡，温度场也就达到了个新的平衡状态。 下面我们给出子午线轮胎中的热流方向总图，显 见轮胎在滚动时，热量流向下面几个方向( 见图1 6 ) ： ( 1 ) 轮胎内部空气； ( 2 ) 轮胎表面向周围环境； ( 3 ) 通过轮辋向四周环境。 轮胎行驶面缓冲层( 带束层) 和胎肩中的温度 最高，热量由此向外传导。部分散失在空气中， 图卜6 子午线轮胎中热流简图 另一部分传入胎腔内空气，使内腔温度升高。由于 轮胎滚动时胎侧、胎圈温度较低，因此，内腔空气的热量就传给胎侧、胎圈和轮辋， 并由此传入大气中，使行驶面和胎肩产生的热量在胎肩和行驶面缓冲层温度达到一 定值时，便与散失到大气中的热量平衡。这时当轮胎工作条件和周围介质不变时， 轮胎各部分温度保持相对稳定的状态。 产生的热量将随轮胎的规格、结构、材料及使用条件的不同而不同。轮胎本身 的温度随行驶时间的延长而上升，到某一时间呈平衡温度状态。此时，轮胎断面上 各点的温度并非完全一样，而是呈现一定的分布( 如图1 7 ) 。轮胎外表面的温度很 低，越向里越高，出现最高温度，而轮胎内表面的温度比最高温度又略低。 温度 轮胎内部 l ， 轮胎外跏 图卜7 轮胎内部温度场分布 轮胎温度对轮胎的性能如耐久性、耐磨性、操纵性、牵引性以及滚动阻力都有 较大的影响。轮胎温度上升是橡胶热降解的主要原因，而热降解可导致疲劳龟裂或 带束层端部剥离。此外，温升还可引起钢丝与橡胶粘着力下降，从而导致严重的带 束层剥离。轮胎的温度对在轮胎的耐久性方面起重要作用的内衬层气密性有很大 华中科技大学博士学位论文 的影响。高的温度也会造成胎腔内气体更易透过轮胎部件，从而使橡胶接触到更多 的氧而加速氧化降解或引起轮胎内压损失进而导致产生较大的下沉量。轮胎温度的 变化一般会影响橡胶的粘弹性，粘弹性受到影响又会使滚动阻力、操纵性或牵引性 产生变化。温度对橡胶的强度又有影响，而橡胶的强度对耐磨性和胎面花纹块撕裂 或崩花又有很大的影响。近年来随着我国高速公路的飞速发展，汽车对轮胎使用性 能的要求日益复杂也日益苛刻，轮胎的生热问题也变得日益尖锐。 由此可见，研究轮胎的生热机理、轮胎内部温度场的分布，从而有的放矢地控 制轮胎的温升对延长轮胎的使用寿命及降低交通事故的发生率十分重要。 1 2 轮胎的生热机理 轮胎在行驶过程中会因生热而出现温度大幅度升高现象。影响轮胎生热的因素 很多，其中主要包括轮胎的工作条件( 诸如行驶速度、径向负荷、内压、路面状况、 气温等) 以及轮胎的结构和配方。对于轮胎生热问题，国内外研究人员进行了多年 探索，已经获得了一些规律性的认识。 1 2 1 滚动轮胎的应力、应变关系 汽车行驶时。轮胎承受周期性的变形，其应力( 或应变) 与时间的关系符合正 弦曲线的变化，同时由于橡胶中存在粘性阻力，应变就落在了应力的后面，应力与 应变之间就存在一个相位差6 ，如下图所示： _ 弋7 乔 。心一 图 一一 6 华中科技大学博士学位论文 应力、应变与时间的函数可用下式表示： 口= 9 时加口 ( 1 - 1 ) f = 8 硝m r 扛州( 1 2 ) 其中：0 0 一应力振幅的最大值 s 厂应变振幅的最大值 一、r 应力、应变的瞬时值 “周期变形的角频率 卜时间( s ) 6 应力、应变之间的相位差 橡胶在动态变形时，粘性阻力的存在使应变落在了应力的后面，其落后程度用 损耗角或滞后角表示。粘性阻力越大，损耗角越大。动态变形时，作用于橡胶上的 应力或动态模量可以分为两部分，一部分为“储能模量”g 。这部分相当于静态变 形时的弹性模量，用于克服理想橡胶的收缩力，它与变形同相位，它承受的应变能 是不损耗的，只是在往复变形的过程中交替地储存和释放。另一部分为“损耗模量” g 2 ，这一部分用于克服橡胶的粘性，是完全损耗的，将全部转化为热量，引起轮胎 的温升。我们用g 叶表整体模量。分析g l ，g 2 ，g 三者之间的关系可知，由于储能模 量和损耗模量是互不影响的，从矢量关系上来说，这两部分是相互垂直的。而g + 是 g l 和g 2 的合成，且g 的相位角落后于g l6 ，所以三者之间的关系用矢量图表示如下 g 在数值上 g l 图卜9 储能模量和损耗模量的关系图 g + = g l + i g 2 g = 厢 其夹角的正切：增占= g g ， ( 1 3 ) 我们把培j 称为阻尼因子或损耗因子。当占= 0 时，作用力完全有效地作用 j 蔓鲫垂金壬变显l 兰也堕盟二堡旦盎塞全旦王壅壁壑堕塑塑丝堕垄：圈些塑堑 华中科技大学博士学位论文 角的大小代表了能量损耗的大小。如果是简单的拉伸和压缩变形，杨氏模量按同样 方法处理，即： e + = e ，十f 局 ( 1 4 ) e ，称为储能杨氏模量，e 2 称为损耗杨氏模量，e + 称为整体杨氏模量。 由三角函数关系可得： e + = oo n e 2 = f s i n6 ( 1 - 5 ) i 2 2 轮胎的滞后损耗 由于粘性阻力的存在，应变的相位落后于应力，所以轮胎的拉伸与回缩的应力一 应变曲线并不重合。 如下图所示，0 a 为伸长曲线，拉伸至a 点后回缩，a c 是回缩曲线。伸长曲线o a 与横坐标所包围的