（机械工程专业论文）轿车轮胎非正常磨损机理及使用寿命预测研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着高等级公路的不断建设，轿车能够稳定和持续的以较高速度 行驶，轿车轮胎的磨损及非f 常磨损较之以往也出现了新的特点。车辆轮胎的 磨损是一个系统的、复杂的动力学过程，因此研究轮胎在动态下的磨损特性及 其相关问题，对实际车辆悬架的研发和轮胎结构性能的改进都有重要的理论和 现实意义。本文对复合式悬架一轮胎系统的磨损特性及相关问题进行了较为深 入的理论分析和试验研究。 车辆轮胎动态下的磨损特性研究涉及许多方面的内容，本论文主要开展了 以下几方面的研究工作： 首先对1 9 5 6 5 r 1 5 型轮胎进行了基本参数的试验研究。根掘轮胎磨损可能涉 及到的一些参数，本论文都进行了设计和研究。在完成了试验设计和测试结果 的数折：分析后，拟合了基本参数之间的关系，为进一步的理论分析和基于磨损 的轮胎局部力学建模研究以及轮胎的动态磨损仿真提供了数据支持。 在动力学软件a d a m s 中建立了复合式悬架一轮胎一地面系统的动力学仿 真模型。对该系统模型进行了静态和动态的仿真，对悬架定位角度的变化进行 了检测，得到了悬架的静力学特性和系统的模态特征。通过试验验证了模型的 精确性。此动力学模型为进一步深入研究车辆行驶过程中轮胎复杂的磨损现象 提供j 7 仿真支持。 从经典的轮胎刷子模型出发，由浅入深，建立了外倾角复合滑移轮胎刷子 理论改进模型；在复合滑移模型的基础上，通过定义中间面以及考虑垂向压力、 接地刚迹和有效半径在宽度方向上的分布等因素，建立了胎宽方向局部复合滑 移轮胎改进力学特性模型，用以计算轮胎宽度方向的局部力学特性。通过参数 分杌确定了轮胎力学特性中影响磨损的主要因素。 借鉴表面摩擦学的相关理论，限定磨损只是由于轮胎与地面之间的力学特 摘要 性造成，对轮胎的磨损进行了量化的数值计算探讨，对影响磨损的各种参数进 礼了分析：与试验拟合参数结合，建立了可以与多刚体动力学模型的动态数据 结合的轮胎半经验理论模型，并进行了耦合仿真，对轮胎在典型频率下的磨损 进行了讨论，讨论结果与已有的定性分析结论一致；给出了由轮胎的磨损性状 判断懋架故障的判据；最后探讨了地域特征对轮胎非正常磨损的影响。 运用动力系统稳定性理论，结合胎面扰动振幅的随机性和胎面扰动位置的 随机性，对由于胎面扰动形成的轮胎磨损进行了定量的数值分析研究，并对磨 损的抑制环节进行了理论分析。 通过发定道路的基数样本，基数样本内道路比例组合，提出了轮胎磨损线 性累积预估法，由基数样本预测轮胎的使用寿命；尝试建立了轮胎磨损预测的 一个完整的体系和方法，并应用于实例。 全文的理论研究成果进一步扩展了车辆轮胎磨损的理论研究内容，为生产 企业今后研制丌发新型的悬架系统及轮胎提供了理论依据和可供借鉴的思路。 关键词：轿车轮胎，非正常磨损，悬架系统动力学模型， 轮胎局部力学特性 模型，磨损数值计算，轮胎使用寿命预测 a b s t r a c i a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s a se x p r e s s w a y sa r es p r e a d ，d r i v i n ga th i g ha n dc o n s t a n ts p e e df o ra l o n gt i m em a yb ei nu s u a lw a y m a n yn e wp h e n o m e n o na n dc h a r a c t e r sa p p e a ri nt h e c a rt i r ew e a ra n du n e v e nw e a r t i r ew e a ri sa s y s t e m a t i ca n dc o m p l e xd y n a m i c b e h a v i o r ，s oi ts h o w sa c a d e m i ca n dp r a c t i c a li m p o r t a n c ef o rs u s p e n s i o nr e s e a r c ha n d t i r es t r u c t u r ei m p r o v e m e n t b a s e do np a s s a tb 5b yv o l k s w a g e n d y n a m i cw e a r c h a r a c t e r i s t i c so fc o m p o u n ds u s p e n s i o n - - t i r es y s t e ma r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l ya n d t h e o r e t i c a l l y m a i nc o n t e n t so f t h ed i s s e r t a t i o na r eg i v e ni nt h ef o l l o w i n g ： t i r e o ft y p e1 9 5 6 5 r 1 5i st e s t e df o rg e t t i n gb a s i cp a r a m e t e r s t h ep a r a m e t e r s r e l a t e dt ot i r ew e a ra r ea 1 1t e s t e da n ds t u d i e d p r o c e s s e de x p e r i m e n td a t aw e r ef i t t e d a n dr e g r e s s e di nal e a s ts q u a r e ss e n s e ，w h i c hp r o v i d es u p p o r t sf o rb u i l d i n gt h et i r e m o d e la n ds i m u l a t i n gd y n a m i cw e a rb e h a v i o r b yu s i n gl i n e a r i z a t i o na n ds i m p l i f i c a t i o nm e t h o d ，as u s p e n s i o n t i r e g r o u n ds y s t e m i sb u i l ti nt h ed y n a m i cs o f t w a r ea d a m s w h i c hi sa5f r e e d o me q u i v a l e n tm o d e ld u e t ot w i s tb e a ma x l ec h a r a c t e ra n df e ma n a l y s i s ，t h e nt h ek i n e m a t i ca n dd y n a m i cd a t a r e l a t e dt ot i r ew e a ri sg o tt h r o u 曲t h es i m u l a t i o n t h e ns y s t e mm o d e sa n dt h e i rs h a p e s a r ea l s oa n a l y z e d t h em o d e l i sv e r i f i e dt h r o u g ht e s t t h ed y n a m i cm o d e l i sr e q u i r e d b yt h ei a t e rs i m u l a t i o no f t i r ew e a r f r o mc l a s s i ct i r eb r u s hm o d e l ，a ni m p r o v e dt i r em o d e lw i t hc a m b e ra n dc o m b i n e d s l i p i sb u i l t b a s e do i li t at i r em o d e lt h a tc a nc a l c u l a t ei o c a lf o r c e si nt h el a t e r a l d i r e c t i o ni ss e tu pb yd e f i n i n gm i d d l e p l a n ea n dc o n s i d e r i n gt h ec h a n g e so fv e g i c a l p r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，c o n t a c ta r e a sa n de f f e c t i v er a d i u se t c i nt i r ec r o s ss e c t i o n t h e m a i nf a c t o r st h a te f f e c tt i r ew e a ri nt h ep a r a m e t e ra n a l y s i sa r ef o u n dt h r o u 幽 c a l c u l a t i n gl o c a lf o r c ei nt h et r a n s v e r s ed i r e c t i o n b a s e do ne x p e r i m e n ta n dt i r em o d e l ac o m b i n e ds l i ps e m i e m p i r i c a lt i r em o d e li s e s t a b l i s h e da f t e rr e f e r r i n gt oi n t e r a c t i n gs u r f a c e st r i b o l o g ya n dc o n f i n i n gt h ew e a ri s o n l yf r o mt h ee f f e c t sb e t w e e nt i r et r e a da n dg r o u n d ，t h ew e a rd i s s i p a t i o ne n e r g yo n t h et i r et r e a da r ec a l c u l a t e dn u m e r i c a l l yt h e np a r a m e t e ra n a l y s i sw a sp r o c e s s e d c o m b i n e dw i t hd y n a m i cm o d e li na d a m s t h et r a n s i e n td a t ao fm o d ef r e q u e n c yi s c o u p l e dt ot i r em o d e la n dn u m e r i c a lw e a ri sc o m p a r e d w h a tt h ep l o t sp r e s e n t t h r o u g hc a l c u l a t i n ga r ec o i n c i d e n tw i t hq u a l i t a t i v ea n dt h e o r e t i c a lr e s u l t s d i s c u s s i o n s a r es e tt ot h ee f f e c t so fr e g i o n a l l yc h a r a c t e r i s t i c st ot i r ew e a et h e nc r i t e r i o ni sg i v e n f o rd i a g n o s i n gs u s p e n s i o np r o b l e m sb yt i r et r e a dw e a rc h a r a c t e rg r a p h i c s w i t hs t a b i l i t yt h e o r yo fd y n a m i cs y s t e m i n t e g r a t e db yr a n d o m i c i t yo ft i r eb e a d v i b r a t i o na n dl o c a t i o no nc i r c l ed i r e c t i o n t h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft i r ew e a ri s a b s t r a c c s t u d i e dd u et ot r e a du n s t a b l ev i b r a t i o n p a r a m e t e r so fd e p r e s s i n gt l r ew e a ra r ef o u n d t h e o r e t i c a l l y t h r o u g hd e f i n i n gab a s er o a ds a m p l ea n dt h ep r o p o r t i o no fc o m p o s e ds u b - r o a d si n t h eb a s es a m p l e ，t i r el i f e i sf o r e c a s t e du s i n gt i r ew e a rl i n e a r l ya d d i t i v em e t h o d t h e n t h em e t h o do nf o r e c a s t i n gt i r el i f ei sb u i l tc o m p r e s s i v e l ya n dd e t a i l e d l y t h et h e o r e t i c a lr e s e a r c hp r o v i d e sd e s i g ne n g i n e e r sw i t ha ne f f i c i e n ta n a l y s i st o o li n t h ed e v e l o p m e n to fn e wt y p e so fs u s p e n s i o ns y s t e m sa n dt i r e t h ea c h i e v e m e n t s o b t a i n e de n r i c ht h es t u d yo ft i r ew e a ra n du n e v e nw e a ra n dg i v er e f e r e n c e sf o rs i m i l a r v e h i c l e s k e yw o r d s ：c a rt i r eu n e v e l lw e a rd y n a m i cm o d e lo fs u s p e n s i o ns y s t e m t i r el o c a l c h a r a c t e r i s t i cm o d e lw e a rn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n t i r el i f ef o r e c a s t v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影 印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子 版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：书鸸喀 0 肿薛蜀lb 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年 月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究： i 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 【1 1 本人承担。 签名：黄c 勘鸟 咖力年孑月j 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本课题研究的意义和背景 住人类运输工具发展史中，从原始的人力、畜力运输工具，到有轨车辆 的出现，再到地面轮式车辆和现代航空工业的蓬勃发展，使运输方式和生产 效率有了巨大进步。人们对于交通运输工具的各项性能要求也在不断提高。 其中，现代轮式车辆已成为世界各国经济和现代化社会生活中不可缺少的一 种交通运输工具。随着汽车工业的飞速发展，各大汽车生产厂家的竞争日益 激烈，为了抢夺更大的市场份额，他们在汽车的乘坐舒适性，操作灵活性， 更佳的动力性、经济性方面大做文章。所有这些汽车性能的改进和提高或多 或少都受到了轮胎的耐磨性和使用寿命的影响和制约，可见轮胎对于汽车工 业的重要性。近年束由于轿车对于车辆本身的安全性、经济性、舒适性等性 能的要求越来越高，轮胎的耐磨性和使用寿命得到了使用者更多的关注。因 此，防止轮胎早期磨损破坏，延长行驶里程，提高经济性，已成为了轮胎制 造商平轿车制造商需要共同研究和解决的课题。 图1 1 典型的轮胎非正常鼯损形式不惹 轮胎与路面的摩擦是影响轮胎使用寿命的主要原因，轮胎耐磨特性的优 劣直接影响到轮胎的行驶里程。而在所有的轮胎磨损形式中，非正常磨损对 轮胎使用寿命的影响是非常大的。非正常磨损 i - 4 1 主要包括：不均匀磨损( 如 胎府或胎冠过度磨损) 、不规则磨损( 如轮胎周向局部过度磨损) 、偏磨损、 i r j 断规则性磨损( 跳磨或称隔花磨) 、羽毛状磨损等，如图1 1 所示。这些非 正常磨损可导致轮胎提前报废，降低轮胎的使用寿命，还会造成爆胎等故障， 第】章绪论 严重威胁汽年的行驶安全，由此造成的经济损失不言而喻，严重影响到产品 和企业的形象以及使用者的人身安全。随着高等级路面的发展，车辆长时间 和高速行驶成为可能，使轮胎的磨损出现了新的问题。鉴于轮胎非正常磨损 存在的普遍性和重要性，开展该项课题的研究具有十分重要的意义。 目前，一些汽车工业发达的国家早已借助于计算机将轮胎的设计开发发 展到以多学科为指导的计算机辅助轮胎设计阶段，大大地提高了轮胎设计的 预见性。汽车整车厂对轮胎与整车匹配设计方面也形成了许多丰富的经验。 就我国的现状而言，轮胎的设计体系取得了很大的进步，但对于轮胎磨损研 究缺乏完整、系统的分析以及科学的理论体系。因此，往往在轮胎设计中无 法确定其实际的磨损特性，必须在实际装车运行后，才能得以验证，随后再 根掘具体情况反复修改设计，直至达到设计目标，或者进行实际的车队路面 测试积累经验达到设计目的，花费大量的人力、物力。这既延缓了轮胎新产 品的丌发周期，又增加了丌发设计的成本。 1 2 国内外轮胎磨损研究现状 轮胎的磨损过程十分复杂，往往是由多种机理共同作用的结果。主要因 素无非有三种，即轮胎自身的因素、整车的匹配问题或者外界环境的原因。 比如：有轮胎的结构、胎面橡胶的耐磨强度、气压等方面的因素，又有负荷、 车速、牵引力、侧偏力和悬架等原因，更与路面类型、外界气温和驾驶操作 等有直接的关系，引。有关轮胎磨损的国内外研究主要涉及以下内容： 1 2 1 轮胎磨损的微观机理1 轮胎磨损的理论分析最初是从研究橡胶磨损的机理开始的。根据橡胶磨 损的理论，提出轮胎最主要的磨损形式是磨粒磨损和疲劳磨损，得出了磨损 量和摩擦表面能成f 比的结论。f l e i s c h e r 7 】认为“当某一局部体积储存的摩 擦能达到足以使表面破坏的临界值时，该局部的体积将以磨屑的形式脱离表 面”。山于轮胎的磨损是与地面摩擦产生的结果，因此轮胎接地摩擦研究成 为了轮胎磨损研究的主题。v e i t h 发展了个用于计算轮胎磨损量的简单公 式，磨损量由耐磨系数和摩擦功相乘而得。g r o s c h 和m u h r 考虑了温度、速 第】章结论 严重威胁汽车的行驶安全，山此造成的经济损失不言而喻，严重影响到产品 和企业的形象以及使用者的人身安全。随着高等级路面的发展，车辆长时问 和高速行驶成为可能，使轮胎的磨损出现了新的问题。鉴于轮胎非正常磨损 存在的普遍性和重要性，开展该项课题的研究具有十分重要的意义。 u 酊，一些汽车_ t 业发达的国家早已借助于计算机将轮胎的设计开发发 展到以多学科为指导的计算机辅助轮胎设计阶段，大大地提高，轮胎设计豹 预见性。汽车整车厂对轮胎与整车匹配设计方面也形成了许多丰富的经验。 就我目的现状而言，轮胎的设计体系取得了很大的进步，但对于轮胎磨损研 究缺乏完整、系统的分析以及科学的理论体系。因此，往往在轮胎设计中无 法确定其实际的磨损特性，必须在实际装车运行后，才能得以验证，随后再 根掘具体情况反复修改设计，直至达到设计目标，或者进行实际的车队路面 测试积累经验达到设计目的，花费大量的人力、物力。这既延缓了轮胎新产 品的丌发周期，又增加了开发设计的成本。 1 2 国内外轮胎磨损研究现状 轮胎的磨损过程r 分复杂，往往是由多种机理共同作用的结粜。主要因 素无_ f 有三种，即轮胎自身的因素、整车的匹配问题或者外界环境的原因。 比如：有轮胎的结构、胎面橡胶的耐磨强度、气压等方面的因素，又有负荷、 车速、牵引力、侧偏力和悬架等原因，更与路面类型、外界气温和驾驶操作 等有直接的关系阶，”。有关轮胎蘑损的国内外研究主要涉及以f 内容： 1 2 1 轮胎磨损的微观机理。1 轮胎磨损的理论分析最初是从研究橡胶磨损的机理开始的。根据橡胶磨 损的理论，提出轮胎最主要的磨损形式是磨粒磨损和疲劳磨损，得出了磨损 量和摩擦表面能成正比的结论。f l e i s c h e r 7 认为“当某一局部体积储存的摩 擦能达到足以债表面破坏的临界值时，凄局部的体积将以磨屑的形式脱离表 面”。山于轮胎的磨损是与地面摩擦产生的结果，冈此轮胎接地摩擦研究成 为了轮胎磨损研究的主题。v e i t h 发展了一个用于计算轮胎磨损量的简单公 式，磨损量出俐磨系数和摩擦功相乘而得。o r o s c h 和m u h r 考虑了温度、速 式，群损量出俐磨系数和摩擦功相乘而得。o r o s c h 和m u h r 考虑了温度、速 第】章绪论 严重威胁汽年的行驶安全，由此造成的经济损失不言而喻，严重影响到产品 和企业的形象以及使用者的人身安全。随着高等级路面的发展，车辆长时间 和高速行驶成为可能，使轮胎的磨损出现了新的问题。鉴于轮胎非正常磨损 存在的普遍性和重要性，开展该项课题的研究具有十分重要的意义。 目前，一些汽车工业发达的国家早已借助于计算机将轮胎的设计开发发 展到以多学科为指导的计算机辅助轮胎设计阶段，大大地提高了轮胎设计的 预见性。汽车整车厂对轮胎与整车匹配设计方面也形成了许多丰富的经验。 就我国的现状而言，轮胎的设计体系取得了很大的进步，但对于轮胎磨损研 究缺乏完整、系统的分析以及科学的理论体系。因此，往往在轮胎设计中无 法确定其实际的磨损特性，必须在实际装车运行后，才能得以验证，随后再 根掘具体情况反复修改设计，直至达到设计目标，或者进行实际的车队路面 测试积累经验达到设计目的，花费大量的人力、物力。这既延缓了轮胎新产 品的丌发周期，又增加了丌发设计的成本。 1 2 国内外轮胎磨损研究现状 轮胎的磨损过程十分复杂，往往是由多种机理共同作用的结果。主要因 素无非有三种，即轮胎自身的因素、整车的匹配问题或者外界环境的原因。 比如：有轮胎的结构、胎面橡胶的耐磨强度、气压等方面的因素，又有负荷、 车速、牵引力、侧偏力和悬架等原因，更与路面类型、外界气温和驾驶操作 等有直接的关系，引。有关轮胎磨损的国内外研究主要涉及以下内容： 1 2 1 轮胎磨损的微观机理1 轮胎磨损的理论分析最初是从研究橡胶磨损的机理开始的。根据橡胶磨 损的理论，提出轮胎最主要的磨损形式是磨粒磨损和疲劳磨损，得出了磨损 量和摩擦表面能成f 比的结论。f l e i s c h e r 7 】认为“当某一局部体积储存的摩 擦能达到足以使表面破坏的临界值时，该局部的体积将以磨屑的形式脱离表 面”。山于轮胎的磨损是与地面摩擦产生的结果，因此轮胎接地摩擦研究成 为了轮胎磨损研究的主题。v e i t h 发展了个用于计算轮胎磨损量的简单公 式，磨损量由耐磨系数和摩擦功相乘而得。g r o s c h 和m u h r 考虑了温度、速 第l 章绪论 度和不同橡胶混合比等因素的影响，进一步完善了v e i t h 的磨损量模型公式。 l o w n e 研究了路面结构对轮胎磨损的影响，并得到“磨损在本质上对于微观 组织的依赖远大于对宏观组织”这一结论。而在对轮胎结构的研究中，s p i n n e r 和b a r t o n 发现子午线轮胎的磨损远小于斜交轮胎，他们认为“子午线轮胎和 斜交轮胎不同的磨损率应归因于轮胎表面压力分布的差异和变形振幅的不 同”。 在国内，彭旭东1 7 9 1 、王野平o6 1 、方庆f 2 t 2 9 l 等人深刻阐释了轮胎磨损的 微观机理和轮胎与路面之间的摩擦特性，并发对影响轮胎磨损的各种因素进 行了探讨。 在软件方面，目前大多数有限元软件都可以对轮胎进行线性和非线性的 受力分析，例如，a n s y s 和m s c m a r c ，其中a b a q u s 对于轮胎的非线 性有限元分析处理方面更有独特的优势。a b a q u s 在接触分析方面优于 a n s y s 和m a r c ，橡胶等非线性材料是a b a q u s 的专长，前后处理也非常 强大，而且可以进行表面磨损过程的模拟。在a b a q u s 帮助文档里有一系 列轮j i b e ) 析的例子，其中就包括用自适应网格对轮胎磨损的分析。有限元软 件主要关注轮胎的应力场和温度场方面的问题，探讨轮胎结构和材料对于各 种因素的影响。 1 2 2 现有的轮胎磨损计算和评估方法 固外由于对环境保护、节约能源等方面的深入认识，国家对轮胎在环保 方面提出了很高的要求，因此轮胎磨损的研究开展的较早。磨损量计算方法 是表达胎面磨损程度的重要指标，也是把防止磨损的轮胎和车辆的设计从实 际上升到理论的不可或缺的关键之一，因l 匕怎样来表征轮胎的数值磨损量在 理论上有重要的意义。有关轮胎磨损的测量和数值计算方法国内外研究主要 有以卜成果： m a i t r eo i 1 等人从用户的角度出发，考虑路面、天气、驾驶习惯、路域 以及车辆等能够影响轮胎的因素，从统计学的角度来分析轮胎的磨损，从外 部和人为因素的方面来探究影响轮胎磨损的要素。 w a l t e r sm h 1 等人总结了近2 0 年来轮胎结构的改进对轮胎磨损的影 响，介绍了传统的车队行进实验，以及平面力学磨损实验、涂油漆磨损实验 第1 章绪论 和热损耗实验三种轮胎磨损的实验方法，并利用有限元分析对这三种方法的 结果进行了比较。 w r i g h tc j l 纠通过建立整车的动力学模型，通过各种工况下轮胎定位角度 的变化仿真了车辆前轮的磨损量，但并没有具体说明怎样来计算轮胎的磨损 量。 z h e n g d ( f3 j 在稳态滚动的轮胎有限元模型的基础上预测特定工况下轮胎 在宽度方向的磨损。考虑了轮胎在材料、车辆状况以及驾驶员的驾驶情况， 用轮胎胎而的磨损高度来预测磨损的情况。 k o o r o s h c l l 4 l 介绍了用测量轮胎磨损的质量损失和磨损的高度两种方法 来预测轮胎的磨损，并设定参考点，通过比较胎面周向的径向胎面磨损高度 来计算使用前后的轮胎在周向的磨损量。 丰网汽车的s h i n g o k 【1 6 】等人通过实验对比与轮胎磨损的相关的力和定 位角度进行了测量并根据测量数据拟合了磨损量与各种参数之间的公式，并 基于轮胎磨损线性化的假设，运用s c h a l l a m a c h 的理论公式对轮胎的磨损进 行了数值化的计算。 德国f t i r e 的创始人g i p s e r 教授f l7 j 运用摩擦耗散能与磨损量之间的关 系束直接计算胎面磨损。 欧盟的车辆与道路安全部门委托荷兰的t n o 汽车研发公司【j8 j 从2 0 0 0 年 丌始通过历时3 年而丌展的t r o w s 项目研究了轮胎磨损和道路磨损以及 两辑十h 互之间的关系。 固内对 二轮胎磨损的研究丌展的较晚，部分企业、高校和科研单位在轮 胎结构力学方面投入了比较大的人力物力，特别是在轮胎的有限元建模仿真 方面投入了大量的精力，并获得了一些经验和成果； 沈浩伸 和方庆红 2 0 , 2 9 1 利用准静态有限元的方法分别计算轮胎的磨损量。 沈浩运用接地印迹的集合对称性指数r s 和其上反力分布对称性指数r f 两个 指标，其线性乘积就是轮胎两侧蘑损不匀性无量纲指数。r s 采用两边缘槽外 侧接地印迹面积的比值来表征，r f 采用两端平均接地反力比值来表示。方庆 红则利用有限元软件计算了轮胎与地面之间的能量耗散，并与已有的轮胎模 型计算结果比较，得到了较好的结论。 吴光强教授【2 1 1 采用单位磨损罩程表示法，运用f l e i s c h e r 的橡胶摩擦能量 法理论，通过摩擦能量密度的概念将摩擦功和磨损体积联系起来，其磨损量 第】章绪论 计算模型用制定的轮胎磨损率4 、胎冠每公里滑行距离y ，和平均接触压力 巳来预测。 序继德1 2 副总结了前人的理论，系统介绍了轮胎产生磨损的机理，利用试 验的方法测算了胎面的磨损旱程，并阐述了橡胶复合材料以及轮胎的结构参 数对轮胎磨损里程的影响。利用简单的刷子模型，计算了轮胎与地面之间的 摩擦耗散能。 崔盛民在计算了轮胎在滑移区内的滑移距离，用滑移距离与磨耗深度 的系数乘积表示功，表达单位距离内的磨损量。 郭伟【2 纠在考虑轮胎的磨损时，将轮胎视为“橡皮”，橡皮理论模型在胎面 与地面的接触面积中，取其中的一微块，该微块的摩擦损耗能量为剪切力与滑 移距离的乘积，然后在整个接地区域内积分就得到整个胎面的磨损量。 从上述国内外的现有文献来看，轮胎磨损的研究方法较多，有统计法、 路试法、有限元法等；轮胎的理论数值磨损量计算方法主要有有限单元法、 单位磨损罩程表示法、轮胎磨损能量计算法三种具有代表性的表述和计算方 式。从摩擦耗散能的角度来阐述磨损是近年来先进的和运用较广泛的种方 法。轮胎与地面的摩擦属于干摩擦，因此轮胎的切向力大小与滑移速度有关， 用经典摩擦功的理论公式计算磨损会较难表达瞬时磨损和存在随速度实时 变化的作用力情况。而用摩擦耗散能的方法就能够较准确和方便的计算轮胎 的瞬时磨损和总磨损，其实质是用单位时间的功率来表示磨损。在近年的研 究中，t n o 模型( 2 0 0 3 ) 和g i p s e r 模型( 2 0 0 1 ) 都是基于此种方法的。本文第5 章还将详细介绍现有的磨损数值计算方法。 1 2 3 国内外对轮胎非正常磨损机理的研究。” 轮胎非j f 常磨损指的是在轮胎胎面宽度和周向上明显的磨损量分布差 异。不均匀磨损现象会导致轮胎远在达到规定的时间之前，过早的更换轮胎。 除了对轮胎寿命有严重影响之外，非正常磨损还会带来行驶动力学以及噪音 等方面的问题。胎肩磨损和胎冠磨损是常见的不均匀磨损形式，此外还有锯 齿状磨损和波浪状磨损等。f l u e g g e 通过试验确定前束角对不均匀磨损的影 响最人，外倾角其次。p f l u g h a u p t 和e l o y 等人则通过试验进一步发现“不均 匀的胎肩磨损是由大的前柬角引起的”。y a m a z a k i 认为是车辆运行参数变化 第l 章绪论 造成的侧向力的增加或者减少而产生轮胎与接地面之间的微观滑移。w a l l o c h 认为“轮胎花纹块大小或者刚度的不均匀会造成胎面花纹块前部磨损的不均 匀，而对于具有前束角的驱动轮，其内侧胎肩的花纹块磨损较为严重”。在 国内，王健康、安相璧、张其敏等【2 6 , 2 7 , 2 8 】也指出，前束角和外倾角的初始设 置对于轮胎的非f 常磨损起到了非常关键的作用，而装配误差，连接间隙等 能够引起定位角度变化的原因也是轮胎非正常磨损的原因。 叫见，轮胎非正常磨损的机理研究成果也较为丰富，专家们认为主要是 吐l 于轮胎的定位角度的设置和轮胎的结构特点造成的。无论是国内还是国 外，对于轮胎非正常磨损机理的研究都花费了大量的精力，并以此来解释轮 胎磨损性状的成因，取得了较为丰硕的成果。但大部分的成果仅通过试验来 观测悬架定位参数、后桥的变形、轮胎定位参数的装配误差、各构件之间的 连接m i i 隙、轮胎结构等因素对轮胎磨损的影响等这些带有经验色彩的一般性 结论l 二，没有全面系统的阐述轿车动态特性对轮胎磨损的影响。 1 2 4 小结 综上所述，轮胎磨损的微观机理理论已经较为成熟，轮胎磨损的数值 计算方法也墩得了丰硕的成果，对于轮胎非正常磨损的机理研究也较为深 入，成果主要集中在通过静态的试验研究进行比较和推理，缺少量化的分析； 国内外的轮胎研究专家一般都是对轮胎在静态下进行各种试验和理论的分 析研究，较少上升到一个系统的观点上来看问题，即只是研究汽车这个大的 动力学系统中轮胎这一局部，只是从轮胎研究磨损，不够全面；从概述也可 以看到，在行驶过程中车辆系统对滚动轮胎磨损的动态影响以及对滚动轮胎 胎曲j 局部磨损的分析和理论尚显欠缺，而且对于轮胎在使用过程中的寿命估 计也没有提出具有针对性和相对成熟的方法和理论。因此，本文对上述的三 点问题进行了更进步的探讨，做了大胆的尝试。 1 3 本课题拟采用的研究方法与技术路线 沦文借鉴已有的理论基础和科研成果，主要从宏观动力学的角度来研究 轮胎的磨损及非正常磨损。通过计算机仿真技术，力求寻找出一条较为系统 第1 章绪论 和干斗学的研究途径，检查系统动态特性的变化对轮胎磨损的影响，为以减少 轮胎非f 常磨损为目的的轮胎和悬架的设计提供可视化分析和指导：并对轮 胎使用寿命的估算提出探讨性方法。 本论文的研究主要结合上海大众的p a s s a tb 5 后悬架一轮胎系统，具体 研究内容如下： ( 1 ) 对1 9 5 6 5 r 1 5 型号的轮胎进行基本参数实验，拟合这些参数之间 的关系，从轮胎的静力学特性预测轮胎的动态参数特性。 ( 2 ) 通过建立扭杆梁后桥的等效力学模型，在动力学软件a d a m s 中建 立悬架轮胎一路面多体动力学系统，通过试验验证其正确性，并对与磨损相 天的动态参数进行仿真、分析和采集。 ( 3 ) 利用经典的轮胎刷子模型，通过改进轮胎的接地印迹、垂向载荷 在胎宽方向的分布、滑动摩擦系数、建立中间面等方法，建立了可以计算轮 胎宽度方向局部力学特性的轮胎力学模型。 ( 4 ) 将改进的轮胎局部力学特性模型与多体动力学系统相结合，对轮 胎在悬架动态仿真过程中的磨损进行了模拟和探讨，计算了轮胎周向的磨损 量，并对影响轮胎磨损的参数进行了趋势分析和灵敏度分析。 ( 5 ) 在前人的基础上对轮胎多边形磨损机理和磨损过程做了进一步的深入 探讨，运用动力系统稳定性理论，对由于胎面扰动形成的轮胎磨损进行定量的 数值分析研究，并对磨损的抑制环节进行理论分析。 ( 6 ) 借鉴相关理论对基于轮胎多边形磨损性状的轮胎使用寿命进行预 测，通过参数的灵敏度分析，对轮胎结构参数进行改进，对改进前、后轮胎 的使用寿命进行对比。最后，提出轮胎使用寿命的预估方法。 本文的技术路线及实施方案如图所示： 第1 章绪论 要研究内容 8 笫2 审轮胎基奉参数实验及) e 相互关系 i j f 究 第2 章轮胎基本参数试验及其相互关系研究 第1 章的文献综述表明，轮式车辆的磨损是一个非常复杂的过程，究其 根本，是轮胎与路面的相互作用产生的，所以磨损与轮胎和路面之间的力学 特性是紧密联系在一起的。研究轮胎与路面之间的相互作用，特别是车辆系 统动态f 各种轮胎参数之问的相互关系和规律，从而得到瞬态的轮胎与地面 之问的力学特性变化，对考察轮胎在动态特性下的磨损是很有帮助的。因此， 本沦文首先对轮胎的基本参数进行了试验及其相互关系的研究，为轮胎力学 和汽车动力学的建模、仿真及分析提供试验数据。 轮胎力学特性的试验研究内容非常的丰富，长春汽车研究所、北京理工 大学和山东理工大学 3 0 l 以及北京橡胶工业研究所【3 1 】等科研单位都做了大量 的t i 作，研制和开发了测试轮胎冈度的平板式和轮毂式轮胎试验台，对轮胎 的侧偏和径向的刚度特性都做了大量的试验研究。朱兴元【32 】对轮胎接地长度 和径向静刚度进行了实验研究，给出了半解析解形式，计算了轮胎在不同载 荷下的接地长度和最大下沉量。另外，程钢 3 3 j 从有限元角度、葛建敏【3 4 】从数 据后处理等方面也对轮胎的刚度特性试验研究做了一些工作。管迪华 3 5 , 3 6 j 对轮胎的模态参数进行了实验研究，并利用模态参数进行了轮胎力学探讨， 根据侧偏时印迹的几何变形及模态参数建模的思想计算了轮胎的稳态侧偏 特性，分别导出径向刚度和侧向刚度的计算公式。在国外，j l a c o m b e ”j 以 及vk g o e l i 弼j 等人也对轮胎的静态和动态刚度特性进行了试验研究。 从前人的研究中可以发现，轮胎的试验研究一般分为两种：直接法直接 测试物理量之间的关系，利用数值关系进行分析：模态分析法利用轮胎的模 态信息进行削接的计算。本文采用直接法，直接测量轮胎参数之间的变化， 拟含它们之间的关系。 2 1 试验目的和试验内容 试验轮胎采用1 9 5 6 5 r 15 型轮胎。根据不同的试验目的，轮胎试验所要 求的信号数据和使用的试验仪器很多。为了既能通过试验准确的了解轮胎主 第2 章轮胎基本参数实验及其相互关系研究 要参数的指标，满足力学分析的要求，又不使试验的工作量过大，本论文主 要考察以f 几方面的内容： 轮胎的径向刚度特性。在不同气压、不同垂向载荷下，轮胎的径向刚度 特性，包括轮胎在不同气压下的垂向力与变形量、有效半径的数值以及他们 之f 日j 的关系； 轮胎的纵向和侧向刚度特性。在不同气压、不同垂向载荷下，轮胎的纵 向和侧向刚度特性，包括轮胎在不同气压、不同垂向力下的侧向力、纵向力 与恻向和纵向变形量之间的关系； 轮胎接地印逊随垂向载荷变化的规律。在不同的气压、不同的垂向载荷 卜轮胎的接地印迹特性与垂向载荷之间的关系等。 在进行了参数试验以后，将轮胎各种参数之间的关系进行拟台，以便为 下面几章的分析和计算奠定良好的基础。 2 2 轮胎基本参数实验的设计 2 2 1 轮胎径向刚度实验设计 2 21 1 轮胎径向刚度试验原理介绍 如图2 1 所示，轮胎固定在轴上，通过伺服激振器对轮胎实现加载，测 得垂向载荷f 与其对应的变形值 ，轮胎的受力和变形情况可以通过激振 器自带的力和位移传感器测出。在不同的充气压力下，逐级加大施加在轮胎 径向的载荷f 同时测得相应的轮胎变形值 。根据公式 h ( a h 、= f ( 2 1 ) 通过拟合的方法确定载荷f 与变形值 之间的关系曲线，从而确定轮 胎的径向刚度和有效半径。 第2 市轮胎基本参数实验及其相互关系研究 图2i 轮胎静刚度( 径向) 测试原理图图2 2 试验台架 2 2 1 2 试验系统介绍 为了保证试验的可靠性与正确性，试验台架的刚度要足够大，使轮胎在 加载时台架的变形要远远小于轮胎的变形，具体如图2 2 所示； 试验中所用的仪器包括：电一液伺服激振器、位移传感器、力传感器以 及数据采集处理系统。上述所有仪器均为i s t 公司提供，具有和很高的准确 度和精度，为此次试验的成功进行打下了基础。 2 212 试验加载过程 m 于此轮胎最大负荷为6 l5 0 n ( 3 0 0 k p a ) ，因此可按如下方式进行加载： 分昌i j 在轮胎的充气压力为2 0 0 、2 2 0 、2 8 0 和3 0 0k p a 的情况下，对轮胎进行 静态加载试验，载荷设置为：以空载为起点，载荷步长为5 0 0 n ，最大载荷 为5 0 0 0 n 。同时注意充气压力较低时，轮胎的承载能力可能下降，应对加载 载荷进行适当的调整。 第2 章轮胎基本参数实验及其相互关系研究 2 2 2 轮胎纵向刚度实验设计 2 221 轮胎纵向刚度试验原理介绍 图2 3 试验装置简圈 如图23 所示，轮胎固定在轴1 上，通过手柄l 对轮胎实现垂向力的加 载与卸载：固定垂向力的大小，通过手柄2 在轮胎纵向施加载荷力，通过位 移传感器读出滑板1 的位移量，得到纵向力与胎面变形的关系： r = x ( 蜘 ( 2 2 ) 以此来测得纵向载荷瓜与胎面对应的变形值缸的变化。轮胎的受力和 变形情况可以通过力传感器和位移传感器测出。在不同的充气压力下，逐级 加大施加在轮胎纵向上的载荷风同时测得相应的轮胎变形值缸，拟合出轮 胎纵向力与纵向变形之间的关系。同理可以得到侧向刚度。 222 2 试验系统介绍 为了保证试验可靠度与正确性，试验台架的刚度要足够大，所以装置都 是由铸铁组成，满足了刚度的需要，同时能够保证在加载时不会因台架变形 而影响精度。 试验中所用的仪器包括：轮胎刚度测试装置、位移传感器、力传感器、 数据采集处理系统，如图2 4 。 第2 章轮胎基本参数实验及其相互关系研究 剀2 4 轮胎纵向刚度测试装置以及数据采集处理装置 2 2 23 试验加载过程 气压为2 0 0 、2 2 0 、2 5 0 、2 8 0 、3 0 0 k p a 的情况下，对轮胎进行静态加载 试验，垂向载荷设置为：以2 0 0 0 n 为起点，载荷步长为1 0 0 0 n ，最大载荷为 5 0 0 0 n 。垂向加载后，纵向加载以1 0 0 n 为起点，载荷步长为1 0 0 n ，最大加 载载荷为1 3 0 0 n 。以2 9 0 k p a 下轮胎的测试试验为例，测试的数据如下 表2 12 8 0 k p a 纵向刚度测试数据 l o o2 0 03 0 04 0 0 5 0