货车轮胎设计与分析

图21示图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s11轮胎结构解剖图1）轮胎与地面接触的地方被称为胎冠胶。2）胎侧应具有良好的抗弯性、耐氧性、和良好的耐老化性能，能有效给轮胎提供一层保障。3）胎体要具有一定的承载能力，他的重要作用就是缓和一定的内压，使轮胎拥有一定的外缘尺寸几何形状，使用斜交轮胎必须拥有一定的胎体外缘尺寸和几何边缘形状,对于斜交轮胎来讲。负载的80%-90%必须由于胎体能够承受,因此斜交的胎体必须要具有高的强度。子午线轮胎的载荷主要由带层承担，胎体强度要求不高。4）胎圈由橡胶制品制成，在安全系数设计当中必不可少。斜交轮胎一般每侧有一至三个钢圈，而子午线轮胎只有一个钢圈。5）缓冲层在胎体和胎体帘布层之中。斜交胎缓冲层的主要工作是吸收外界冲击和振动，确保胎冠和帘布层之间可以良好的黏合，缓冲层一般由两层帘线构成，他们是密度较小的帘布层，子午线轮胎缓冲层与斜交轮胎的作用不同。6）气密层胶，时将油皮胶加入内胎内层的一层胶，它的主要作用是减少轮胎胎体受到的摩擦力，所有的全钢丝子午胎必须由一层气密层组成，这些气密层由透气性好的橡胶制成。它们的第一个功能是防止基体帘线被水腐蚀和氧化。它们是保护轮胎骨架的钢丝绳。第二个功能是以防损坏内胎轮胎特性轮胎的侧偏特性轮胎侧滑特性主要与侧滑力、反扭矩和侧滑角有关。在研究或分析汽车动力学时，必须注重轮胎模型，轮胎侧偏特性是轮胎非常重要的特性，侧偏特性是分析车辆行驶稳定性的基本特性。轮胎的结构、工作条件对侧偏特性的影响轮胎尺寸、形状和结构参数对侧偏转向刚度有很大影响。较大尺寸的轮胎具有较高的侧偏转向刚度。高宽比是轮胎断面高H与轮胎宽B之比H/B×100%。它对轮胎的横向刚度有很大的影响，为了提高横向刚度，优先选用宽度直径比值小的轮胎。REF_Ref41246492图22是子午线四种不同高宽比轮胎的侧偏刚度与载荷的关系曲线，由此可见高宽比为60%的6系列轮胎的横向变形刚度有了明显的提高。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s12四种不同高宽比子午线轮胎的侧偏刚度与载荷的关系曲线轮胎抗滑水能力轮胎是车辆唯一与地面接触部件，它对汽车的性能有着重要的影响。在湿漉或多雨的天气，会有一层很薄的水膜在路面上，当汽车在水膜上高速驾驶的时候，水膜会对轮胎有着动态润滑的作用，使汽车轮胎上浮。驾驶速度达到一定的车辆，在动力润滑的作用下甚至会使轮胎远离地面，这种由于水膜的动力润滑而使轮胎漂浮的现象称为“滑水现象"。滑水现象的存在，使轮胎在湿滑地面上的摩擦运动变得非常复杂。轮胎花纹种类的选取、花纹的作用和要求轮胎花纹种类的选取本次花纹采用如REF_Ref41246507图23a)普通纵向轮胎花纹。因为普通花纹耐磨性和附着性、抓地能力好，适用于硬质路面。轮胎花纹主要有混合型、普通型和越野型如REF_Ref41246507图23等。轮胎花纹作用在车辆行驶过程时，轮胎与路面之间相互作用。在地面与轮胎相互作用过程中，它对车辆的驾驶性能、操纵性能、安全性能、效率、磨损消耗和使用寿命都有着非常重要的影响。轮胎外侧的橡胶层是胎面，它由基础橡胶层和上部橡胶单元组成，即胎面花纹块或着条纹。当车辆运行时，胎面承受压缩和剪切载荷。胎面单元的形状、大小尺寸和所用材料，路面的状态和单元所受负荷会影响胎面与地面的接触状态。研究轮胎与路面相互作用过程中，胎面橡胶单元的变形特性和接地行为，对于了解与路面之间摩擦接触的机理和载荷传递特性，对于轮胎性能的评价和轮胎设计都具有重要意义。胎面上的花纹对轮胎对地面的抓力力、防滑水性能和直线行驶稳定性有重要影响。最重要的尤其是对轮胎防滑水性，提高轮胎阻力最重要的方法是改善胎面形状。无论是在厚水膜还是薄水膜中，轮胎花纹都会影响轮胎压力分布、轮胎与路面相互作用时胎面与水膜的相互作用以及排水效率。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s13a)、b)普通花纹c）混合花纹d）e）越野花纹f）拱形花纹g）低压特种花纹轮胎胎面花纹的要求1）确保轮胎和路面附着抓地性良好，特别车辆在高速行驶时，有良好的抗湿滑性和侧滑性，以保障行车安全。2）耐磨性好，磨损均匀，花纹不易堵塞、产生裂口、并且耐刺穿性好。3）滚动阻力小，行驶舒适性好4）沟槽具有良好的自洁性能，不夹石子，底部泥沙易清洗去除。5）低噪轮胎设计车辆性能参数适配车型：东风柳汽乘龙LZ1160RCM最大载重：16.175T车辆长度：9.6m轴数：3根轮胎数：8条（2+6）整车重量：8T平均每条轮胎承载载荷：16.175/8=2.021T（2021kg）使用条件为高速及城际货车用，路面条件较好，行驶速度不高于120km/h轮胎外轮廓设计模型外直径D的确定根据新胎外直径与模型外直径的膨胀率确定模型外直径D，如式3-1D=D'D取D'D=0.9D=D'D'取D=1116mm式中D—模型外直径mm；D'—轮胎负荷能力的计算在载重能力方面，子午线轮胎的负载能力应略高于同等规格和水平的斜交轮胎，但是，美国国家标准TRA手册中使用的载荷，不论是双胎负载还是单胎负载，同等规格和水平的轮胎标准载荷是相同的，但是在对应气压中子午线轮胎比斜交胎稍高一些。譬如一个斜交胎9.00-20-12PR单胎的负载是2340kg,气压是670kPa(6.7kg/cm2)而对应的子午胎9.00R20的单胎负载相同，气压是700kPa(7.00kg/cm2)，此外，负荷系数k的值可以有一点不一样。美国TRA手册中车辆载荷计算公式原始负荷能力的计算公式为Q=K×0.425p0.585×公制载重汽车轮胎额定负荷计算方法如下：Q=K×6.075×10−5式(3-2)中K=1.088(70系列)P=760kPBd=H'式（3-4）中，A为0.8，H'=则Bd=233.2×则负荷能力：Q=1.088×6.075×式中K—负荷系数；d_r—轮辋名义直径，mm；B_d—扁平轮胎等效断面宽；P—充气内压kP；H^'—新胎充气断面高；A—名义高宽比胎圈间距C和模型断面宽B的确定胎圈间距C的选择一般与轮辋宽度相同，或小于轮辋宽度，但小于或等于15-25mm。文献表明，胎圈间距C的选择小于轮辋宽度，可以提高轮胎的耐磨性和侧向刚度，胎圈间距与断面宽的比值为C/B，一般来说，轿车轮胎是0.7～0.8，货车轮胎是0.7～0.75.参照标准315/70R22.5B取312mm，由于轮辋宽度变化，断面宽B也会随之变化，因此断面宽B的取值较小于标准值2mm，故B=310mm.轮胎NX建模利用UG建模，它是一个交互式CAD/CAM（计算机辅助设计和计算机辅助制造）系统，具有多种功能，它可以很容易地实现各种复杂实体和形状的构造。随着计算机应用的飞速发展，它在模具行业得到了广泛的应用。有效的过程模拟需要应用领域、数学和计算机科学的知识。然而，这些技术都不容易在复杂的应用中使用，因为所有这些方法的组合需要大量的复杂性和跨学科的知识。在过去的十年里，数学家们研究了一些非常成功的求解偏微分方程的技术，特别是自适应网格加密和多重网格方法。随着计算机技术的进步，特别是大型并行计算机的发展，带来了许多新技术。轮胎的设计是基于UG软件，用于完善轮胎的细节和三维建模。具体化设计包括轮胎外直径1116mm，断面宽310mm。货车建模图如REF_Ref41246546图31所示图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s11轮胎三维建模图三维建模软件介绍NX用于三维建模。它的发展始于1969年。它是基于C语言的发展。UG是一个灵活的软件工具，用于求解二维和三维非结构网格上的偏微分方程。根据用户的需求，提出了一种实用的解决方案，为用户提供虚拟产品设计和工艺设计。UG建模的优点有1）设计时间可收缩30%以上，新产品发布会更快。2）提高团队生产力3）无缝处理来自其他CAD系统的数据4）根据产品需求设计基于为客户提供前所未有的未使用解决方案的成功经验，它可以显著提高设计过程的效率，降低成本，缩短上市时间，NX通过专注并超越技术创新的整个产品生命周期，展示了它的成功。这些目标使NX能够通过一系列无可比拟的产品验证应用程序和过程自动化工具，将从概念到生产的早期制造过程集成到数字管理和合营框架中。轮胎分析有限元软件介绍分析采用SolidWorks软件。它是世界上第一个基于windows开发的三维CAD系统。通过Solidworks，设计师可以大大缩短设计时间，并快速有效地将产品推向市场。有限元分析方法能够分析汽车轮胎的自由滚动状态，在很大程度上弥补了静载分析的误差。假设轮胎在滚动过程中始终是稳定的，即在滚动过程中应力、应变和温度场是一致的，这简化了分析过程，并借助一些数学方法和措施，可以成功地完成轮胎的自由滚动分析。当然，也有必要应用有限元软件，使我们可以看到正常的轮胎胎肩随滚速和圆周位置的变化，有限元分析方法还表明，轮胎胎肩在滚动循环中经历了“压缩、张紧、压缩”的过程。这种张力变化形式是轮胎磨损和报废的主要原因，其损伤程度与应力的增加呈正相关关系，另外，在对汽车轮胎进行有限元分析时，可以得出如下结论：轮胎侧壁在地面上的压力较低，载荷减小，这主要是因为胎体在充满轮胎空气的情况下接触地面时，胎体的张力释放，这种“张力释放”模式是另一个破坏胎侧疲劳的重要因素，事实上，如果用有限元法来分析轮胎的动态动力学，就有必要解决与“轮胎路面界面”相关的接触问题。发现自由滚动摩擦力不是对称分布的，胎冠中心的摩擦力与肩部之间有较大的间隙，在车辆下沉时，肩部的压力值最大。轮胎单元材料参数数值（1）各项同性材料：E=Er；V=（2）正交各项异性材料:①子午线胎体胎体是由弹性模量高的帘线层和橡胶黏合成的。可以从实验得到密度，他的弹性模量和泊松比可以根据艾凯厄尔法计算得出。轮胎胎体的宏观纵向x方向弹性模量Ex和宏观y方向弹性模量Ey分别为EX=EfVf+Er(1−Vf)Ez=EGxz=EVxy=Ey/2E②对称排列带束层Ex=EEy=EEz=2EGxz=VxyVxy=0.49;Vxz载荷的施加及其边界条件数值条件设置对轮胎分析参数设置如REF_Ref41262215表41表STYLEREF1\s4SEQ表\*ARABIC\s11数值设置表模型类型:线性弹性同向性条件屈服强度:2.20594e08N/张力强度:3.99826e08N/弹性模量:2.1e11N/泊松比:0.28质量密度:7800kg/m抗剪模量:7.9e10N/热扩张系数:1.3e−5载荷施加为了减少模型的计算量，本文在处理边界条件时没有考虑轮毂总成，在轮胎内圈中心节点处约束X、Z向自由度如REF_Ref41246580图表41REF_Ref41246615图表42，在Y方向施加重力加速度(9800mm/s')模拟轮胎自重，车辆重量为8t,用MASS21质量单元模拟:轮胎充气压力为0.25MPa.利用水平加速度模拟轮胎与路面的滚动接触，轮胎与路面接触问题的有限元分析属于非线性大变形分析的一部分，需要较长的时间来解决，计算结果的收敛性取决于模型的网络密度、边界条件、加载步骤等因素，划分单元格节数如REF_Ref41246624图表43实验时，按载荷步依次加载轮胎自重、车身重量、气压和加速度。图表STYLEREF1\s4SEQ图表\*ARABIC\s11约束力夹具名称夹具图像夹具细节固定实体:2面类型:固定几何体零部件XYZ合力反作用力(N)-7.28892e2.56135e-5.03032e5.64535e图表STYLEREF1\s4SEQ图表\*ARABIC\s12法向约束力载荷名称加载图像负载力-1实体:4面 类型:应用法向力 值:220N 图表STYLEREF1\s4SEQ图表\*ARABIC\s13划分单元格节点总数41564单元总数21572最大高宽比例31.602单元(%),其高宽比例<372.7单元(%),其高宽比例>100.329轮胎接触问题的有限元分析计算结果及其分析位移1结果如REF_Ref41246645图表44，位移2如REF_Ref41246662图表45，轮胎的非线性特性包括几种非线性特性和材料的非线性约束。在充气压力的影响下，轮胎的形状发生了明显的变形。轮胎张力与负荷之间不是线性关系。图表STYLEREF1\s4SEQ图表\*ARABIC\s14静应力分析-位移1名称类型最小最大位移1URES:合位移0.000mm节:30212.514e−10节:30879图表STYLEREF1\s4SEQ图表\*ARABIC\s15静应力分析–位移2名称类型最小最大位移2ESTRN:对等应变6.352e−15单元:211095.511e−13单元:21282研分析轮胎与路面的接触力時，不仅要考虑相对接触状态和接触界面，还要考虑外载荷对节点载荷、接触面积和接触压力分布的影响。针对这些问题，有拉格朗日乘子法、罚二数法和直接限制法。结构最大水平位移与层间位移往往出现在结构的边角部位；因此应注意调整结构外围对应位置抗侧力构件的刚度，减小结构刚心与质心的偏心距。同时在设计中，应在构造措施上对胎侧的刚度予以保证图表STYLEREF1\s4SEQ图表\*ARABIC\s16汽车轮胎-静应力分析-屈服应力。名称类型最小最大力VON:屈服应力1.849e−3N/m节:94832.583e−1N/m节:31285随着Y方向位移的增大，反作用力也随之增大。在垂直方向将刚性目标面共同作用带动位移，刚性目标面与轮胎由开始的不接触到接触，胎面由原来的圆弧逐渐被压扁。变形主要发生轮胎与地面接触后的胎侧部位，轮胎的胎侧受到来自地面的垂直载荷，发生了较大的变形，其原因是轮胎胎体直径在胎体内部压力和胎体刚性目标面相互作用下，直径有增大的趋势，侧壁是一种刚度小的柔软层。在接触过程中，侧壁尺寸增大并向外扩展，胎侧中部凸起最为显著，向胎肩逐渐过渡，变形逐渐减小，可以看出帘布层对子午线轮胎的整体变形有很大的影响。因为从REF_Ref41246734图表46看以看出轮胎的最大应力为2.583e−1N/m2，最大位移量5.511e−13mm<最小屈服强度2.583e−1N/m2图表STYLEREF1\s4SEQ图表\*ARABIC\s17静应力分析-安全系数名称类型最小最大安全系数8.541e8节:312851.193e11节:9483疲劳分析用于各种简单或复杂加载条件(也称为疲劳工作周期)中评估设计的结构价值或耐久性。应力安全系数(即结构强度)和疲劳安全系数(即疲劳强度)是评估疲劳分析结果的有效方法。应力安全系数是个无单位标量的疲劳结果,实现将应力安全系数计算为有效应力时间关系曲线图的一-种功能,以确定结构的故障索引结果集。大于1的应力安全系数是符合标准的,小于1则表示有故障。疲劳安全系数也是无单位标量,是在节点处或在单元面上计算的,计算方法是首先确定所有加载周期,然后评估最具破坏性的周期。如果认为一项设计可行,疲劳安全系数则必须大于1,否则最终会因为重复给定的疲劳工作周期而破坏。如REF_Ref41246763图表47安全系数最小8.541e8>1，所以轮胎应力安全系数符合标准。

总结与展望根据货车自身条件，选择与之匹配的轮胎结构和花纹，选择子午线轮胎，根据轮胎的实际结构特点，利用UG三维设计软件建立简化的子午线轮胎模型。SolidWorks有限元仿真软件运用选择轮胎模型的元素和特性、接触使用的条件和重条件，建立合理的轮胎有限元模型。模拟分析各种轮胎压力下和地面之间的接触应力。得到了不同轮胎充气压力下的汽车载荷大多数在轮胎与路面的静态接触附近。而且胎冠型变量较多。根据不同充气压力的变形情况，可以看出轮胎充气压力应在220kPa左右最为合适。本文的重点是在UG中建立出货车的轮胎模型，简化模型的建立有应该有严格的要求。否则我们将得不到所要求的结果。在几何造型中，轮胎的某些部位需要简化，这符合网格化的需要。在模拟轮胎垂直状态时，简化了轮胎的局限性。研究者现在应该积极研究有限元分析方法，利用计算机软件可以更好的完善模型的概况，省去不必要的浪费，使其在轮胎结构分析的应用中发挥更大的作用。

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