滚动轮胎热分析研究进展

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滚动轮胎热分析研究进展


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9 @7 ~# K0 y; ]2 N. A- O    现代轮式车辆己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。现代车辆和公路的发展对轮胎的性能提出了越来越苛刻的要求，高速化的时代需要有高性能的轮胎。车辆在行驶过程中，轮胎是其与地面唯一接触的部分。轮胎在行驶过程中受到载荷的作用，发生交变变形，容易产生损坏。高速行驶中的轮胎在外载荷的作用下会产生大量的热量，引起温度的升高。轮胎温度的升高将导致橡胶化学和物理性能的下降而丧失强度，汽车轮胎的温度越高，轮胎强度越低，变形越大。如果温度过高，超过140℃时，轮胎就达到硫化翻新的温度，这时轮胎的橡胶与帘线可能会分离，严重时会导致轮胎爆破给乘坐人造成不可挽回的损失。因此，轮胎设计人员在积极寻求一种能够有效降低滚动轮胎生热、提高耐久性、保证车辆行驶安全的方法，滚动轮胎温度场一直是国内外研究的一个热点。
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, Y1 s& v4 X9 o# O: N; p7 P* o    1  轮胎的生热机理

    滚动轮胎的生热主要来源于两方面，一方面是胶料的滞后生热，另一方面是轮胎与路面直接接触引起的摩擦生热。

    1.1  滞后生热
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5 X0 i1 m  ~/ u5 ~3 ~% T7 o; J6 o2 K    轮胎是由橡胶及其复合材料构成的层合结构，橡胶及聚酯帘线均为粘弹性材料。当轮胎挠曲变形时，橡胶对变形产生粘弹性阻力，在周期载荷作用下表现出明显的非线性粘弹性。滞后生热是由轮胎胶料的交变变形引起的，在动态循环曲挠变形中，由于应力与应变的不同步而导致了能量损失，转化为热能。

    1.2  摩擦生热
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' a; Y* A7 H; [" n& V. P    轮胎作为车辆与路面接触的唯一部件，承受着载荷与路面摩擦，与路面接触将产生摩擦生热。影响摩擦生热的主要因素有：接触压力、接触面积、接触面上的摩擦系数、行驶速度、充气压力等。子午线轮胎胎体中有一层钢丝，这种结构增加了轮胎强度和刚度，改善了散热条件，适应高速行驶。但是，一旦轮胎欠压行驶时，轮胎与地面接触面积增加，摩擦生热将大幅提高，同时胎体内的钢丝与胶料之间也发生摩擦生热，最终导致轮胎受热状态急剧恶化。当轮胎在路面上自由滚动行驶时，一般只需考虑胎体和橡胶帘布层因滞后生热引起的轮胎温度的升高；对轮胎抱死滑行状态，应以接触地面产生的摩擦热为主。在急转弯或急剧变速的情况下，轮胎与路面产生明显的相对滑动，应同.时考虑上述两种生热情况，若速度很高则主要以摩擦生热机理为主。

    2  轮胎温度场研究方法

    2.1  实测法

    为了获得轮胎生热机理及轮胎温度场分布状况，多年来国内外许多科技工作者一直在努力尝试各种方法，获得了不少有价值的实验数据。实测法可分为接触法和非接触法两类。这两类方法只能测定轮胎某局部区域或轮胎表面的温度，具有一定的局限性。但实测法的准确性及可靠性也是模拟方法无法比拟的，在轮胎热模型的建立过程中是必不可少的，也为数值模拟的有效性和可靠性提供了必要的验证手段。所以，实测法目前仍不失为一种有效获得轮胎内部及表面温度的实验方法。

    轮胎结构温度场的测试包括轮胎内腔气体温度测试、表面温度测试及轮胎结构内部温度测试。对轮胎内腔气体温度的测试有直接和间接两种方法：在轮胎内腔内放置热电偶测量内腔不同部位的气体温度，FS Conant的测量结果表明内部各处的空气温度基本相等，而且轮胎稳态行使时内腔温度保持稳定；另一种方法是通过测量稳态下轮胎内腔气压大小，以气体状态方程间接计算出轮胎内腔气体温度。轮胎表面温度的测试包括有接触式和非接触式。接触式测量一般采用温度计进行，必须要在轮胎停止行驶后进行测量，由于接触的作用会带走接触表面部分热量导致测量结果偏差。非接触式测量方法目前得到普遍应用，其中应用最主要的是采用红外测温仪器来测量表面温度场，可以方便地通过成像记录仪来实时记录轮胎运行过程中的外表面温度分布。轮胎结构内部全场温度的测试，目前还没有见相关的测试方法报道，工程应用中往往只能通过在轮胎内部埋设热电偶或在轮胎停止行使时将热电偶探针直接放入预先打孔的内部测量点来测量有限点温度以获取轮胎结构内部局部的温度信息，无法获得内部结构的全场温度分布。

0 W% B4 |+ d  J: @% }    2.2  数值模拟法
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    随着轮胎设计理论的发展和成熟，人们逐渐开始采用建立数学模型的方法来研究轮胎的生热规律和温度场分布状况。有限差分法和有限单元法是在轮胎温度场模拟中被广泛采用的两种数值计算方法，其中有限元法应用更为广泛。它的优点是能精确模拟轮胎的结构和材料，可以根据轮胎的操作条件、材料特性等来直接预报轮胎的温度场。在进行数值计算时，应根据轮胎的行驶状况，考虑不同条件下的生热机理，建立热学模型，进行有限元网格划分，最后再根据数学物理方程式利用计算机完成数值模拟计算。
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5 d6 E; N: I4 R# U% B8 p    2.2.1  轮胎生热率分析
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    轮胎生热率分析是轮胎力学分析和热学分析的桥梁，一般方法是先进行轮胎应力、应变分析，然后计算轮胎在滚动过程中的能量损失，根据能量损失得到轮胎的生热率。轮胎在滚动中的变形引起了应力和应变的产生，但由于橡胶和帘线材料的粘弹特性，致使应力应变不同步，呈现相位滞后，形成损耗角。应力σ(t)与应变τ(t)的关系式为
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: k# r; B; N% `2 w7 d: o    ┌ε(t)=εOsinωt
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1 ~2 R3 Y9 \8 x) i2 }& y; V    └σ(t)=σOsin(ωt+δ)  (1)
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    式中:t为时间；ω为角频率；εO为应变振幅；σO向为应力振幅；δ为滞后损失相位差。

    对轮胎内任意点而言，在一个转动周期内，所产生的热量Q，可通过下式表示

    Q=?σ(dε/dt)dt  (2)
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    式中：，为瞬时应力，ε为瞬时应变。
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    每个滚动周期轮胎所损失的能量为

    Q＝πε02eE′tanδ
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! h; t  F  S- a8 w) |" S* d    式中：tanδ为损耗因子，E′=(σO/εO)cosδ为储存弹性模量。

    每个滚动周期轮胎胶料的生热率为
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    Q=(Q/T)=(E′ε02tanδυ/3.6D)  (4)
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    式中：T为轮胎的滚动周期，υ为轮胎的滚动速度，D为轮胎直径。

9 S4 h0 }9 ^* c: @  H+ j/ I8 H    材料的损耗因子与材料的种类、应变振幅、频率和温度等有关。在频率一定时，低温时损耗因子随温度的升高而减小，而高温时损耗因子随温度的升高而略有增高。在温度一定时，损耗因子随频率的增高而增大。胎面胶动态损耗因子对轮胎的耐磨性、生热性及抗湿滑性等影响很大。因此轮胎材料损耗因子的研究亦是轮胎材料力学参数研究的热点。2.2.2  轮胎对流换热规律研究
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1 ?3 M  T1 G  [9 H, G4 K$ F6 r" d    轮胎在路面上行驶的过程中，伴随着生热和温度的升高，必然向外界散发热量，主要形式有：对流到外部空气中，传导到路面，辐射到周围环境等。轮胎的热边界包括胎面与地面、胎面与空气、轮胎与内腔空气、胎圈与轮辋以及胎侧与空气的边界。为了准确预测轮胎表面与外界环境的换热规律，不少研究者对轮胎表面与外界环境的对流换热进行了研究。Gehman用大平板理论推导了轮胎的换热系数，通过实验对其进行了修正。Browne采用自制的实验装置，对不同的实验条件下的橡胶片进行了对流换热系数的测量。Schuring根据稳态时轮胎热平衡方程得到了轮胎对流换热系数与速度的关系。Clark利用气体横掠圆管和气体横掠平板的理论分别推导出了轮胎胎冠和胎侧表面的对流换热系数。何燕、马连湘等采用热质比拟蔡升华技术测定对流换热系数，随着外缘线速度的提高，外侧的对流换热系数呈线性增大；在不同半径位置处，随着半径的增大，模型外侧的对流换热系数呈线性增大。大量研究表明，对流是轮胎运行过程中最主要的散热形式。为此对轮胎表面对流散热规律进行研究是轮胎温度场研究的前提。

    2.2.3  接触摩擦分析
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4 I1 J, {8 p2 r8 W4 `    轮胎的摩擦系数是轮胎温度场研究的一个重要参数，构成轮胎的橡胶与完全为弹性体的金属不同，它是粘弹性体，其摩擦力取决于相对运动的状态。高速滚动轮胎，除了滞后生热外，摩擦生热也较为剧烈，而摩擦系数是表征摩擦生热的一个主要参数。Roberts在实验室中研究了橡胶片在冰面上的摩擦，发现冰面的温度越低，橡胶在其上面的粘着性越大，而当温度接近冰的溶点时，粘着性和摩擦性能将逐渐消失。吕仁国对丁腈橡胶的摩擦特性进行了研究，发现丁腈橡胶的摩擦系数随着外载荷的增加而降低。轮胎胎面摩擦系数的大小与载荷、内压、胎面花纹、胎面橡胶性质、接地压力分布、速度、温度、路面材料、路面湿润程度等多种因素有关，精确确定较为困难，在实验与计算时往往只考虑几个主要因素的影响。

    3  结语
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" i  E7 N; i* ]& E    滚动轮胎热分析主要研究轮胎结构的热学性能，轮胎温度场的分析与结构变形分析相互关联，温度分布的变化对轮胎的防滑性能、减速、加速和转向性能等均有影响，温度升高的同时会影响材料的力学性能，导致轮胎结构的刚度和强度性能的变化，温度过高会导致轮胎橡胶材料的过热破坏，加速轮胎结构的破坏。同时，轮胎运行工况的改变也会影响轮胎的热学性能，汽车行驶速度的提高，使轮胎的能量损耗加剧，轮胎也从结构受力破坏转化为热或热-力耦合破坏。虽然轮胎热分析研究取得了一定的进展，但在计算方法、实验手段、材料性能等方面还有待于进一步加强，继续进行轮胎胶料配方的研究工作，具体可改变配方内部成分的组成以研究其热物性的变化规律，同时进行理论研究，从机理上对物性的改变进行深层次的分析，进一步探求非线性粘弹性材料的力学性能，在能量损耗的分析中进一步考虑材料的温度相关性；改变胎面胶配方，研究配方的改变对摩擦生热的影响。完善轮胎温度场测试系统，实现轮胎温度数据自动采集、分析及图象生成等功能。研究轮胎在多种路面、多种条件下的摩擦系数，提出更加合理的假设条件，继续对轮胎在滞后生热和摩擦生热状况下的稳态及非稳态温度场进行研究。在有限元技术发展完善和计算及试验充足的条件下，可以建立三维滚动轮胎热力耦合有限元模型，通过定义橡胶材料合适的粘弹性本构关系及热边界条件来直接模拟轮胎热力耦合的滚动过程。

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学习了！！！！！！！！！！！！！！！！！

李奇峰

太震撼了

rtiany

生热是轮胎的大问题。轮胎在使用中有热量产生，橡胶是不良的导体，过度的热会使材料的性能发生变化。

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学习了，谢谢楼主分享！

tutbear

nnd kan xia

mixueer

谢谢楼主分享！！！！！！！

tutbear

hen bu cuo  gan xie