摘要：三角平衡輪廓輪胎是一種新型的輪胎結(jié)構(gòu)，在其胎肩處和胎側(cè)處增加高強(qiáng)度的支撐塊來提高輪胎的性能。前期的力學(xué)分析表明，三角平衡輪廓輪胎的滾動阻力比普通輪胎小，安全性能更高?；贏BAQUS軟件建立輪胎三維模型，模擬三角平衡輪廓輪胎以60公里/小時滾動的工況，運(yùn)用USDFLD子程序得到各個節(jié)點的生熱率，確定輪胎滾動下的熱邊界條件，最后得到溫度場。提取的數(shù)據(jù)表明，除了胎肩處沒有明顯的優(yōu)勢，三角平衡輪胎整體的熱學(xué)性能比255/30R22輪胎的優(yōu)良。
1 引言
三角平衡輪廓是指基于低扁平率的傳統(tǒng)輪廓輪胎輪廓為基礎(chǔ)，通過增大輪胎自由狀態(tài)下的斷面水平軸到胎圈的距離、縮短著合寬度、在胎肩部與胎側(cè)部的內(nèi)輪廓處增添高強(qiáng)度、耐高溫和耐磨損的支撐塊來對輪胎輪廓結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。作為新型結(jié)構(gòu)輪胎的支撐塊必須具有良好的力學(xué)性能和熱學(xué)性能。聚氨酯的力學(xué)特性介于塑料和橡膠之間，比橡膠強(qiáng)度高但比塑料抗沖擊。聚氨酯有一定吸振能力，作為輪胎的支撐塊既可以提高輪胎的剛度又保證了輪胎的舒適度。同時一般的聚氨酯的導(dǎo)熱性能差，所以要對聚氨酯改性。制備高導(dǎo)熱的高分子材料有兩種途徑。第一種是制備具有良好導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)的高分子材料,如具有共軛結(jié)構(gòu)的聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯等材料。這些材料共軛結(jié)構(gòu)大，能夠利用電子傳遞機(jī)制很好地導(dǎo)熱，導(dǎo)熱絕緣高分子材料制備的第二種途徑,就是向聚合物中填充導(dǎo)熱組分來制備高分子復(fù)合材料，通用的高導(dǎo)熱組分是高導(dǎo)熱的無機(jī)物，本文選擇向聚氨酯中填充碳纖維，其導(dǎo)熱率可達(dá)0.4-0.8W/m.k。
本文用ABAQUS 軟件建立三角平衡輪廓輪胎三維模型，先對其進(jìn)行以60公里/小時滾動工況的力學(xué)分析，算出節(jié)點的生熱率，再建立熱分析模型，確定熱邊界條件，最后得到溫度場。
2 生熱機(jī)制
橡膠和聚氨酯支撐塊都是粘彈性材料，其生熱的機(jī)理是也一樣的。輪胎溫升是膠料滯后生熱以及與地面摩擦生熱導(dǎo)致的結(jié)果。在輪胎的穩(wěn)態(tài)滾動過程中,各部位受到應(yīng)力、應(yīng)變的作用,橡膠復(fù)合材料粘彈性造成的滯后損失成為生熱的主要原因。所以本文將忽略輪胎與路面的摩擦生熱只考慮材料的內(nèi)耗生熱。輪胎滾動過程中,膠料的應(yīng)力是隨時間變化的周期曲線，任何周期曲線都可以經(jīng)過傅里葉變換用正弦曲線表示，材料的能量損耗和能量損耗率可以通過諧應(yīng)變模式下的能量損耗模型來計算,能量損耗是轉(zhuǎn)速和交變應(yīng)力幅的函數(shù)。
3 輪胎有限元模型的建立
3.1有限元模型的建立
首先建立二維的三角平衡輪廓軸對稱模型，骨架材料包括帶束層、冠帶層、胎體層、胎圈?；w材料包括帶束層膠、子口膠、冠帶層膠、胎圈膠、內(nèi)襯層、三角膠、胎側(cè)膠、胎面膠。膠料采用YEOH模型，骨架材料通過Embed功能嵌入對應(yīng)的膠料。三角支撐塊采用線彈性參數(shù)，楊氏模量為510MP，泊松比為0.4。二維軸對稱模型通過SYMMETRIC MODEL GENERATION 功能建立三維模型。施加垂直載荷6800N，摩擦因數(shù)設(shè)為0.5，充氣壓力為0.29MP，滾動速度為60公里/小時。力學(xué)分析所用的模型單元類型為C3D8H和C3D6H。只需把單元改為傳熱單元，材料力學(xué)參數(shù)改為熱參數(shù)就可以繼續(xù)做傳熱分析，熱參數(shù)包括導(dǎo)熱率和比熱容，比熱容是隨著溫度變化的參數(shù)。

圖1 不同輪廓輪胎的二維斷面網(wǎng)格

圖2 三維有限元模型

3.2邊界條件及載荷定義
本文溫度場分析假設(shè)輪胎的能量損耗只是由膠料的粘彈性引起的，不考慮輪胎與地面的摩擦生熱；輪胎的周向無溫度差；忽略表面的熱輻射。確定熱邊界條件是準(zhǔn)確預(yù)測溫度場的必要條件，邊界條件有胎面、胎側(cè)與空氣的對流換熱，子口與輪輞的導(dǎo)熱系數(shù)。設(shè)定環(huán)境溫度為25℃。研究表明胎面、胎側(cè)與空氣的對流換熱系數(shù)與輪胎表面的速度有關(guān)，根據(jù)公式算出各個部分的參數(shù)。
4 結(jié)果與討論
4.1溫度場分析
從圖3中可以看出，255/30R22輪胎和三角平衡輪廓輪胎的溫度場分布大致相同，高溫區(qū)都出現(xiàn)在胎肩，前者的最高溫度為62℃，后者的最高溫度為63℃。255/30R22輪胎由于胎側(cè)和胎肩的膠料軟變形大而生熱多，三角平衡輪廓輪胎在三角塊的支撐下，胎側(cè)和胎肩的剛度提高，應(yīng)力應(yīng)變小而生熱少，但是三角塊增加了胎肩的厚度不利于散熱。最后兩個輪胎胎肩的溫度相近而三角平衡輪廓輪胎胎側(cè)溫度明顯小于255/30R22輪胎的。兩者胎圈膠料的最高溫度大致相同，但是255/30R22輪胎的高溫區(qū)域在胎圈中心處，這可能是因為胎側(cè)高溫區(qū)的影響。而三角平衡輪廓輪胎胎圈高溫區(qū)域偏向輪輞接觸處。255/30R22輪胎胎冠緩沖帶中心處有一處高溫區(qū)而三角平衡輪廓輪胎沒有，原因是三角支撐塊拉伸了胎面使緩沖帶變形較小而生熱較小。圖中每種輪胎取了1-1、2-2、3-3和4-4路徑方便下文分析數(shù)據(jù)。

圖3不同輪胎的溫度場

4.2數(shù)據(jù)分析
圖4為4條路徑上的溫度分布。1-1為胎圈區(qū)的路徑，圖4(a)表明兩條曲線的前一半重合，三角平衡輪胎的后一半路徑上的溫度突然增高，最高溫度的位置較255/30R22輪胎的后移，這是因為255/30R22輪胎此處的溫度受胎側(cè)的影響大，三角平衡輪胎沒有此影響而溫度區(qū)域偏向?qū)嵝院玫妮嗇y接觸處。2-2為胎側(cè)區(qū)的路徑，圖4(b)表明了三角平衡輪廓輪胎的優(yōu)越性，它的支撐塊起到了支撐和分擔(dān)胎側(cè)載荷的作用，其胎側(cè)整體的溫度不到255/30R22輪胎胎側(cè)溫度的一半，趨勢平緩，溫度分布均勻。3-3是在胎肩處過最高溫度取得路徑，圖4(c)可以看到兩者的最高溫度相差不大，兩條曲線相當(dāng)于左右平移了，三角平衡輪胎胎肩的最高溫度偏向內(nèi)表面，靠近骨架材料。4-4為輪胎為胎面中心區(qū)域的路徑。胎面為輪胎唯一與路面接觸的部位，承載了輪胎的垂直載荷。在載荷相同的情況下，圖4(c)表明三角平衡輪胎胎面路徑上溫度基本保持在環(huán)境溫度上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于255/30R22輪胎胎面路徑溫度，原因是三角塊撐直了胎面，減小了膠料的內(nèi)耗。圖5為骨架材料端點的溫度隨時間變化的曲線圖。骨架材料端點的溫度變化趨勢相同，255/30R22輪胎達(dá)到溫度平衡的時間比三角平衡輪胎短。由于三角平衡輪胎胎肩高溫區(qū)向三角塊處偏移，這就導(dǎo)致三角平衡輪胎的第二帶束層端部溫度比255/30R22輪胎的低，第一冠帶層的溫度兩者相差不大，但是三角平衡輪胎的第一帶束層和第二帶束層的溫度都比255/30R22輪胎的高。三角平衡輪胎的優(yōu)勢在于兩個胎體反包處的溫度都很低，這可以防止胎體脫層。

圖4路徑上的溫度分布

圖5采樣點上的溫度曲線

5結(jié)論
本文在支撐塊提高輪胎力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，做了255/30R22輪胎和三角平衡輪廓輪胎最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)的溫度場對比。得出結(jié)論如下：
（1）三角平衡輪胎提高了胎側(cè)的剛度使胎側(cè)的生熱小，支撐塊拉直了胎面使胎面變形小，所以胎側(cè)和胎面的溫度較低，同時三角塊的作用使胎肩的高溫區(qū)域向胎內(nèi)偏移。
（2）三角平衡輪胎胎體反包處的溫度較255/30R22輪胎低很多，避免出現(xiàn)胎體脫層破壞。
（3）除了胎肩處沒有明顯的優(yōu)勢，三角平衡輪胎整體的熱學(xué)性能比255/30R22輪胎的好，如果改進(jìn)三角塊的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)其散熱功能，三角平衡輪胎能兼?zhèn)鋬?yōu)良的力學(xué)性能和熱學(xué)性能。

（唐霞 賀建蕓 薛梓晨 張金云 付新華 焦志偉 譚晶 楊衛(wèi)民）
（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；三角輪胎股份有限公司）