摘要：三角平衡輪廓輪胎是一種新型的輪胎結構，在其胎肩處和胎側處增加高強度的支撐塊來提高輪胎的性能。前期的力學分析表明，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。基于ABAQUS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，運用USDFLD子程序得到各個節點的生熱率，確定輪胎滾動下的熱邊界條件，最后得到溫度場。提取的數據表明，除了胎肩處沒有明顯的優勢，三角平衡輪胎整體的熱學性能比255/30R22輪胎的優良。
1 引言
三角平衡輪廓是指基于低扁平率的傳統輪廓輪胎輪廓為基礎，通過增大輪胎自由狀態下的斷面水平軸到胎圈的距離、縮短著合寬度、在胎肩部與胎側部的內輪廓處增添高強度、耐高溫和耐磨損的支撐塊來對輪胎輪廓結構進行優化。作為新型結構輪胎的支撐塊必須具有良好的力學性能和熱學性能。聚氨酯的力學特性介于塑料和橡膠之間，比橡膠強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熱性能差，所以要對聚氨酯改性。制備高導熱的高分子材料有兩種途徑。第一種是制備具有良好導熱結構的高分子材料,如具有共軛結構的聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯等材料。這些材料共軛結構大，能夠利用電子傳遞機制很好地導熱，導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熱組分來制備高分子復合材料，通用的高導熱組分是高導熱的無機物，本文選擇向聚氨酯中填充碳纖維，其導熱率可達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，先對其進行以60公里/小時滾動工況的力學分析，算出節點的生熱率，再建立熱分析模型，確定熱邊界條件，最后得到溫度場。
2 生熱機制
橡膠和聚氨酯支撐塊都是粘彈性材料，其生熱的機理是也一樣的。輪胎溫升是膠料滯后生熱以及與地面摩擦生熱導致的結果。在輪胎的穩態滾動過程中,各部位受到應力、應變的作用,橡膠復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耗生熱。輪胎滾動過程中,膠料的應力是隨時間變化的周期曲線，任何周期曲線都可以經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變模式下的能量損耗模型來計算,能量損耗是轉速和交變應力幅的函數。
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。基體材料包括帶束層膠、子口膠、冠帶層膠、胎圈膠、內襯層、三角膠、胎側膠、胎面膠。膠料采用YEOH模型，骨架材料通過Embed功能嵌入對應的膠料。三角支撐塊采用線彈性參數，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，摩擦因數設為0.5，充氣壓力為0.29MP，滾動速度為60公里/小時。力學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，材料力學參數改為熱參數就可以繼續做傳熱分析，熱參數包括導熱率和比熱容，比熱容是隨著溫度變化的參數。
圖1 不同輪廓輪胎的二維斷面網格
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確預測溫度場的必要條件，邊界條件有胎面、胎側與空氣的對流換熱，子口與輪輞的導熱系數。設定環境溫度為25℃。研究表明胎面、胎側與空氣的對流換熱系數與輪胎表面的速度有關，根據公式算出各個部分的參數。
4 結果與討論
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，高溫區都出現在胎肩，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，胎側和胎肩的剛度提高，應力應變小而生熱少，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輪胎的高溫區域在胎圈中心處，這可能是因為胎側高溫區的影響。而三角平衡輪廓輪胎胎圈高溫區域偏向輪輞接觸處。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據。
圖3不同輪胎的溫度場
4.2數據分析
圖4為4條路徑上的溫度分布。1-1為胎圈區的路徑，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的影響大，三角平衡輪胎沒有此影響而溫度區域偏向導熱性好的輪輞接觸處。2-2為胎側區的路徑，圖4(b)表明了三角平衡輪廓輪胎的優越性，它的支撐塊起到了支撐和分擔胎側載荷的作用，其胎側整體的溫度不到255/30R22輪胎胎側溫度的一半，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，兩條曲線相當于左右平移了，三角平衡輪胎胎肩的最高溫度偏向內表面，靠近骨架材料。4-4為輪胎為胎面中心區域的路徑。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境溫度上，遠遠小于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向三角塊處偏移，這就導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結論
本文在支撐塊提高輪胎力學性能的基礎上，做了255/30R22輪胎和三角平衡輪廓輪胎最終達到穩態的溫度場對比。得出結論如下：
（1）三角平衡輪胎提高了胎側的剛度使胎側的生熱小，支撐塊拉直了胎面使胎面變形小，所以胎側和胎面的溫度較低，同時三角塊的作用使胎肩的高溫區域向胎內偏移。
（2）三角平衡輪胎胎體反包處的溫度較255/30R22輪胎低很多，避免出現胎體脫層破壞。
（3）除了胎肩處沒有明顯的優勢，三角平衡輪胎整體的熱學性能比255/30R22輪胎的好，如果改進三角塊的結構加強其散熱功能，三角平衡輪胎能兼備優良的力學性能和熱學性能。
（唐霞 賀建蕓 薛梓晨 張金云 付新華 焦志偉 譚晶 楊衛民）
（北京化工大學機電工程學院；三角輪胎股份有限公司）
