芳纶纤维骨架轮胎的自由滚动数值模拟分析.docVIP

芳纶纤维骨架轮胎的自由滚动数值模拟分析 谭晶1,2，吴潇1,2，刘肖英1,2，张金云1,2，杨卫民1,2，安瑛1,2* （1、北京化工大学 机电工程学院 2、轮胎设计与制造工艺国家工程实验室，北京 100029） 摘要：本文对芳纶纤维在汽车轮胎上的应用进行探索。利用数值模拟法研究了165/75R13和185/65R14两种规格的常用汽车轮胎用芳纶纤维代替钢丝带束层和尼龙冠带层后，在200km/h高速自由滚动工况下，对轮胎力学性能的影响，并总结芳纶纤维的应用对不同规格子午线轮胎相关性能的影响规律。结果表明：用芳纶纤维代替钢丝带束层后在减轻轮胎总重的同时没有降低其使用性能；芳纶冠带层轮胎在承载能力、耐久性和强度等性能方面与现有轮胎及芳纶带束层轮胎相比都有显著优势，且轮胎规格越大，芳纶纤维冠带层对轮胎性能的改善效果越明显。 关键词：芳纶纤维，子午线轮胎，有限元分析，自由滚动 骨架材料是保证轮胎强度、承受载荷以及保持轮胎尺寸稳定性的关键性增强材料。随着轮胎朝着子午化、高速化以及环保化发展[1]，对骨架材料的强度、刚度、耐疲劳等性能提出更高的要求。近年来，耐高温、高强度、高模量、变形小的芳纶纤维广泛应用于航空轮胎，相关研究表明芳纶骨架可以降低轮胎重量，降低滚动阻力，对轮胎的耐刺扎性、耐切割性能都有很大改善。欧美各轮胎公司已利用芳纶纤维代替钢丝作为高性能轮胎的带束层以及重载子午胎胎体以及工程轮胎缓冲层，得到的制品质量低，滚动阻力小[2]。国内广州市华南橡胶轮胎有限公司和桦林佳通轮胎有限公司等将芳纶纤维用于高性能子午线乘用轮胎的骨架材料 [3-4]。实验样胎的实验结果直观地验证了用芳纶制造骨架材料相比传统骨架材料具有不可比拟的优势，但是受样胎型号、实验数量以及人为偶然因素影响，实验结果无法系统地说明芳纶纤维的密度、强度以及帘线角度等参数对轮胎性能影响的特定规律。本文采用ABAQUS有限元分析软件，研究在高速自由滚动工况下，当芳纶纤维用于165/75R13和185/65R13两种不同规格的常用汽车轮胎带束层和冠带层骨架材料时，相对传统的钢丝束带层轮胎在轮胎力学性能上的不同，为开发高性能的新型芳纶骨架汽车轮胎提供准确的理论基础和方向性指导。 轮胎有限元模型的建立和验证 1.1、模型建立 本研究拟采用芳纶纤维代替现有轮胎的带束层、冠带层骨架材料与传统轮胎进行对比分析，以设计出轻量化、高性能的新型轮胎。骨架材料一般包括胎体帘布层、带束层、冠带层、胎圈等，如图1（a）所示。图1（b）、（c）分别为165/75R13和185/65R13型轮胎的有限元模型。 （a）子午线轮胎骨架结构示意图； （b）165/75R13型 （c）185/65R14型 图1. 轮胎骨架结构示图及有限元模型 建立A、B、C三种不同骨架材料的轮胎模型，综合考虑性能和经济性，三种轮胎模型中使用的骨架材料对比如表1示。三种轮胎的三维有限元模型结构、载荷、边界条件等完全相同，研究B、C两种使用芳纶作为骨架材料的轮胎相对于A型使用传统骨架材料的轮胎在力学性能上的优越之处。 表1. 三种轮胎模型的骨架材料差异 类型 骨架材料 A 聚酯胎体、钢丝带束层、尼龙冠带层 B 聚酯胎体、芳纶纤维带束层、尼龙冠带层 C 聚酯胎体、钢丝带束层、芳纶纤维冠带层 本文中芳纶纤维采用平顶山河南神马实业股份有限公司开发的1670dtex/2+1400dtex/l -88EPD型号芳纶-尼龙混纺帘线，该帘线在经向密度、帘线直径、断裂强度等参数指标上均优于传统轮胎的钢丝帘线。 汽车轮胎一般处于静止与匀速前进的状态，本文利用静载来验证模拟的可行性验证，进而对轮胎在自由滚动下的力学性能进行分析。对轮胎的静载工况进行模拟前需要对轮胎模型进行充气，充气压力为0.25MPa，径向载荷为4500N。自由滚动状态即轮胎处于纯滚动，没有滑动状态。模拟轮胎处于自由滚动工况时，在静载工况的基础上对轮胎和轮辋施加自由滚动速度以及相应自由滚动角速度。设定的水平速度为200kM/h，自由滚动角速度为199.9/s。 1.2、193.3758 0.91822 0.474837 横向刚度 92.01128 92.43323 0.42195 0.456492 纵向刚度 177.95982 178.37674 0.41692 0.23373 表3. 185/65R14刚度特性数值对比 模拟值（N/mm） 试验值（N/mm） 差值（N/mm） 误差（%） 径向刚度 224.80 210.49 14.31 6.798 横向刚度 108.13 108.27 0.14 0.129 纵向刚度 183.15 192.07 8.92 4.644 2、[5]，承受着高频率的周