1 重慶交通大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 i l u liii iii ltl ll ll i iiil 19 0 2 2 3 7 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所 取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā) 表或撰寫(xiě)過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確 方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者虢毒式 日期：| 1 年?duì)幤涠呷?重慶交通大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向 國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)重 慶交通大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部?jī)?nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮 印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。同時(shí)授權(quán)中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所將本人 學(xué)位論文收錄到 5 0 0 ，因此 這種狀態(tài)為湍流狀態(tài)。道路表面不同部位粗糙系數(shù)、水膜壓力、水膜厚度等都 是隨機(jī)變量，假設(shè)發(fā)生滑水時(shí)輪胎不會(huì)在道路上發(fā)生橫向位移，可以將其轉(zhuǎn) 化為平面問(wèn)題，建立輪胎與路面的潤(rùn)滑系統(tǒng)( 圖2 5 ) 。在輪胎和路面兩個(gè)滑 動(dòng)體間取出一個(gè)微元體，其受力狀態(tài)如圖2 6 。 路面 圖2 5 產(chǎn)生滑水時(shí)的潤(rùn)滑系統(tǒng) f i 9 2 5t h el u b r i c a t i o ns y s t e mw h i c hc o m p o s e db yt y r e sa n dp a v e m e n tw i t hw a t e rf i l m i _ _ - 一 工 l 矽+ 望出 缸 圖2 6 微元體受力圖 f i 醇6t h ea n a l y s eo f s t r e s si nm i c t o e l e m e n tt i r e s 微元體左側(cè)由于滑水所產(chǎn)生的壓強(qiáng)計(jì)作尸，右側(cè)的壓強(qiáng)為p + 罷出，微元體 上表面剪應(yīng)力為f f + 譬如，下底面剪應(yīng)力為o 。因此工方向的受力狀態(tài)可知n 刀： 磚+ ( l + - 警d z ) d x = 。+ d x ) d z + 啦 ( 2 7 根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律可知f z = ，7 罷嘲，將其帶入式( 2 7 ) 可將其簡(jiǎn)化為 罷= 瓦0 研孛o u ( 2 8 斑廢 忽 由于p 和j 7 均不是z 的函數(shù)，所以等和j 7 可作為常量，對(duì)z 取兩次積分可 得： 甜= 芻望o x z 2 + 號(hào)外c 2 ( 2 9 ) 根據(jù)雷諾方程的假設(shè)條件：當(dāng)薩a 時(shí)，u = b t ；z = 島時(shí)，口= ( 研、分別 為輪胎和路面沿x 軸運(yùn)動(dòng)的速度) ，因此g 和歷為： 相辮- - 1 罷( m ) ( 2 1 0 c 2 卻石1 罷忖學(xué)啊 ( 2 1 1 ) 將式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 代入式( 2 9 ) 可得 u 2 1 約c 2 r + 醋百1 o p + a 岬西1 跏一囂啊( 2 1 2 ) 設(shè)x 方向的單位體積流量為 吼= u d z ( 2 1 3 ) 將式( 2 1 3 ) 代入式( 2 1 2 ) ，對(duì)吼積分可得 吼= 一晏z o t , + l h ( u l + ) ( 2 1 4 ) 吼一函。瓦十。 2 ， 一 由于單位體積流量的質(zhì)量歷工= 觸( p 為水的密度) ，因此 一l 1 2 第二章輪胎滑水的機(jī)理及理論模型分析 聊工叫唔罷掣1 帆+ ) ) 他 根據(jù)流體力學(xué)可知，單位時(shí)間內(nèi)流體在x 、y 、z 方向流進(jìn)，流出控制體的流 體質(zhì)量差分別為： ：一旦蟬如馳 鋤，；一掣如( 岫 ( 2 1 6 ) 鋤：一掣墮出批 根據(jù)質(zhì)量守恒定律，單位時(shí)間內(nèi)流進(jìn)、流出控制體的流體質(zhì)量差應(yīng)等于控制 體內(nèi)因流體密度變化所引起的質(zhì)量增量：即 + 鋤y + 覘= 詈出蛐 j 望+ 曼+ 絲型+ 煎盟：o( 2 1 7 ) a瓠 劫 阮 由于上述潤(rùn)滑系統(tǒng)假設(shè)輪胎發(fā)生滑水時(shí)沿道路橫向不會(huì)發(fā)生變化，因此式 ( 2 1 7 ) 中y 項(xiàng)為零。對(duì)變量z 取積分，由于z - - h 1 時(shí)薩廄和z = h 。時(shí)l r = 歷( 廄、 展分別為輪胎和路面沿z 軸運(yùn)動(dòng)的速度) ，得 p ( 誓+ 誓一魯一u 魯) _ 一c 摯一c 筆勉 ( 2 1 8 由于u 粵和譬指的是z 方向的運(yùn)動(dòng)引起z 方向的位移，對(duì)式( 2 1 8 ) 進(jìn)行求導(dǎo)變換，得： 絲+ 旦遜：0( 2 1 9 ) 良西 將式( 2 1 5 ) 代入式( 2 1 9 ) ，聯(lián)立求得 曇犀罷) ：6 曇( p 甑+ ) 7 1 ) + 1 20 ( 盤(pán)p h ) ( 2 2 0 ) 蹴 i 斑出講 式( 2 2 0 ) 為等溫條件的平均雷諾方程刪，由于硼娑代表變密度效應(yīng)， 礎(chǔ)i o u 代表伸縮效應(yīng)，坳罷代表動(dòng)壓效應(yīng)，亟當(dāng)代表擠壓效應(yīng)，n n 上式是n 時(shí)考慮了滾動(dòng)動(dòng)壓、滑動(dòng)動(dòng)壓和擠壓效應(yīng)的雷諾方程。 由式( 2 2 0 ) 可知，等溫條件下的雷諾方程包括液體密度、厚度、粘度的參數(shù)， 三者與動(dòng)水壓強(qiáng)相互影響，只有對(duì)其進(jìn)行聯(lián)立才能求出結(jié)果。在上述的等溫條件 潤(rùn)滑系統(tǒng)中，水的密度變化幾乎不變，則嚦竽所代表變密度效應(yīng)可以忽略；在該 第二章輪胎滑水的機(jī)理及理論模型分析1 3 潤(rùn)滑系統(tǒng)與大氣相接觸，為明渠流狀態(tài)， 故塑塵所代表擠壓效應(yīng)不產(chǎn)生作用。因 o t 此可以將式( 2 2 0 ) 進(jìn)行簡(jiǎn)化為如下形式： 要( n 妾) ：6 y 姿 ( 2 2 1 ) 酊口x 由于汽車產(chǎn)生滑水時(shí)，輪胎所受到的摩擦力幾乎為零，則可以將坐標(biāo)系建立 在輪胎中心，保持輪胎為靜止?fàn)顟B(tài)，使得水膜和路面以一定的速度v 相對(duì)輪胎運(yùn) 動(dòng)( 見(jiàn)圖2 7 ) 。 水 路面 圖2 7 汽車滑水坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖 f i 9 2 7c o n v e r s i o no f c o o r d i n a t e si nh y d r o p l a n i i l g 2 3 2 水膜厚度模型 汽車發(fā)生滑水后，輪胎與路面之間間隔著一層水膜，水膜厚度與輪胎的變形 數(shù)值相互影響，因此發(fā)生滑水后水膜厚度可以用下列公式計(jì)算嘲： h = j i l ；o + ( 2 2 2 ) 式中：一胎面單元與路面成一定楔角時(shí)低角點(diǎn)的高度值； 如一胎面單元在垂直方向上的變形值。 合肥工業(yè)大學(xué)的朱永剛通過(guò)研究橡膠材料的粘彈性能得到了橡膠輪胎在垂直 集中力p 作用下胎面單元的垂直變形公式嘲： 啊= 蚓去一皆g ( 晉卜 億2 3 ， 式中：謝一胎面單元的單位網(wǎng)格區(qū)域面積： p 一變形點(diǎn)距離集中力作用點(diǎn)( 輪胎中心) 的距離： 尸一垂直集中載荷； q o 、g l 、p l 一與胎面單元、路面材料的彈性模量相關(guān)的計(jì)算系數(shù)； r 一時(shí)間變量。 則公式( 2 2 2 ) 可以改寫(xiě)為： 吼+ 蚓上2 q 0 一皆p ( 期卜 億2 4 ， 1 4 第二章輪胎滑水的機(jī)理及理論模型分析 2 3 3 輪胎荷載方程 輪胎在汽車荷載p 的作用下與路面接觸會(huì)發(fā)生變形，其二者的接觸面可近似 按照平面進(jìn)行處理( 圖2 8 ) 。接觸面的寬度為b ，并隨著輪胎荷載的增大而增大； 接觸區(qū)中心變形比兩側(cè)大，其接觸區(qū)的壓力分布如圖2 9 所示。 圖2 8 輪胎與路面接觸變形示意圖 圖2 9 輪胎與路面接觸區(qū)域壓力分布示意圖 f i 9 2 8t r a n s f o r m a t i o no f t h et i r e s f i 9 2 9s t r e s sd i s t r i b u t i o ni nt h ea r e ao f u m _ l s f o r m a t i o n 當(dāng)輪胎發(fā)生滑水后，在整個(gè)潤(rùn)滑的水膜厚度范圍內(nèi)，對(duì)壓強(qiáng)p 求積分，即可得 出滑水時(shí)水膜所受到的輪胎荷載： 6 n = i 礎(chǔ) ( 2 2 5 ) j 0 一 式中：n 一水膜所受到的輪胎荷載； p 一單位長(zhǎng)度水膜所受到的輪胎荷載。 2 3 4 汽車滑水方程 由上文可知，與汽車滑水相關(guān)的方程有： 等溫條件的雷諾方程 一d ( h ，魚(yú)) = 墮 水膜厚度方程 吼+ 盯與 等口卜 輪胎荷載方程 砷 n = 上礎(chǔ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 對(duì)于式( 2 2 8 ) ，當(dāng)x = 0 和x = b 時(shí)為輪胎與路面接觸的臨界區(qū)域，故此時(shí)水 膜所受到的輪胎荷載為0 ，因此可將其作為汽車滑水方程的邊界條件將上述三式聯(lián) 立求解。 第二章輪胎滑水的機(jī)理及理論模型分析 1 5 2 4 本章小結(jié) 本章主要從動(dòng)水壓強(qiáng)的角度研究了汽車產(chǎn)生滑水的機(jī)理，并對(duì)產(chǎn)生滑水的理 論模型進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論： 推導(dǎo)出汽車滑水時(shí)理想動(dòng)水壓強(qiáng)計(jì)算公式 由汽車發(fā)生滑水時(shí)輪胎的受力狀況，得出動(dòng)水壓強(qiáng)在豎直方向上的分量使汽 車產(chǎn)生滑水，并通過(guò)恒定流的伯努利方程推導(dǎo)出汽車滑水時(shí)理想動(dòng)水壓強(qiáng)的計(jì)算 公式。 分析得出汽車滑水方程 通過(guò)彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑理論，從發(fā)生滑水時(shí)的水流狀態(tài)、水膜厚度與輪胎變 形的關(guān)系、水膜所受到輪胎荷載的角度綜合分析得出汽車滑水方程： 1 ) d ( h 3 攣) ：6 vd 。h ； d xd r 出 2 m + 璺與 等p ( 期卜； 3 ) = l o b p d x 1 6 第三章輪胎結(jié)構(gòu)有限元模擬分析 第三章輪胎結(jié)構(gòu)有限元模擬分析 汽車輪胎的基本職能是支承車輛重量，傳遞驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)力矩，提供吸振與包 絡(luò)能力以及保證轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。此外，輪胎還必須具有諸如抗磨性、低滾動(dòng)阻力、 耐久性、安全性等性能特點(diǎn)。 3 1 輪胎的基本結(jié)構(gòu) 3 1 1 輪胎的組成 輪胎由胎面、胎肩、胎側(cè)、胎圈四部分組成。如果再細(xì)化一些，那就有胎面 溝紋、防擦線、標(biāo)志線、助理、胎圈底面、胎趾等部分。對(duì)有內(nèi)胎的輪胎，還有 內(nèi)胎、氣門嘴及勢(shì)帶等部分。輪胎結(jié)構(gòu)材料的名稱有：胎面膠、胎側(cè)膠、簾布層、 氣密層、鋼絲圈、胎圈包市、簾杯層包布、帶柬( 緩沖層) 、輔助緩沖層等口1 。 圖3 1 斜交輪胎的各部分名稱( 以轎車為例) f i 9 3 1t h ec o m p o s i t i o no f d i a g o n a lt i r e 3 1 2 輪胎的分類 圖3 2 子午線輪胎的各部分名稱( 以轎車為例) f i 9 3 2t h ec o m p o s r i o no f r a d i a lt i r e 汽車輪胎按用途可分為：轎車輪胎、載重車輪胎、摩托車輪胎和特種車輛及 工程機(jī)械用輪胎等。按花紋可分為：普通花紋輪胎( 橫溝花紋輪胎與縱溝花紋輪 胎) 、混合花紋輪胎( 橫溝與縱溝兼有花紋輪胎) 和越野花紋輪胎( 砌塊花紋輪胎) 。 按輪胎內(nèi)空氣壓力大小可分為：高壓輪胎( 氣壓為4 9 0 - - 6 8 6 k p a ) 、低壓輪胎( 氣 壓為1 9 6 - - 4 9 0 k p a ) 和超低壓輪胎( 氣壓為1 9 6 k p a 以下) 。按輪胎的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分 為口3 ：斜交輪胎、子午線輪胎和帶束斜交輪胎三種基本結(jié)構(gòu)，其他輪胎是在這三種 基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。 斜交結(jié)構(gòu)輪胎 斜交輪胎又稱普通結(jié)構(gòu)輪胎，其胎體簾布層是由數(shù)層掛膠簾布組成，相鄰 第三章輪胎結(jié)構(gòu)有限元模擬分析1 7 的簾布層簾線角度相同，相互交叉排列，簾布層數(shù)一般為偶數(shù)，這樣能使胎體 簾布層負(fù)荷均勻分布。斜交輪胎胎冠簾線角度通常取4 8 度到5 5 度之間，簾布 層分為內(nèi)簾布層和外簾布層兩部分。內(nèi)簾布層是胎體主要的骨架層，其特點(diǎn)是 層數(shù)多，簾線密度較密，使胎體強(qiáng)度增大。外簾布層位于內(nèi)簾布層與緩沖層之 間起過(guò)度作用，又稱之為胎體的輔助層，其特點(diǎn)是層數(shù)少，簾線密度較內(nèi)簾線 稀疏，附膠量較多，捏著強(qiáng)度較高，緩沖層位于外簾布層與胎面膠之間，其結(jié) 構(gòu)由膠片或兩層以上掛膠簾線組成，布層的上，下或中間加貼緩沖膠層?，F(xiàn)在， 斜交輪胎為了在制作工藝上的簡(jiǎn)化，提高使用效能和經(jīng)濟(jì)效益，已趨于輕量化 減層化。斜交輪胎雖然沿用的時(shí)間很長(zhǎng)，使用的范圍很廣，生產(chǎn)技術(shù)也有了一 定的基礎(chǔ)，但由于其結(jié)構(gòu)上的不合理，影響了發(fā)展，逐漸將被子午線輪胎取代。 帶柬斜交輪胎 帶束斜交輪胎又稱半子午線輪胎，是指以帶束層箍緊斜交輪胎胎體的充氣 輪胎。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是帶束層簾線排列與斜交輪胎接近，緩沖層與子午線輪胎相 仿。該輪胎的使用性能介于斜交輪胎和子午線輪胎之間，其生產(chǎn)方法基本上與 斜交輪胎相同。這種輪胎世界上只有美國(guó)生產(chǎn)，作為由斜交輪胎向子午線輪胎 過(guò)渡的產(chǎn)物，隨著子午線輪胎的發(fā)展，這種輪胎將逐漸被淘汰。 子午線輪胎 圖3 3 子午線輪胎結(jié)構(gòu)圖 f i 9 3 3t h ec o m p o s i t i o no f r a d i a lt i r e 子午線輪胎簡(jiǎn)稱子午胎，該輪胎的簾線與外胎斷面接近平行，像地球子午 線排列( 圖3 3 ) ，簾線角度小，一般為o 。，胎體簾線之間沒(méi)有維系交點(diǎn)，當(dāng) 輪胎在行駛過(guò)程中，冠部周圍應(yīng)力增大，會(huì)造成周向伸張，胎體成輻射狀裂口。 因此子午線輪胎的緩沖層采用接近周向排列的打交道簾線層，與胎體簾線角度 1 8 第三章輪胎結(jié)構(gòu)有限元模擬分析 薷嘲嘲 圖3 4 輪胎花紋分類 f i 9 3 4d i f f e r e n tk i n d so f g r o o v e si nt i r e s 橫溝花紋 橫溝花紋如圖3 4 - a 所示，是以與輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)方向近似成直角的橫溝為主體。 橫溝花紋輪胎的牽引力大，輪胎胎肩的散熱良好，適用于在一般硬路面上工作的 重型貨車等。然而此種花紋因胎面膠厚，故不適合于容易發(fā)熱的高速行駛。 縱溝花紋 縱溝花紋如圖3 4 - b 所示，該輪胎以幾條縱溝為主體，適用于在良好路面上 行駛的載重車、公共汽車和轎車。這種花紋的滾動(dòng)阻力小、省油、防側(cè)滑性能好， 散熱性能也較好；但容易夾石子和產(chǎn)生裂口，防縱滑性能較差。 混合花紋 這種花紋介于縱向花紋和橫向花紋之間如圖3 4 - c 所示。在胎面中部一般 第三章輪胎結(jié)構(gòu)有限元模擬分析 1 9 具有曲折形的縱向花紋，而在接近胎肩的兩邊則制有橫向花紋，因此這種型式 花紋的輪胎適應(yīng)能力強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣泛，它既適用于不同的硬路面，也適用于 轎車和貨車。 砌塊花紋 這種輪胎花紋溝槽寬而深，花紋塊接地面積一般為行駛面積的4 0 一6 0 。 該輪胎在松軟路面上行駛時(shí)，一部分土壤將嵌入花紋溝槽之中，因此，砌塊花 紋輪胎的抓著力大。一般適用于越野汽車和工程車輛。根測(cè)試，在泥濘路上， 同一車型的車輛使用砌塊花紋輪胎的牽引力可達(dá)普通花紋的1 5 倍。 非對(duì)稱花紋 非對(duì)稱花紋的胎面左右兩側(cè)花紋形狀不同。由于其增大了轉(zhuǎn)彎時(shí)外側(cè)花紋 的著地壓力，不僅極大地提高了高速轉(zhuǎn)彎性能，并補(bǔ)足了外側(cè)花紋的耐磨性能。 但是應(yīng)注意該輪胎的正確安裝方向，因此比較適用于競(jìng)技用車及高性能車輛。 輪胎花紋越深，花紋塊接地的彈性變形量越大，同時(shí)輪胎的滾動(dòng)阻力也隨之 增大。如果輪胎花紋過(guò)深，則不利于輪胎散熱，花紋根部也會(huì)因應(yīng)力過(guò)于集中而 導(dǎo)致易撕裂、脫落。輪胎花紋過(guò)淺不僅影響排水能力、易打滑，而且容易產(chǎn)生滑 水現(xiàn)象，稍有疏忽就可能對(duì)行車安全造成危害。 為保證行車安全，各輪胎生產(chǎn)廠商一般在輪胎一側(cè)用橡膠條、塊標(biāo)示輪胎 的磨損極限( 見(jiàn)圖3 5 ) ，一旦輪胎磨損達(dá)到這一標(biāo)志位置應(yīng)及時(shí)更換，部分 國(guó)家也對(duì)輪胎花紋的最小極限深度作了強(qiáng)制性規(guī)定( 表3 1 ) n 刀。 圖3 5 輪胎磨損標(biāo)志 f i 9 3 5t h em a r ko f m a x i m a la b r a s i o n 2 0 第三章輪胎結(jié)構(gòu)有限元模擬分析 表3 1 不同國(guó)家的輪胎花紋最小極限深度值( r a m ) 輪胎類型 國(guó)家 小轎車客( 貨) 車 中國(guó)1 62 美國(guó) l1 日本1 63 2 3 2 輪胎結(jié)構(gòu)有限元模擬 汽車輪胎是簾布、鋼絲和橡膠等復(fù)合材料構(gòu)成的復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)，因此對(duì)其結(jié) 構(gòu)和性能的研究是比較困難的，人們?cè)帽∧だ碚摗⒈だ碚摰确椒▽?duì)其進(jìn)行研 究。上世紀(jì)八十年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元理論開(kāi)始在結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。n o o rak 和t a n n e ra 【蚓在對(duì)輪胎結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究時(shí)也引進(jìn)有 限元技術(shù)并取得一定的成就。因此本文根據(jù)相關(guān)參數(shù)建立有縱橫向花紋的輪胎有 限元模型，分析輪胎在代表車型荷載下的變形量。 3 2 1 代表輪胎的選擇 根據(jù)國(guó)外研究成果，小轎車發(fā)生部分滑水事故的概率最大，一方面由于小轎 車普遍行駛速度比較高，另一方面小轎車的重量比較輕，使得車輛發(fā)生部分滑水 時(shí)動(dòng)水壓力比較小。結(jié)合重慶高速公路交通流量的調(diào)查，研究的代表車型選擇桑 塔納g l i ( 圖3 6 ，各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表3 2 ) ，代表輪胎選用回力1 9 5 6 0 r 1 4 尺寸的輪胎， 輪胎上施加的荷載為3 4 3 0 n ( 3 5 0 k g ) ，輪胎內(nèi)壓為2 5 0 k p a 。( 如圖3 7 所示) 。 圖3 6 桑塔納g i c i 9 3 6p a n t a n adl i 圖3 7 回力0 2 8 型輪胎 c i 9 3 t ta o o f l0 t i r eo f 0 2 8 第三章輪胎結(jié)構(gòu)有限元模擬分析 2 1 表3 2 桑塔納6 k i 參數(shù) t a b 3 2p a r a m e t e r so fs a n t a n ag l i 水冷直列四 缸四沖程二 標(biāo)準(zhǔn)引擎標(biāo)準(zhǔn)變速器手動(dòng)5 檔標(biāo)準(zhǔn)排量1 7 8 1 氣門電控汽 油噴射 7 2 5 2 0 0 氣門數(shù) 8 最大功率最大扭矩1 5 0 3 1 0 0 k w r p m 電子燃油噴7 7 升百公 燃油系統(tǒng)理論油耗最高時(shí)速 1 6 5 1 a n h 射式里 驅(qū)動(dòng)方式前置前驅(qū)轉(zhuǎn)向助力助力轉(zhuǎn)向式輪胎 1 9 5 6 0 r 1 4 1 4 1 4 1 4 2 2 m m 車身重量 l l o o k g 軸距 2 5 4 8m m 輪距 ( 前后) 全車長(zhǎng)度 4 5 4 6m m 車身寬度 1 6 9 0 m m 車身高度 1 4 2 7 m m 3 2 2 輪胎的組成材料及其性質(zhì) 輪胎的組成成分很復(fù)雜，主要由橡膠、簾線、帆布、鋼絲及各種輔助用劑組成。 其中橡膠分為天然橡膠和合成橡膠；簾線又包括纖維、尼龍、的良、鋼索等。由 于輪胎是各種材料的合成物，因此其力學(xué)特征從材料方面就表現(xiàn)為非壓縮性、非 線性、各向異性和粘彈性腳，單個(gè)p 1 9 7 7 5 r 1 4 型固特異輪胎的組成見(jiàn)表3 3 n 刀。 表3 3 固特異輪胎材料組成表 材料名稱 質(zhì)量( k g ) 質(zhì)量百分比( ) 合成橡膠( 3 0 種) 2 4 92 6 1 6 炭黑( 8 種) 2 2 72 3 8 4 天然橡膠( 8 種) 2 0 4 2 1 4 3 蠟、油、顏料等( 4 0 種) 1 3 61 4 2 9 帶束鋼簾線 o 6 87 1 4 聚酯、尼龍 0 4 54 7 3 鋼絲 0 2 32 4 2 由上表可知，橡膠和炭黑兩種材料占輪胎總重的7 1 4 3 ，而鋼絲和帶束鋼線 通常由金屬材料制成，其彈性模量等性能與橡膠材料相差較大。為簡(jiǎn)化模型計(jì)算， 可將橡膠、炭黑、簾線、顏料等作為一種材料進(jìn)行考慮；而鋼絲和帶束鋼線的力 學(xué)性能與橡膠不同，因此可將其作為加筋材料進(jìn)行計(jì)算。 2 2 第三章輪胎結(jié)構(gòu)有限元模擬分析 橡膠及炭黑 該種材料在較小應(yīng)力作用下具有高度變形的能力，其最大變形量甚至超過(guò)本 身長(zhǎng)度的百分之幾百，因此不能用小變形理論進(jìn)行分析。 由材料力學(xué)可知，在物體單位長(zhǎng)方體的各側(cè)面存在拉伸應(yīng)力吒、q 、吒 時(shí)，拉伸應(yīng)力與應(yīng)變、勺、島的關(guān)系為： = 丟【q y ( q + 巳) 】 。= i 1 【q y ( 吒+ 吒) 】 乞= 三【吒一y ( 吒+ q ) 】 ( 3 1 ) 式中：e 一彈性模量。 y 一泊松比。 若在該物體x 和】，施加應(yīng)力，保持應(yīng)力在厚度z 方向?yàn)? ( 如圖3 8 所示) ， 則式( 3 1 ) 可以簡(jiǎn)化為： q = 丟( 吒一) 勺= i 1 ( q 一峨) 乞= 一鼉( 吒+ c r y ) 乞一i ( 吒 z y 圖3 8 物體雙軸受力時(shí)的情況 f i 9 3 。8e f f e c to f m i c r o e l e m e n to nt h eb i a x i a lc o m p r e s s i v e 因此可以計(jì)算得出： e ( 毛+ 慣，) 吒2 礦 一e ( 勺+ 峨) q 2 礦 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 設(shè)橡膠試塊x 方向拉力的微分為諺，拉伸變形的微小長(zhǎng)度為比，由式( 3 4 ) 可 得3 1 d ld f 一= = 一 le h w ( 3 5 ) 圖3 9 橡膠試塊受力后尺寸變化示意圖 f i 9 3 6t h ec h a n g eo fs h a p ea b o u tr u b b e rb l o c kw i t hs t r e s s 由于橡膠的泊松比值一般取0 5 ，因此由公式( 3 4 ) 可計(jì)算得出 以+ s ，+ 乞= 0 ，即認(rèn)為橡膠變形不會(huì)導(dǎo)致體積的變化，則 h w = v 0 l ( 3 6 ) 式中：圪一橡膠試塊原始體積。 將式( 3 6 ) 和式( 3 5 ) 聯(lián)立，則 一d l ：堡 ( 3 7 ) 一= 一 t ，j l e y a 對(duì)上式兩邊求積分 可求得 j ：警= j ：p 瓦d f 2 4 第三章輪胎結(jié)構(gòu)有限元模擬分析 f = e 環(huán)i 蘭絲i ( 3 8 ) 。l 砜j 由式( 3 8 ) 可以看出，輪胎變形時(shí)力與伸長(zhǎng)量的關(guān)系為非線性，因此輪胎的 大變形理論呈現(xiàn)非線性特點(diǎn)。 加筋材料 加筋材料通常包括而鋼絲和帶束鋼線，通常由金屬材料制成，一般作為胎圈 主體起輪胎骨架的作用，具有高韌性、耐疲勞的特點(diǎn)，因此能夠保障輪胎高速行 駛的安全性，并且堅(jiān)固耐用。 張清珍嘲通過(guò)分析不同輪胎胎圈鋼絲的主要技術(shù)性能指標(biāo)，認(rèn)為輪胎胎圈鋼 絲屈強(qiáng)比在9 0 9 7 、楊氏模量在1 3 0 - - 1 3 5 g p a 時(shí)性能能夠達(dá)到最佳狀態(tài)，否則 會(huì)對(duì)輪胎的韌性和抗變形能力都有影響。 2 0 0 2 年美國(guó)的l a nm e n g 嘲在通過(guò)有限元對(duì)輪胎進(jìn)行分析時(shí)，采用加筋材料的 彈性模量為1 3 0 g p a ，泊松比為o 3 。 3 2 3 輪胎的變形模擬 本文使用a n s y s 軟件建立輪胎有限元模型，該模型采用六面體單元，共計(jì)5 1 2 個(gè)單元( 圖3 1 0 ) 。兩個(gè)剛體分別代表輪轂和路面，各部分材料計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3 4 。 圖3 1 0 輪胎三維有限元模型 f i 9 3 1 0t h r e e - d i m e n s i o n a lf m i t ee l e m e n tm o d e lo f t i r e s 第三章輪胎結(jié)構(gòu)有限元模擬分析 表3 4 輪胎各部分材料計(jì)算參數(shù) 輪胎氣壓k p a 2 5 0 施加的荷載n 3 4 3 0 輪胎型號(hào) 1 9 5 6 0 r 1 4 橡膠 加筋材料 彈性模量p a 7 8 4 m 1 3 0 g 泊松比0 5o 3 密度k 咖3 1 1 0 07 8 5 0 模擬結(jié)果 該輪胎模型在胎壓、自重及荷載的作用下，產(chǎn)生的變形見(jiàn)1 5 0 圖3 1 1 ，其最大變形量為1 7 5 6 1 m 。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式嘲，子午線輪胎在3 4 3 0 n 的豎向靜力荷載作用的下沉量大約為1 7 1 珊，與有限元分析的結(jié)果相差2 6 。 其結(jié)果表明用表3 4 中的參數(shù)建立三維有限元模型來(lái)模擬實(shí)際輪胎結(jié)構(gòu)是可行的。 3 3 本章小結(jié) - 0 1 7 5 5 1- 0 1 3 6 5 0- 0 0 9 7 5 6- 0 0 s 8 s 4- 0 0 1 9 5 1 一0 1 5 6 1- 0 1 1 7 0 70 0 7 8 0 5，柏20 圖3 11 輪胎在豎向荷載下的變形量 f i 9 3 11t h ed e f o r m a t i o no f m o d e lu n d e r v e r t i c a ll o a d i n g 選取合適代表輪胎及輪胎模型的材料參數(shù) 通過(guò)比較不同類型輪胎的結(jié)構(gòu)性能，選取回力1 9 5 6 0 r 1 4 型輪胎為代表輪胎， 并根據(jù)輪胎成分及力學(xué)特征分析主要材料的變形理論特點(diǎn)，以選取適合代表輪胎 模型的密度、彈性模量和泊松比。 輪胎變形量的有限元分析 2 6 第三章輪胎結(jié)構(gòu)有限元模擬分析 使用a n s y s 建立回力1 9 5 6 0 r 1 4 型輪胎的三維有限元模型，計(jì)算該模型在代表 車型荷載作用下的變形量，并與經(jīng)驗(yàn)公式相比較。結(jié)果表明通過(guò)該力學(xué)參數(shù)建立 的模型與實(shí)際輪胎參數(shù)比較吻合。 第四章基于f l u e n t 的輪胎滑水模擬試驗(yàn)分析 第四章基于f l u e n t 的輪胎滑水模擬試驗(yàn)分析 4 1 輪胎的計(jì)算參數(shù)及試驗(yàn)設(shè)計(jì) 4 1 1 輪胎壓縮變形量的確定 由于輪胎是多種材料組成的復(fù)合體，在較小應(yīng)力作用下具有高度變形的能力， 因此只能用大變形理論進(jìn)行分析。輪胎的變形量通常用壓縮系數(shù)來(lái)表示，其含義為 輪胎徑向變形與輪胎橫斷面高度的比值，變形量的計(jì)算通常使用經(jīng)驗(yàn)公式求解。 匈牙利學(xué)者g k o m a n d i 用不同尺寸的輪胎在不同氣壓條件下在混凝土路面上進(jìn) 行了實(shí)驗(yàn)，并提出輪胎變形萬(wàn)( e r a ) 的經(jīng)驗(yàn)公式嘲： k o ( 4 1 ) 式中萬(wàn)輪胎壓縮變形量( c m ) i q 一與輪胎設(shè)計(jì)有關(guān)的參數(shù)，對(duì)于斜交輪胎q = 1 1 5 ；而對(duì)于子午線輪胎 c l2 1 5 ； 礦一輪胎上荷載( d a n ) r d 一輪胎外徑( c m ) ； 勛一輪胎寬度( c m ) ； p 一輪胎內(nèi)壓( 1 0 0 k p a ) 。 藝2 1 5 1 0 3 s o + 0 4 2 根據(jù)式( 4 1 ) ，計(jì)算本試驗(yàn)中輪胎變形量為： 萬(wàn)= - 5 i ；l 尹了j _ 耋 。7 2 5 7 ( c m ) 為減少與實(shí)際的偏差，本文建模時(shí)，輪胎變形量取1 8 e m 。 4 1 2 輪胎接地面積及花紋分布參數(shù)的確定 吉林大學(xué)汽車地面力學(xué)研究室與長(zhǎng)春汽車研究所的試驗(yàn)表明：輪胎的接地形狀 大多介于矩形和橢圓形之間；而且從測(cè)得的接地印痕來(lái)看，當(dāng)輪胎變形較小時(shí)，接 地形狀近似為橢圓；當(dāng)輪胎變形較大時(shí)，接地印痕中間部分為矩形，兩端部分是弧 形。在本試驗(yàn)中為數(shù)值解析的方便，將接地形狀簡(jiǎn)化為矩形，接地面積可用下式近 似計(jì)算口3 ： 彳= 陬小力字厶阻) 2 ， 舶= & 協(xié)i e 協(xié)1 ) ( 4 3 ) 第四章基于f l u e n t 的輪胎滑水模擬試驗(yàn)分析 式中a 接地面積( c m 2 ) ； l 。接觸寬度b 達(dá)到0 9 5 b o 時(shí)的接地長(zhǎng)度( c m ) ； b 滯冠寬度( c m ) ； 蝴胎外徑( c m ) ； 入一系數(shù)，當(dāng)b 0 9 5 b o 時(shí)，入= 0 ；當(dāng)b o 9 5 b o 時(shí)，入= 1 ； b _ 接觸寬度( c m ) 。 表4 。1 各種輪胎s 、t 值 輪胎種類5 6 0 r 1 65 6 0 - 1 65 0 0 - 1 04 0 0 - 1 2 結(jié)構(gòu)類型子午線斜交子午線斜交 層級(jí)數(shù) 6646 s0 5 5 70 5 5 30 5 7 60 5 5 9 t1 2 2 71 0 8 91 8 1 11 1 3 8 根據(jù)本試驗(yàn)的參數(shù)( 表4 1 ) 計(jì)算得出接地面積： a = 1 2 f1 8 、i 。 5 7 4 - n - 7 4l 9 5 = 3 3 9 3 ( c m 2 ) l 4 1 3 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)輪胎 經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)研，本文選用的回力1 9 5 6 0 r 1 4 型輪胎，輪胎上施加的荷載為3 4 3 0 n ( 3 5 0 k g ) ，輪胎內(nèi)壓為2 5 0 k p a ，花紋分布、尺寸參數(shù)見(jiàn)圖4 i 、表4 2 ： ( a ) 橫斷面圖( b ) 平面圖 ( a ) c r o s s - s e c t i o n a lv i e w( b ) p l a nv i e w 圖4 1 回力1 9 5 6 0 r 1 4 型輪胎花紋分布示意圖( 單位：咖) f i 9 4 ic - l - o o v ed i s t r i b u t i o no f r i m sa b o u tw a r r i o rt i m ( u n i t ：m m ) 第四章基于f l u e n t 的輪胎滑水模擬試驗(yàn)分析 表4 2 回力1 9 5 6 0 r 1 4 型輪胎花紋尺寸參數(shù)( 單位：唧) m 舭2g r o o v es i z eo f t i r e sa b o u tw r a r r i o rt i r e( u n i t ：r a m ) 直徑胎冠寬度 縱向花紋 橫向花紋 m mn u n 數(shù)量寬度( 衄) 深度( 衄)數(shù)量寬度( 衄)深度( r a m ) 5 8 9 61 9 54876 53 53 試驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì) 試驗(yàn)?zāi)康氖谦@得更多的樣本數(shù)據(jù)，用以回歸分析動(dòng)水壓強(qiáng)與車速、輪胎花紋深 度、水膜厚度的關(guān)系。參考j a n a j r e h 蚋婦博士對(duì)輪胎試驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置成果，本試驗(yàn) 設(shè)計(jì)項(xiàng)目3 5 1 組按不同行車速度分別進(jìn)行。試驗(yàn)以規(guī)定的車速( v = 6 0 - 1 2 0 k m h ， 每次以5 1 a n h 遞增) ，通過(guò)試驗(yàn)工況測(cè)得該行駛條件下輪胎所受的動(dòng)水壓強(qiáng)。設(shè)計(jì) 試驗(yàn)工況見(jiàn)表4 3 。 表4 3 設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況表 水膜厚度花紋深度水膜厚度花紋深度水膜厚度花紋深度 7 7 7 14841 54 l 11 777 241 041 84 11 l 777 541 2 4 2 0 4 111 4 2 仿真軟件的選擇 目前已知水流運(yùn)動(dòng)的兩種形態(tài)為層流和紊流，而雷諾數(shù)是辨別水流形態(tài)的準(zhǔn) 則。對(duì)于明渠及天然河道的水流形態(tài)，通常直接采用管流值進(jìn)行判斷，即雷諾數(shù) r e 5 0 0 為紊流嘲。由于紊流現(xiàn)象是高度復(fù)雜的形態(tài)，因此在計(jì)算 過(guò)程中要對(duì)不同紊流模型的模擬能力以及計(jì)算所需系統(tǒng)資源進(jìn)行綜合考慮后再選 擇合適的紊流模型。 f l u e n t 軟件包含豐富而先進(jìn)的物理模型，其中湍流模型包含s p a l a r t - a 1 l m a r a s 模型、s t a n d a r d ( 標(biāo)準(zhǔn)) k - 模型組、r n g ( 重整化群) k - e 模型組、雷諾應(yīng)力模 型( r s m ) 組、大渦模擬模型( l e s ) 組以及最新的分離渦模擬( d e s ) 和v 2 - f 模型 等，另外用戶還可以制定或添加自己的湍流模型。其中r n g ( 重整化群) k 一模型 組在方程中增加了一個(gè)附加項(xiàng)，并在模型中考慮了液體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的螺旋效應(yīng)， 使得計(jì)算精度大大提高。而且該軟件是采用有限元方法對(duì)流體進(jìn)行分析，因此能夠 3 0 第四章基于f l u e n t 的輪胎滑水模擬試驗(yàn)分析 提供三種數(shù)值求解方法( 非耦合隱式算法、耦合隱式算法和耦合顯式算法) 。其中 非耦合隱式算法適用于不可壓縮流體的低速求解，并對(duì)動(dòng)量方程進(jìn)行了壓力修正， 是一套很成熟的算法。 雨天積水在路面上流動(dòng)，由于路面摩擦系數(shù)的影響使得積水發(fā)生紊流狀態(tài)。這 時(shí)積水的流線開(kāi)始出現(xiàn)波浪狀的擺動(dòng)，擺動(dòng)的頻率及振幅隨流速的增加而增加，即 出現(xiàn)自由紊流狀態(tài)?；谝陨咸攸c(diǎn)，本文計(jì)劃采用f l u e n t 軟件中的r n g ( 重整化群) k 一模型通過(guò)非耦合隱式求解法計(jì)算輪胎在不同行駛條件下所受的動(dòng)水壓強(qiáng)，以 此獲取輪胎所受到的動(dòng)水壓強(qiáng)分布圖、水流速度分布圖，動(dòng)水壓強(qiáng)變化曲線等與部 分滑水相關(guān)的一系列信息。 4 3 輪胎模型的建立 4 3 1 計(jì)算范圍及輪胎參數(shù)的確定 國(guó)外學(xué)者通過(guò)理論分析得出：橫向溝槽輪胎比縱向開(kāi)槽更能夠減少滑水危險(xiǎn)， 而且對(duì)滑水影響最大的因素是胎壓、其次為水膜厚度、最后為輪胎荷載乜。根據(jù) j a n a j r e h 蚋訂博士的研究成果，由于計(jì)算區(qū)域和輪胎模型的不同會(huì)使得模擬結(jié)果產(chǎn) 生5 - 1 0 的差異。筆者在研究中為更能接近現(xiàn)實(shí)中輪胎的外形，建立了有縱橫向排 水溝槽的三維有限元輪胎模型( 圖4 2 ) ，并依據(jù)垂直應(yīng)力及輪胎接地尺寸的特性， 確定模型計(jì)算范圍x 、z 邊界尺寸為8 0 1 0 0 c m ，y 方向深度尺寸為5 c m ，輪胎模型 位于計(jì)算范圍中心位置，呈對(duì)稱分布；該輪胎模型的三種花紋深度分別為7 m m 、4 m m 、 l m 以代表新胎、中度磨損的輪胎和嚴(yán)重磨損的輪胎；模型中對(duì)輪胎施加的荷載為 3 4 3 0 n ，輪胎氣壓為2 5 0 k p a ，豎向變形為1 8 m m 。 圖4 2 有縱橫向花紋的輪胎模型圖 f i 9 4 2r i b - t i r ef i n i t e - e l e m e n tm o d e l 由于計(jì)算域外有較大的外流場(chǎng)，模型建立后使用g a m b i t 軟件中的t g r i d 方法對(duì) 模型進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，有輪胎花紋的模型共生成1 8 4 3 2 2 2 個(gè)單元體( 圖4 3 ) ， 無(wú)輪胎花紋的模型共生成1 6 4 6 4 0 2 個(gè)單元體( 圖4 4 ) 。由于輪胎花紋的幾何復(fù)雜性， 第四章基于f l u e n t 的輪胎滑水模擬試驗(yàn)分析3 1 在花紋與路面接觸的區(qū)域，軟件自動(dòng)用三棱柱代替四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 人， 圖4 3 花紋深度為? m m 的輪胎計(jì)算域模型 f i 9 4 3g r o o v e d t i r em o d e l ( g r o o v ed e p t hi s7 m m ) 圖4 4 花紋深度為1 m m 的輪胎計(jì)算域模型 f i 9 4 4g r o o v e dt i r em o d e l ( g r o o v ed e p t hi si m m ) 4 3 2 邊界條件及初始值的確定 使用f l u e n t 軟件進(jìn)行模擬，首先要對(duì)模型的計(jì)算域設(shè)置符合現(xiàn)實(shí)條件的流體入 口和出口。在本模型中，模型的坐標(biāo)軸原點(diǎn)設(shè)置在輪胎底部的中心，并且將輪胎模 型固定，空氣和水以車輛的行駛速度相對(duì)于輪胎運(yùn)動(dòng)，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程。 計(jì)算區(qū)域的邊界條件設(shè)置見(jiàn)圖4 5 。本模型是空氣和水的共同作用，屬于兩相 流動(dòng)，因此在模型前端設(shè)置了空氣和水的速度入口( w a t e r - i n l e t 和a i r - i n l e t ) ， 二者邊界的高度隨模型中水膜厚度的變化而改變；模型后部和頂部設(shè)置為壓力出口 ( p r e s s u r eo u t l e t 和p r e s s u r eo u t l e t - t o p ) ，以便將兩相流動(dòng)的壓力及時(shí)排除； 模型的下部作為路面被定義為可移動(dòng)墻體邊界( w a l l - g r o u n d ) ，其移動(dòng)速度的大小 和方向與水和空氣相同：為避免對(duì)整體流動(dòng)造成影響，將模型的兩個(gè)側(cè)面設(shè)置為絕 對(duì)光滑的靜止墻體邊界( f r i c t i o n l e s sw a l l ) ；整個(gè)模型設(shè)置呈對(duì)稱分布。本實(shí)驗(yàn) 3 2 第四章基于f l u e n t 的輪胎滑水模擬試驗(yàn)分析 中選取面x = 1 6 5 c m 、x = - i 6 5 c m 、y 面高度取值為水膜厚度的一半，對(duì)其進(jìn)行流速 和壓強(qiáng)的研究。需要說(shuō)明的是，邊界條件設(shè)置的不同對(duì)計(jì)算結(jié)果的迭代次數(shù)和收斂 性有影響，而且道路是水平和深度方向?yàn)闊o(wú)限、寬度方向?yàn)橛邢薜娜S結(jié)構(gòu)，而 f l u e n t 只能計(jì)算有限尺寸下流體的力學(xué)反應(yīng)值。實(shí)際上，當(dāng)將分析范圍取到足夠大 時(shí)，計(jì)算結(jié)果是接近真實(shí)值的。 a 簧 圖4 5 輪胎模型邊界類型的設(shè)置圖 f i 9 4 5t h es e t - u pd i a g r a mo f t h et y r em o d e lb o r d e r l i n et y p e 本模型屬于不可壓縮流體的低速求解，因此在設(shè)置f l u e n t 的求解器時(shí)選擇非 耦合隱式算法( s e g r e g a t e d 見(jiàn)圖4 6 ) ，此算法對(duì)動(dòng)量方程進(jìn)行了壓力修正，是一 套很成熟的算法，并在應(yīng)用上已經(jīng)過(guò)廣泛驗(yàn)證。 圖4 6 求解器的選擇 f i 9 4 6s e l e c to f t h es o l u t i o nm e t h o d 圖4 7v o f 模型的設(shè)置 f i 9 4 7s e tv o fm o d e l 第四章基于f l u e n t 的輪胎滑水模擬試驗(yàn)分析3 3 在模型的二相流動(dòng)中，通過(guò)設(shè)置v o f 模型中幾何重構(gòu)( g e o r e c o n s t r u c t ) 的 方法( 圖4 7 ) 定義目標(biāo)水流體積與模型網(wǎng)格體積的比值以實(shí)現(xiàn)對(duì)水流界面的追 蹤。然后對(duì)流體流相、速度、紊流類型等參數(shù)進(jìn)行模型初始化設(shè)置( 圖4 8 - 4 1 1 ) ， 最后對(duì)輪胎模型進(jìn)行迭代計(jì)算直至收斂。模型中水和空氣的相關(guān)參數(shù)選取見(jiàn)表4 2 。 表4 2 試驗(yàn)材料參數(shù)取值表 參數(shù) 溫度 密度k g m 3 動(dòng)力粘度n s t m 3 運(yùn)動(dòng)粘度m 2 s 材料 水2 59 9 8 21 0 0 2 x 1 0 31 0 0 4 x 1 0 r 6 空氣2 51 2 0 41 8 2 x 1 0 。51 5 1 x 1 0 - 5 圖4 8 流相的設(shè)置 f i 9 4 8s e tp h a s e s 圖4 9 模型速度的初始化 f i 9 4 9v e l o c i t yi n i t i a lv a l u e s 第四章基于f l i 舊m 的輪胎滑水模擬試驗(yàn)分析 4 4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 圖4 1 0 紊流類型的選擇 f i 9 4 1 0s e l e c tv i s c o u sm o d e l 通過(guò)f l u e n t 軟件進(jìn)行仿真可得到不同行駛條件下輪胎所受的動(dòng)水壓強(qiáng)( 見(jiàn)附 表a 1 ) 。 4 4 1 水膜厚度對(duì)動(dòng)水壓強(qiáng)的影響 圖4 1 1 顯示，三種花紋深度的輪胎在不同水膜厚度的路面上分別以6 0 、9 0 、 1 2 0 k m h ( 低、中、高速) 速度行駛時(shí)所受到的動(dòng)水壓強(qiáng)。從圖4 1 1 ( a ) 、( b ) 、( c ) 可以看出：( 1 ) 隨著水膜厚度的增加，輪胎所受的動(dòng)水壓強(qiáng)持續(xù)增長(zhǎng)，其關(guān)系曲線 在花紋深度尺寸附近產(chǎn)生改變。( 2 ) 當(dāng)水膜厚度小于花紋深度時(shí)，動(dòng)水壓強(qiáng)增長(zhǎng)緩 慢，當(dāng)水膜厚度大于花紋深度時(shí)，動(dòng)水壓強(qiáng)與水膜厚度近似為線性關(guān)系。原因分析： 當(dāng)水膜厚度較小時(shí)，輪胎花紋能夠及時(shí)將水排出，輪胎前端沒(méi)有產(chǎn)生雍水，輪胎溝 槽內(nèi)動(dòng)水壓強(qiáng)較小，胎面與路面存在良好接觸；隨著水膜厚度的增加，同一時(shí)間內(nèi) 通過(guò)輪胎花紋過(guò)水?dāng)嗝娴乃考哟?，?dǎo)致輪胎不能及時(shí)將積水排出，由此產(chǎn)生較大 的動(dòng)水壓強(qiáng)。 l2581 01 21 51 82 0 水膜厚度o _ ) ( b ) 行車速度為9 0 k m h ( b ) v e l o c i t y i s9 0 k m h l25 81 01 21 51 82 0 水膜厚度( 衄) ( c ) 行車速度為1 2 0 k m h ( c ) v e l o c i t yi s1 2 0 k m h 圖4 ”三種車速下動(dòng)水壓強(qiáng)與水膜厚度的關(guān)系 t a b 4 iir e l a t i o n s h i pb e t w e e nh y d r o d y n a m i cp r e s s u r ea n dw a t e rd e p t hi nt h r e ev e l o c i t y 以8 咖水膜為例( 如圖4 1 2 - b 所示) ，輪胎的阻擋作用使過(guò)水?dāng)嗝鏈p小而產(chǎn) 生雍水，并在輪胎的前部形成一個(gè)高壓區(qū)域( 圖4 1 2 一b 中紅色部分) 。該高壓區(qū) 加如加 5 4 4 4 3 3 2 2 2 u 1 (日生一醺齟*需 3 6 第四章基于f l u e n t 的輪胎滑水模擬試驗(yàn)分析 域的壓力數(shù)值分布由中間向兩側(cè)遞減，大致呈對(duì)稱分布。當(dāng)水膜厚度較淺( 8 m m 以 下) 時(shí)，由于輪胎花紋的排水作用沒(méi)有完全喪失，高壓區(qū)域?qū)喬サ淖饔脮?huì)延伸至 輪胎底部；隨著水膜厚度的提高，輪胎花紋逐漸喪失排水作用( 即輪胎發(fā)生滑水現(xiàn) 象) ，高壓區(qū)域?qū)喬サ淖饔弥话l(fā)生在輪胎前端。國(guó)外專家通過(guò)研究認(rèn)為：當(dāng)動(dòng)水 壓強(qiáng)等于輪胎內(nèi)部壓強(qiáng)就會(huì)發(fā)生完全滑水現(xiàn)象心。當(dāng)輪胎溝槽內(nèi)的積水能夠及時(shí)排 除，產(chǎn)生的動(dòng)水壓強(qiáng)遠(yuǎn)小于輪胎內(nèi)部壓強(qiáng)；隨著輪胎前端雍水的產(chǎn)生，輪胎前端動(dòng) 水壓強(qiáng)逐漸增大，當(dāng)動(dòng)水壓強(qiáng)等于輪胎內(nèi)部壓強(qiáng)時(shí)，輪胎與路面完全脫離接觸，即 出現(xiàn)臨界滑水狀態(tài)。 c a ) y = 0 1 e n ah = 0 2 c mv - - 9 0 k m h( b ) y = 0 4 c mh = 0 8 c mv - - 9 0 k m h ( c ) y = 0 5 c m h = 1 2 c mv - - 9 0 k m h 圖4 12y 平面動(dòng)水壓強(qiáng)分布圖( 輪胎花紋深度為7 r a m ) f i 9 4 1 2s u r f a c 2 - yw a t e rp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ( t h et i r et r e a dd e p t h i s7m m ) ( a ) y - - - 0 1 c mh = 0 2 c mv 2 9 0 k m h ( b ) y - - 0 2 c mh = 0 8 c mv = 9 0 k m h ( c ) y - - 0 2 c m h = 1 2 c mv - - 9 0 k m h 圖4 1 3y 平面動(dòng)水壓強(qiáng)分布圖( 輪胎花紋深度為4 m m ) f i 9 4 13s u r f a c e - yw a t e rp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ( t h et i r et r e a dd e p t hi s4m m ) c a ) 卿1 c