子午线轮胎接地压力分布研究

0引言

近年来研究发现[1]，路面表面裂缝和轮胎接地压力之间存在直接的影响关系。分析结果显示路面表面裂缝是由沥青混凝土层表面开始产生的，然后向下扩展贯穿整个沥

青层[2]

。因此，根据轮胎的类型、轮胎充气压力和轴载以及车速得到轮胎作用于路面的接地压力模型是正确评估路面裂缝性能的手段，必须在研究中予以考虑。然而在实际情况下由于轮胎接地压力分布形式的复杂性，用传统的均布荷载假设得出的应力分布无法准确描述路面的力学反应，进而导致某些路面损坏原因不能得到正确分析。

本文以子午线轮胎11.00R20为研究对象，分析轮胎-路面静态接地压力分布和稳态滚动地压力分布。1子午线轮胎的有限元建模

采用ABAQUS 软件建立轮胎-路面三维整体模型，其中轮胎的橡胶部分采用C3D8H 单元模拟，其力学性能采用YEOH 模型描述[3]；橡胶-帘线复合材料采用REBAR （加强筋）单元模拟；假设路面各层为均质、连续、各向同性

的弹性材料[4，5]

，且路面采用C3D8R 单元模拟；并考虑了路面与胎面之间的摩擦作用。轮胎-路面三维整体模型如图1所示，路面结构模型部分中共有40392个单元，一共44555个节点，轮胎模型部分中共有28400个单元，36720个节点。

2模型验证

为证明仿真结果和实际数据的一致性，本文验证了模

型的有效性。通过参考文献所得轮胎充气轮廓、荷载下沉量等测试数据[6，7，8]

，并和有限元分析所得到的数据进行比较，如表1所示轮胎在1250kPa 充气压力下几何尺寸实测值与有限元模型计算值的对比结果，由此表可知轮胎自由充气外直径误差为0.0573%，充气断面宽误差为0.0029%。图2为11.00R20子午线轮胎在930kPa 胎压下，轮胎的荷载—下沉量有限元分析和试验结果对比，分析得出相同荷载作用下计算值与实验值相比最大误差为4.847%，最小误差为0.8%，因此可见有限元仿真所得结果和试验结果有很好的一致性。

3接地压力分布

轮胎的接地印迹就是轮胎与路面所接触的接触区域，在此区域内，轮胎与路面之间相互作用，产生使汽车实现各种运动的力。

3.1静态接地压力分布

根据载重汽车实际停止工况，分别从胎压和荷载两个因素来分析轮胎—路面接地压力的分布情况。

3.1.1胎压对静态接地压力分布的影响

将轮胎充气到标准胎压830kPa ，分别对其施加表2所示荷载工况时，对轮胎—路面整体模型进行有限元仿真，得出其静态加载接地压力分布如图3所示。

从各工况接地压力分布图中可以得出，当垂直荷载较小时，轮胎的接地压力分布近似为椭圆形，因轮胎胎侧变形小，故主要接地区域为胎面，最大接地压力处于接地印

迹的中心，呈单核心状态。随着荷载的逐渐增加，接地压力分布形状逐渐由椭圆形变为类矩形。当荷载级别较大时，轮胎胎侧变形增大，因胎面受向内的挤压作用故在接地印——————————————————————

—作者简介:李婷（1988-），女，陕西佳县人，硕士，助教，研究方向

为机械工程。

子午线轮胎接地压力分布研究

李婷①;齐月①;董忠红②

（①榆林职业技术学院，榆林719000；②长安大学，西安710000）

摘要:根据11.00R20子午线轮胎与路面实际接触情况，采用ABAQUS 有限元软件进行轮胎—路面三维整体建模，分析子午线轮

胎静态接地压力分布和动态接地压力分布。分析结果表明：

轮胎胎压和荷载对静态接地压力分布有明显影响；轮胎胎压、荷载和速度对动态接地压力分布有较大影响。

关键词:子午线轮胎；接地压力；有限元

图1轮胎-路面三维有限元模型

表1轮胎充气工况变形数据表

项目

实验数据

（mm ）计算值（mm ）相对误差

（%）充气断面宽充气外直径

296544.63

296.852544.94

0.00290.0573

图2静态加载工况试验结果与计算结果对比

表2加载步与对应荷载加载工况123456

荷载/kN 5152533.5（标准）4550

迹中心发生凸起现象，而轮胎接地中心线处受向内的挤压作用产生凹陷，使得最大接地压力值由接地区域中心位置向胎肩处转移，接地压力分布由单核心状态转为双核心状态。

3.1.2荷载对静态接地压力分布的影响

当轮胎处于额定荷载33.5kN 时，分别对其施加表3

所示各胎压工况，对轮胎—路面整体模型进行有限元仿真，对比分析得出其静态加载接地压力分布如图4所示。

从各工况接地压力分布图中可以得出，在额定荷载

下，当轮胎胎压较小时，因轮胎胎侧变形较大，使得最大接

地压力值发生在胎肩处。随着胎压的增加，轮胎接地压力中心由胎侧逐渐向接地印迹中心转移，且接地面积在逐渐减少，接地压力分布由类矩形转变为椭圆形。与标准气压额定荷载作用下轮胎接地压力分布（工况3）相比，当胎压小于额定胎压时，随着胎压的减小，其接地面积增大，最大接地压力值在增大；当胎压大于额定胎压时，随着胎压的增大，其接地面积减小，最大接地压力值在增大。因此可知，当轮胎处于标准胎压额定荷载时其最大接地压力值最小。

3.2

动态接地压力分布

（a ）加载工况

1

（b ）加载工况

2

（c ）加载工况

3

（d ）加载工况

4

（e ）加载工况

5

（f ）加载工况6

图3标准胎压不同荷载工况下轮胎静态接地

表3加载步工况

加载工况123456胎压/kPa

600

700

830

930

1100

1250

a ）加载工况1

b ）加载工况2

c ）加载工况3

d ）加载工况4

e ）加载工况5

f ）加载工况6

图4标准荷载不同胎压工况下轮胎静态接地