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輪胎是汽車的重要部件之一，其力學(xué)特性對汽車的行駛性能如操縱穩(wěn)定性、安全性、平順性和燃油經(jīng)濟(jì)性等都有極為重要的影響。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和消費(fèi)者對汽車產(chǎn)品要求的提高，輪胎動態(tài)特性的研究工作越來越受到重視。傳統(tǒng)的解析方法分析輪胎的振動特性時幾乎都是將輪胎胎側(cè)簡化為彈簧，胎冠當(dāng)作各向同性材料的圓環(huán)來處理，這種分析簡化與輪胎的實際情況有很大出入，分析結(jié)果很難具有工程實用價值。近年來采用有限元分析輪胎結(jié)構(gòu)力學(xué)成為輪胎研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，其中大多是采用Abaqus有限元分析軟件對輪胎進(jìn)行模擬分析。
本工作以255/30R22規(guī)格的三角平衡輪廓輪胎和傳統(tǒng)輪廓輪胎為例，考慮橡膠材料的非線性和不可壓縮性及簾線-橡膠復(fù)合材料的各向異性等因素，對其進(jìn)行三維非線性有限元模擬仿真分析。邊界約束對輪胎的模態(tài)參數(shù)有明顯影響，汽車行駛時需考慮輪輞和路面對輪胎振動的約束，因此本工作主要研究和探討三角平衡輪廓輪胎的模態(tài)參數(shù)對整車動力學(xué)性能的影響。
三角平衡輪廓是指以低扁平率的傳統(tǒng)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、在胎肩與胎側(cè)的內(nèi)輪廓處增添高強(qiáng)度、耐高溫和耐磨損的支撐塊，對輪胎輪廓進(jìn)行優(yōu)化。
由二維輪胎斷面輪廓可以看出，三角平衡輪廓輪胎在自由狀態(tài)下胎面和胎側(cè)區(qū)域內(nèi)的胎體層斷面輪廓呈等腰三角形，且三角形的頂角遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)輪廓輪胎。當(dāng)三角平衡輪廓輪胎處于標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力工況時，胎肩與胎側(cè)所夾的支撐塊不斷地受充氣壓力的擠壓，由于支撐塊硬度很高，而胎側(cè)膠很軟，因此支撐塊擠壓胎側(cè)變形，使胎側(cè)部位的橫向位移增大，而胎冠中心線上的徑向位移減小，提高了周向剛性，降低了高速行駛時的能量損失，此時胎冠沿胎面橫向被拉直，且胎冠部的胎體簾線呈張緊狀態(tài)。當(dāng)三角平衡輪廓輪胎承受負(fù)荷時，一方面高硬度的支撐塊提高了胎側(cè)的剛性；另一方面胎側(cè)不斷地被支撐塊擠壓，使胎冠的胎體簾線被張緊拉直，提高了胎冠的剛性，實現(xiàn)了胎冠和胎側(cè)剛度的整體提高，從而使靜負(fù)荷工況下輪胎的下沉量減小，實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)力臂的減小和真圓度的逼近，達(dá)到降低輪胎滾動阻力的目的。此外，三角平衡輪廓輪胎胎冠和胎側(cè)較高的剛度與穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)使胎體層斷面輪廓在滾動過程中基本不發(fā)生變化，提高了輪胎行駛的穩(wěn)定性；當(dāng)輪胎處于漏氣或零氣壓狀態(tài)時，支撐塊還起著承受車輛自身重力的作用，從而提高輪胎的安全性能。
輪胎中實體單元采用具有近似不可壓縮性的超彈性橡膠材料模型表示，考慮各類簾線均為正交各向異性材料，冠帶層錦綸簾線、帶束層鋼絲簾線和胎體聚酯簾線均采用rebar嵌入式單元處理，本研究采用Yeoh模型。支撐塊選用線彈性模型，其材料選用具有優(yōu)異耐磨性能、優(yōu)良抗撕裂性能和較高彈性的熱固性聚氨酯彈性體。本研究取其楊氏模量為510MPa，泊松比為0.4。
輪輞和路面定義為解析剛體，且胎圈與輪輞為過盈配合，胎圈與輪輞之間和胎面與地面之間的摩擦因數(shù)分別設(shè)為0.3和0.5。在模態(tài)分析中，LANCZOS向量直接疊加法是通過生成一組LANCZOS向量對運(yùn)動方程進(jìn)行縮減，然后通過求解縮減運(yùn)動方程的特征值問題得到其特征解。由于該方法具有較理想的計算效率，因此本研究采用LANCZOS向量直接疊加法來求解線性方程組，得出固有頻率和相應(yīng)振型。
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