轮胎设计力学

轮胎设计力学第一讲第一讲 绪绪 论论轮胎设计力学的发展、内容、任务轮胎设计力学的发展、内容、任务和研究方法和研究方法参考资料：充气轮胎性能与结构 P157187；P1121.轮胎设计力学的发展 经典设计理论解析方法 现代设计理论（第一阶段）引入有 限元分析技术 现代设计理论（第二阶段）引入优化设计的理论和方法转2经典设计理论 薄膜理论，Purdy(1928)网络理论，Hofferberth(1956)自然平衡轮廓理论，Biderman(1957)修正的自然平衡轮廓理论，Akasaka(1981)特点返 回特点经典设计理论 优点：抓住了轮胎结构中的最主要因素，对充气状态的轮胎整体力学特征作出了较恰当的描述，是现代设计理论的基础；形式上得到了解析解，便于应用 不足：过于简化（如：不计橡胶受力；不计帘线的变形等），不适合描述结构中的局部力学特征；仅适用于充气状态 返 回现代设计理论（第一阶段）最佳滚动轮廓理论RCOT(Rolling Contour Optimization Theory)BS公司（1985）最佳张力控制理论TCOT(Tension Control Optimization Theory)BS公司（1988）负载时应变能最小化理论SEMT(Strain Energy Minimization Theory)横滨（1988）其它设计理论 特点 面临的问题返 回最佳滚动轮廓理论RCOT 针对问题：轿车子午胎侧偏时发生“皱曲”现象（高速情况下）思路：改变断面轮廓形状来提高带束层张力 办法：采用有限元分析技术；减小胎侧部曲率半径，加大胎圈部曲率半径（图12）效果：改善了轮胎的行驶性能。被誉为“划时代的新设计理论”返 回思考题轮胎接地部分模拟图翘起（翘曲现象）图11“皱曲”现象示意图返回 R C O T轮廓原来轮廓带束层张力分布（周向）R C O T轮廓的张力分布原来轮廓的张力分布帘布层张力分布（径向）图12 RCOT轮廓和帘线张力分布返回受力特点思考题？1：若进一步减小胎侧曲率半径，增大胎圈部曲率半径，是否会使轮胎性能更加改善？2：RCOT是否适合低断面轮胎？3：还有什么方法可提高带束层张力？返 回受力特点 自然平衡轮廓：对子午胎来说，胎体帘线受均匀张力；（斜交胎是胎冠部最大）RCOT轮廓：胎体帘线张力在胎圈部位增大，胎侧部位减小，胎冠部位也减小；带束层张力提高。返 回最佳张力控制理论TCOT 针对问题：载重子午胎的耐久性 思路：减小带束层端部和帘布层反包端部的变形 办法：利用有限元分析手段；考虑负载下的偏心效果，控制行驶状态的张力来降低带束层端部变形；利用充气压力来控制轮廓形状，以减小帘布层反包端部的变形（图13、图14）效果：维持其它原有性能的情况下，大幅度提高了胎圈及带束层的耐久性返 回图13 充气后轮廓形状的变化TCOT传统轮廓返回（两者初始形状不同，充气后形状接近）位移轮辋位移轮辋图14 充气时胎圈部位的变形返回TCOT传统轮廓负载时应变能最小化理论SEMT 针对问题：钢丝载重子午胎的耐久性 思路：承载状态下力求同时减小带束层端部和胎体帘布层反包端部的应变能 办法：采用非线性有限元分析手段，得到了合适的轮廓形状（图15）以及四项新技术（图16、图17）效果：降低了应变能；提高了耐偏磨性能和操纵稳定性返 回1342R1R2图15 SEMT轮廓形状图16 SEMT的四项新技术返 回 1带束层新结构2直线型胎侧 3肩部条形花纹4耐疲劳胶料返回图19原来结构新带束层结构大角度钢丝带束层零度尼龙帘布层图17 SEMT的带束层新结构返回其它设计理论 动态模拟最佳轮廓理论DSOC、DSOC-S（用于轿车）和动态稳定性最佳接地面理论DSOC-T东洋公司 PSP（1987）、PSP-F理论住友公司 轮胎综合技术理论（I理论）大津公司 最佳应力应变周期设计理论CSSOT前苏联（1988）返 回特点现代设计理论（第一阶段）要借助于有限元分析技术；提出了非平衡轮廓形状设计理论，但仍需要利用平衡轮廓理论作初步设计；超出了形状设计的范畴，可以考虑更多的设计因素，如局部构件的结构形式、不同部位选用不同性能的材料等；未完，见下页（续上页）可考虑各种工况下的轮胎载荷；可对局部性能进行改进设计；可针对性地根据使用要求设计出不同性能的轮胎；拓宽了轮胎结构设计的空间；不具有普适性，难以掌握 不能完全代替轮胎实验，但可以减少轮胎试验，缩短产品开发的周期。返 回上 页面临的问题现代设计理论（第一阶段）目标性能的力学量描述（依赖于对结构性能及其受使用条件和设计参数影响的规律性认识，目前这种规律性研究的积累太少）；目标性能的相互制约；设计参数与反映目标性能的力学量之间的关系复杂；未完，见下页（续上页）设计参数太多（设计变量空间几乎是无限的），有必要对其进行分类研究；选取设计参数时靠试算的办法，一般只能取得相对好的、而不是最好的设计方案；有限元计算的精度问题；计算量太大返 回上一页设计变量（举例）非结构因素：气压、载荷、速度、环境温度等 非参数化的结构因素：轮胎规格；帘线规格；带束层结构形式、钢丝圈截面形状和方位；橡胶材料的分布（包括种类、用量、位置、形状等）；胎面花纹形式返 回未完，接下页返回图18续上页 可参数化的结构因素：（1）几何参数：内、外轮廓形状的表示（目前一般将胎冠、胎肩、胎侧和胎圈部分别研究）；胎体的形状与位置，尤其是反包部位的形状和高度；钢丝圈的位置；每一带束层的形状、宽度及厚度方向的位置；帘线的排列方向和密度；（2）材料参数：应力与应变关系、强度、疲劳性能；热学参数；老化性能；（3）工艺参数返 回上 一 页返回图18现代设计理论（第二阶段）大统一轮胎理论GUTT(Grand Unified Theory in Tire)BS公司（1995）优化杨氏模量 将各种优化理论和方法引入设计中，如神经网络理论、遗传算法等 特点返 回特点现代设计理论（第二阶段）引入了优化设计思想和方法，理论上可获得最佳或接近最佳的设计方案；有限元计算量更大，以至于无法实现（即使只对部分参数进行优化设计）；目标函数很难确定；总之，目前这种优化设计理论实际上还没有充分发挥作用，它是人们努力的目标返 回2.轮胎设计力学的内容 轮胎材料力学 轮胎结构力学轮胎结构力学 轮胎实验力学 轮胎操纵力学 轮胎工艺力学 轮胎噪声转1转3使用性能力学性能（目标性能的力学描述）设计参数和使用条件桥梁作用图18返 回承载性能耐久性（规格确定时）P-曲线（径向刚度）胎面接触压力分布的均匀性耐磨耗耐疲劳损伤基本性能耐材料老化薄弱部位E（应变能）损 耗 的 应 变 能ELOSS、温度图19返 回FX、纵向刚度CSFY、侧偏刚度MZ、回正刚度FYmax 接触面的摩擦力牵引性操纵性稳定性抗侧滑抗湿滑动力特性图110返 回环保性能低滚阻舒适性低噪声振动特性包容、缓冲性车内噪声车外噪声固有频率、激振频率带束层及胎体刚度固有频率、胎面花纹、断面轮廓形状等固有频率、胎面花纹、断面轮廓形状等图111返 回应变能损耗ELOSS，胎面 摩擦高速性足够的带束层张力其它图112返 回使用性能 基本性能：承载性能、耐久性能（耐磨耗、耐疲劳损伤、耐老化等）动力特性：牵引性能、稳定性能、操纵性能、抗侧滑和抗湿滑性能等 环保性能：低滚阻、低噪声、舒适性等 其它性能：如高速性能等返 回力学性能 应力、应力不变量分布 应变、应变不变量分布 结构刚度 应变能分布 接触面上各合力分量 接地压力分布 应力强度因子、J积分 等等（具有明确力学意义的表征参数）返 回3.轮胎设计力学的任务研究设计变量对轮胎结构性能的影响规律认识和评价轮胎结构的力学性能为轮胎结构设计提供必要的理论基础和方法转2转44.轮胎设计力学的研究方法 理论研究：进行较为基本的、普遍的规律性研究；理论模型一般仅考虑少数最主要的因素；应用方便、效率高。数值研究：分析层次深入，注重局部力学特征的研究；数值计算模型仍然需要对实际问题进行一定程度的简化；需要非常专业的技术，效率也有待进一步提高。实验研究：为理论和数值研究提供必需的参数；对理论和数值研究成果进行验证；需要理论和数值研究作指导以提高效率。转1转3转2习题 用自己的语言尽可能多地指出自然平衡轮廓理论的重要性和不足之处。你认为用解析方法对自然平衡轮廓理论是否还有改进的必要性和可能性？总结RCOT、TCOT和SEMT设计理论的共同点和不同点。轮胎的使用性能有哪些？设计变量有那些？预习材力P188，不包括其中的2.13051015202530050001000015000200002500030000frictional wm1f wm3f wm4fcontact load,P(N)contact displacement,(mm)frictionless wm1 wm3 wm4图113 重力负荷下的P-曲线 返 回 图114 轮胎印迹法向压力分布返 回胎面位移图115 重力负荷下胎面位移（水平面上的投影）返 回00Y:FX,FY,MZX:s,Magic Formula:Y=SY+D sinC tan-1B(X-SX)(1-E)+E tan-1B(X-SX)YX图116 轮胎的动力特性曲线 返 回轮胎坐标系行驶方向Z地面XY图117 无侧倾时的轮胎坐标系 返 回动力特性曲线侧偏示意图图118 轮胎侧偏示意图 返 回