張方良,何 燕,馬連湘(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島 266061)
摘要:從炭黑用量對胎面膠生熱率的影響出發(fā),借助有限元方法對205/65R15半鋼子午線輪胎溫度場及其溫升情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析,得到輪胎溫度分布圖及溫升與炭黑用量之間的關(guān)系。計算結(jié)果能夠反映輪胎的熱狀況,可以指導(dǎo)輪胎結(jié)構(gòu)和配方設(shè)計。
關(guān)鍵詞:炭黑;輪胎;溫升;數(shù)值模擬分析
中圖分類號:TQ336.1+1;TQ330.38+1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B文章編號:1006-8171(2007)03-0141-03
隨著汽車性能的提高和道路條件的改善,輪胎的破壞逐漸從力破壞為主轉(zhuǎn)化為熱破壞為主,破壞點往往是輪胎的熱集中點[1]。輪胎的溫度過高對輪胎的安全性會產(chǎn)生很大的影響,同時也會使?jié)L動損失和油耗增大,因此研究輪胎的溫升及輪胎溫度場的分布狀況是十分必要的。
輪胎的溫升主要是由于膠料在交變應(yīng)力作用下滯后損失引起生熱造成的,本工作在文獻(xiàn)[2]的基礎(chǔ)上,從炭黑用量對胎面膠生熱率的影響出發(fā),借助有限元方法對205/65R15半鋼子午線輪胎溫度場進(jìn)行分析研究。
1 輪胎溫度場傳熱模型
1·1 微分方程
輪胎在滾動過程中,由于材料應(yīng)變滯后于應(yīng)力而引起生熱,因此將生熱作為內(nèi)熱源,對穩(wěn)態(tài)問題采用下述二階導(dǎo)熱微分方程求解:
x(kx θ x)+ y(ky θ y)+Q =0
式中 kx,ky———x和y方向上的導(dǎo)熱系數(shù);
θ———溫度;
Q———單位體積生熱量。
1·2 有限元離散方程
為了用有限元方法求解輪胎溫度場,需把輪胎結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散,離散后溫度[3]可表示為
1·3 生熱率
輪胎膠料是粘彈性材料,應(yīng)力(σ)和應(yīng)變(ε)與時間(t)的關(guān)系可用下式[4]表達(dá):
σ=σ0sinωt
ε=ε0sin(ωt-δ)
此時每周期對物體所做的功(ΔW)可用下式表示:
ΔW =∫2πω0σdεdtdt =πE″ε20
即每周期所作的功都轉(zhuǎn)化為熱而使物體溫度升高,因此,膠料生熱率(q)為
q =Qτ= fπE″ε20
式中 τ———載荷周期;
f———載荷頻率;
E″———損耗模量。
因此,可借助動態(tài)力學(xué)分析技術(shù)測定膠料的損耗模量,并根據(jù)上述公式得到膠料的生熱率。
2 建立模型
205/65R15輪胎胎面膠料的炭黑用量分別為40,50,60,70,80和90份。輪胎的結(jié)構(gòu)和材料分布如圖1(左)所示,其結(jié)構(gòu)參數(shù)為:外直徑 689mm,斷面寬 203 mm,斷面高 152.2 mm,胎圈寬 140 mm,胎面寬 135 mm,材料參數(shù)和熱邊界條件參見參考文獻(xiàn)[2]。
3 網(wǎng)格劃分與溫度場計算
本研究采用四邊形八節(jié)點單元,對輪胎斷面圖進(jìn)行離散化,如圖1(右)所示。
輪胎溫升是由于膠料在交變應(yīng)力作用下應(yīng)變滯后于應(yīng)力使機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能所致,輪胎溫度場分布如圖2所示。從圖2可以看出,高溫主要集中在胎冠部位的帶束層和簾布層,這是由于此處膠料的生熱率高、導(dǎo)熱系數(shù)小,熱量不容易散發(fā)出去,從而導(dǎo)致該部位有較多的熱量積累。炭黑用量為40,50,60,70,80和90份時,輪胎最高溫度分別為101·301, 100·308, 98·549, 103·828,110·892和114.616℃,輪胎溫升隨炭黑用量增大先降低后提高。這是由于盡管隨著炭黑用量增大,膠料的生熱率和導(dǎo)熱系數(shù)都增大,但炭黑用量開始增大時,導(dǎo)熱系數(shù)增大的幅度比生熱率高,而后則相反。
4 結(jié)論
本研究利用有限元方法,對輪胎溫升進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,可以得出如下結(jié)論。
(1)溫度場分析較真實地反映出輪胎溫度分布情況,高溫區(qū)主要集中于胎冠部位的帶束層和簾布層,這與真實情況是一致的。
(2)輪胎溫升隨胎面膠炭黑用量增大先降低后提高,炭黑用量為60份時,輪胎的溫升最低。該研究結(jié)果可以指導(dǎo)輪胎結(jié)構(gòu)和配方設(shè)計。本工作僅對胎面膠做了分析研究,下一步可針對更多膠料配方優(yōu)化輪胎的溫升,進(jìn)一步促進(jìn)輪胎熱力性能的研究。
