摘要：三角平衡轮廓轮胎是一种新型的轮胎结构，在其胎肩处和胎侧处增加高强度的支撑块来提高轮胎的性能。前期的力学分析表明，三角平衡轮廓轮胎的滚动阻力比普通轮胎小，安全性能更高。基于ABAQUS软件建立轮胎三维模型，模拟三角平衡轮廓轮胎以60公里/小时滚动的工况，运用USDFLD子程序得到各个节点的生热率，确定轮胎滚动下的热边界条件，最后得到温度场。提取的数据表明，除了胎肩处没有明显的优势，三角平衡轮胎整体的热学性能比255/30R22轮胎的优良。
1 引言
三角平衡轮廓是指基于低扁平率的传统轮廓轮胎轮廓为基础，通过增大轮胎自由状态下的断面水平轴到胎圈的距离、缩短着合宽度、在胎肩部与胎侧部的内轮廓处增添高强度、耐高温和耐磨损的支撑块来对轮胎轮廓结构进行优化。作为新型结构轮胎的支撑块必须具有良好的力学性能和热学性能。聚氨酯的力学特性介于塑料和橡胶之间，比橡胶强度高但比塑料抗冲击。聚氨酯有一定吸振能力，作为轮胎的支撑块既可以提高轮胎的刚度又保证了轮胎的舒适度。同时一般的聚氨酯的导热性能差，所以要对聚氨酯改性。制备高导热的高分子材料有两种途径。第一种是制备具有良好导热结构的高分子材料,如具有共轭结构的聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯等材料。这些材料共轭结构大，能够利用电子传递机制很好地导热，导热绝缘高分子材料制备的第二种途径,就是向聚合物中填充导热组分来制备高分子复合材料，通用的高导热组分是高导热的无机物，本文选择向聚氨酯中填充碳纤维，其导热率可达0.4-0.8W/m.k。
本文用ABAQUS 软件建立三角平衡轮廓轮胎三维模型，先对其进行以60公里/小时滚动工况的力学分析，算出节点的生热率，再建立热分析模型，确定热边界条件，最后得到温度场。
2 生热机制
橡胶和聚氨酯支撑块都是粘弹性材料，其生热的机理是也一样的。轮胎温升是胶料滞后生热以及与地面摩擦生热导致的结果。在轮胎的稳态滚动过程中,各部位受到应力、应变的作用,橡胶复合材料粘弹性造成的滞后损失成为生热的主要原因。所以本文将忽略轮胎与路面的摩擦生热只考虑材料的内耗生热。轮胎滚动过程中,胶料的应力是随时间变化的周期曲线，任何周期曲线都可以经过傅里叶变换用正弦曲线表示，材料的能量损耗和能量损耗率可以通过谐应变模式下的能量损耗模型来计算,能量损耗是转速和交变应力幅的函数。
3 轮胎有限元模型的建立
3.1有限元模型的建立
首先建立二维的三角平衡轮廓轴对称模型，骨架材料包括带束层、冠带层、胎体层、胎圈。基体材料包括带束层胶、子口胶、冠带层胶、胎圈胶、内衬层、三角胶、胎侧胶、胎面胶。胶料采用YEOH模型，骨架材料通过Embed功能嵌入对应的胶料。三角支撑块采用线弹性参数，杨氏模量为510MP，泊松比为0.4。二维轴对称模型通过SYMMETRIC MODEL GENERATION 功能建立三维模型。施加垂直载荷6800N，摩擦因数设为0.5，充气压力为0.29MP，滚动速度为60公里/小时。力学分析所用的模型单元类型为C3D8H和C3D6H。只需把单元改为传热单元，材料力学参数改为热参数就可以继续做传热分析，热参数包括导热率和比热容，比热容是随着温度变化的参数。
图1 不同轮廓轮胎的二维断面网格
图2 三维有限元模型
3.2边界条件及载荷定义
本文温度场分析假设轮胎的能量损耗只是由胶料的粘弹性引起的，不考虑轮胎与地面的摩擦生热；轮胎的周向无温度差；忽略表面的热辐射。确定热边界条件是准确预测温度场的必要条件，边界条件有胎面、胎侧与空气的对流换热，子口与轮辋的导热系数。设定环境温度为25℃。研究表明胎面、胎侧与空气的对流换热系数与轮胎表面的速度有关，根据公式算出各个部分的参数。
4 结果与讨论
4.1温度场分析
从图3中可以看出，255/30R22轮胎和三角平衡轮廓轮胎的温度场分布大致相同，高温区都出现在胎肩，前者的最高温度为62℃，后者的最高温度为63℃。255/30R22轮胎由于胎侧和胎肩的胶料软变形大而生热多，三角平衡轮廓轮胎在三角块的支撑下，胎侧和胎肩的刚度提高，应力应变小而生热少，但是三角块增加了胎肩的厚度不利于散热。最后两个轮胎胎肩的温度相近而三角平衡轮廓轮胎胎侧温度明显小于255/30R22轮胎的。两者胎圈胶料的最高温度大致相同，但是255/30R22轮胎的高温区域在胎圈中心处，这可能是因为胎侧高温区的影响。而三角平衡轮廓轮胎胎圈高温区域偏向轮辋接触处。255/30R22轮胎胎冠缓冲带中心处有一处高温区而三角平衡轮廓轮胎没有，原因是三角支撑块拉伸了胎面使缓冲带变形较小而生热较小。图中每种轮胎取了1-1、2-2、3-3和4-4路径方便下文分析数据。
图3不同轮胎的温度场
4.2数据分析
图4为4条路径上的温度分布。1-1为胎圈区的路径，图4(a)表明两条曲线的前一半重合，三角平衡轮胎的后一半路径上的温度突然增高，最高温度的位置较255/30R22轮胎的后移，这是因为255/30R22轮胎此处的温度受胎侧的影响大，三角平衡轮胎没有此影响而温度区域偏向导热性好的轮辋接触处。2-2为胎侧区的路径，图4(b)表明了三角平衡轮廓轮胎的优越性，它的支撑块起到了支撑和分担胎侧载荷的作用，其胎侧整体的温度不到255/30R22轮胎胎侧温度的一半，趋势平缓，温度分布均匀。3-3是在胎肩处过最高温度取得路径，图4(c)可以看到两者的最高温度相差不大，两条曲线相当于左右平移了，三角平衡轮胎胎肩的最高温度偏向内表面，靠近骨架材料。4-4为轮胎为胎面中心区域的路径。胎面为轮胎唯一与路面接触的部位，承载了轮胎的垂直载荷。在载荷相同的情况下，图4(c)表明三角平衡轮胎胎面路径上温度基本保持在环境温度上，远远小于255/30R22轮胎胎面路径温度，原因是三角块撑直了胎面，减小了胶料的内耗。图5为骨架材料端点的温度随时间变化的曲线图。骨架材料端点的温度变化趋势相同，255/30R22轮胎达到温度平衡的时间比三角平衡轮胎短。由于三角平衡轮胎胎肩高温区向三角块处偏移，这就导致三角平衡轮胎的第二带束层端部温度比255/30R22轮胎的低，第一冠带层的温度两者相差不大，但是三角平衡轮胎的第一带束层和第二带束层的温度都比255/30R22轮胎的高。三角平衡轮胎的优势在于两个胎体反包处的温度都很低，这可以防止胎体脱层。
图4路径上的温度分布
图5采样点上的温度曲线
5结论
本文在支撑块提高轮胎力学性能的基础上，做了255/30R22轮胎和三角平衡轮廓轮胎最终达到稳态的温度场对比。得出结论如下：
（1）三角平衡轮胎提高了胎侧的刚度使胎侧的生热小，支撑块拉直了胎面使胎面变形小，所以胎侧和胎面的温度较低，同时三角块的作用使胎肩的高温区域向胎内偏移。
（2）三角平衡轮胎胎体反包处的温度较255/30R22轮胎低很多，避免出现胎体脱层破坏。
（3）除了胎肩处没有明显的优势，三角平衡轮胎整体的热学性能比255/30R22轮胎的好，如果改进三角块的结构加强其散热功能，三角平衡轮胎能兼备优良的力学性能和热学性能。
（唐霞 贺建芸 薛梓晨 张金云 付新华 焦志伟 谭晶 杨卫民）
（北京化工大学机电工程学院；三角轮胎股份有限公司）
