轮胎质量的重要指标轮胎温度场之研究进展保护插座

轮胎质量的重要指标--轮胎温度场之研究进展

轮胎质量的重要指标--轮胎温度场之研究进展 2011年12月04日 来源： 轮胎是车辆中最基本的构件之一。现代车辆的发展 对轮胎的性能提出了越来越苛刻的要求，高速化的时代需要有高性能的轮胎。防止轮胎早期失效破坏，延长使用寿命，提高经济效益，已越来越为轮胎的研究者、制造者和使用者所关注。行驶中的轮胎在外载荷的作用下会产生大量的热量，引起温度的升高。轮胎温度的升高是影响轮胎寿命的主要原因。这种温升主要来源于两种热源：一是轮胎周期性变形而产生的橡胶材料滞后损失转变成热能；二是接地面的摩擦热。由热造成的轮胎温度的升高将导致橡胶化学和物理性能的下降而丧失强度，严重时会导致轮胎爆破给乘坐者造成不可挽回的损失。因此，为了有效降低因轮胎损坏而造成的灾难事故，许多机构纷纷对外力作用下的轮胎温度场进行研究。大量的研究表明，斜交轮胎能正常工作并保证轮胎有足够耐久性的最高温度一般是121.1℃，子午线轮胎必须限制在93.3℃以内或更低些温度。必须注意，这里所说的温度都是指轮胎内的“局部过热”点而言，也就是轮胎各部位相比较产生最高温度的点。然而，不同的轮胎结构，不同的轮胎胶料，产生最高温度的部位以及温度的高低是不同的。因此，迅速、精确、高效地确定滚动轮胎温度场，具有如下意义：第一，指导轮胎结构设计，缩短设计周期、节约成本。轮胎的热学性能与力学性能紧密相连，轮胎在滚动行驶过程中由于摩擦和变形而产生大量的热量，导致温度升高；由于结构的原因，可造成局部温升过高，这将直接影响轮胎材料的热物理性能，造成肩空、脱胶或爆胎等结构方面的破坏。为此设计者在设计之初需要了解轮胎断面温升状况，使设计的轮胎产生的应力和应变分布更加合理，从而降低局部过高的温升，延长轮胎的使用寿命。第二，指导轮胎胶料配方设计。一方面，合理地改进轮胎橡胶材料的配方有助于轮胎滚动阻力的降低。轮胎滚动阻力的降低是降低能量损失、节约能耗的重要标志。轮胎的滚动阻力下降百分之十车辆的油耗就会下降百分之一，油耗的降低又会对环境的优化起到积极的作用。另一方面，配方人员可以根据热学分析的结果在轮胎变形剧烈、温度较高的部位，有意识地使用生热率较低、导热系数较高的胶料，这不但有助于该部分温升幅度的减小，还会降低轮胎的滚动阻力，节约能耗。第三，指导现有轮胎使用，确保车辆驾驶员安全驾驶。对已有轮胎进行温度场分析，使轮胎使用者精确了解各种使用条件下（载荷、气压、速度等）轮胎的生热情况，有利于轮胎的合理使用，避免因过度超载、超速造成的人员及财产的损失等。总之，随着汽车运行速度的提高，汽车轮胎的温度也大大升高，在轮胎的设计和使用中了解轮胎内部温度场的分布情况，对合理设计轮胎结构和胶料的配方，缩短设计周期，降低设计费用以及在使用中合理安排使用条件等都具有重要的经济价值和社会效益。轮胎温度场研究方法与现状轮胎的温度场对轮胎的能量损失和其它力学性能影响很大，因此轮胎的热学分析对提高轮胎性能已成为必不可少的手段。目前轮胎热学研究主要集中在轮胎用胶料的热学参数的测试、轮胎温升的模拟计算、轮胎滚动时稳态温度场的研究、以及橡胶模量与轮胎内部生热的关系等。为了获得轮胎的温度场分布，多年来国内外许多科技工作者一直在努力尝试各种方法，由于轮胎结构的复杂性及轮胎复合材料的非线性，过去一直采用实测方法。我国早就开始了轮胎的室内测温试验，六、七十年代也进行了轮胎公路测温，获取了不少试验数据。轮胎温度的实际测量方法主要有以下两种：一是接触法，西方和前苏联都是在50年代开始应用的。它主要用于测定轮胎内部温度和轮胎硫化时的温度测温。接触法测温，又分为静态法和动态法。静态法一般是在轮胎每次实验停止后测量，主要用于测量胎冠和胎肩处的温度。它使用的是探针式热电偶。通过导轮控制，探针可以自动地插入既定测温点的深处。插入的深度一般为12～16mm，以使其插入胎体外层帘布和胎面胶基部的交界处为宜。此法测温快捷，而且能对实验前的温度准确测量。动态法，一般是在轮胎滚动时测量。首先在轮胎内部开孔，将热电偶预先埋入轮胎测温点，或者将热电偶从气门嘴插入，并通过滑环装置将其引出，测定轮胎内部空气的温度。用接触法测量温度，只能测量点，而且因为要在轮胎上开孔，这样轮胎在受力滚动时，必然会产生应力集中，测出的温度必然与实际温度有出入，因而，必须对其测量结果加以修正。二是非接触法，一般采用红外测温仪，60年代开始采用。该方法是通过测定被测物体的红外线辐射量，确定被测物体的表面温度。其最大优点是不用接触即可测得被测物体的表面温度分布图。红外测温仪不断发展，目前它不仅可测得表面温度，而且借助于计算机可对等温线图、同一温度的面积比率进行分析，还能对故障探测、故障增长等进行研究。也能从导热的角度，对滚动中轮胎内部空气的流动进行研究。非接触法比接触法前进了一大步，为数学分析预测轮胎整体温度分布和热分布提供了条件。但其局限性是只能测量轮胎表面的温度。随着计算理论的进一步发展和成熟，人们逐渐开始采用建立数学模型的方法来研究轮胎的生热规律和温度场分布状况。有限元法的引入使轮胎温度场分析得到了长足的发展。它的优点是能精确模拟轮胎的结构和材料，可以根据轮胎的操作条件、材料特性等来直接预测轮胎的温度场。目前，许多大型企业和科研单位已成功地运用Algor、Marc、Ansys等大型有限元软件研究了轮胎温度场的分布状况，并且取得了一定的效果。然而，因为轮胎内部温度场的分布状况复杂，影响因素众多，虽然这些软件应用范围广，但就某一特定领域诸多因素的影响考虑得并不周全，用此类软件计算轮胎温度场就有一定的局限性。为了克服这些缺点，进行轮胎温度场计算专用软件的开发工作，以更好地了解轮胎温度场的分布状况显得很有必要。轮胎温度场研究展望由于轮胎材料的非线性及轮胎受力的复杂性，对轮胎温度场及其相关问题的研究是个非常复杂的课题。通过几年的工作我们已对轿车子午线轮胎稳态温度场进行了较为全面的研究。但是当轮胎与路面间产生宏观相对滑动，特别是滑动速度较高时，摩擦使轮胎接地胎面温度升高很快，传热的非稳态性强烈地影响着摩擦牵引力的瞬态值，这对着路的飞机、急转弯和急剧变速的汽车来讲是极为重要的。这时摩擦产生的热量已不容忽视。虽然国内外有些文献也对轮胎与地面的摩擦生热进行了研究。如藤川达夫利用红外线传感器测定了接地面内的温度，然后根据测定的滑移量计算出由于摩擦产生的热，再利用一维有限元法计算出了胎面的表面温度；彭旭东在分析轮胎在冰面上行驶机理的基础上，对轮胎与冰面的摩擦特性进行了研究；Hegmon也研究了滑动轮胎胎面的接触温度。但他们只限于研究胎面在摩擦热的作用下的温升，有些研究中轮胎的温度极低，也没有进一步分析整个轮胎的温升状况。为了保证轮胎的行驶安全，在国内外研究成果的基础上，同时考虑轮胎因周期性弹性变形的滞后效应生热 —— 滞后热源（内热源）和胎面与地面间摩擦生热 —— 摩擦热源（外热源）的作用，建立其温度场计算的物理数学模型，同时对相关问题如胶料的热物性，热边界条件等进行研究，形成完整的轮胎温度场模拟计算方法，将对轮胎热学研究的发展起到积极的作用。在完善已有轮胎稳态温度长计算软件的基础上，进行这方面的研究将是我们未来的方向。总之，轮胎温度场的研究对改善轮胎的结构和配方设计具有十分重要的意义，这方面的进一步工作，将为轮胎设计工作者提供参考依据，从而必将为推动我国轮胎工业的科技进步作出应有的贡献。

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